青藏鐵路多年凍土區(qū)凍脹丘發(fā)展特征及其對路基穩(wěn)定性的影響

王 平

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

1 概述

青藏高原多年凍土區(qū)屬于高寒大陸性氣候，具有寒冷、干旱、空氣稀薄、氣候多變、生態(tài)環(huán)境脆弱和凍土環(huán)境敏感的特點［1-3]。從19世紀(jì)50年代開始，隨著西藏經(jīng)濟發(fā)展的需求，青藏高原上相繼修建了大量的線性工程，其中青藏公路、輸油管道、輸電線路以及20世紀(jì)初修建的青藏鐵路等大型工程對脆弱而敏感的凍土環(huán)境產(chǎn)生了很大影響。同時在全球氣候變暖和青藏高原氣溫升高的雙重效應(yīng)下［4-6]，青藏高原多年凍土開始退化，年平均地溫升高，多年凍土上限下降，融區(qū)面積逐年增加［7-9]，凍融現(xiàn)象也呈加劇趨勢。

凍脹丘是寒區(qū)工程常見的一種次生病害［10-12]，是由于地下水受凍結(jié)地面和下部多年凍土層的遏阻，在薄弱地帶凍結(jié)膨脹，使地表變形隆起，也是青藏高原多年凍土區(qū)經(jīng)?？梢钥吹降囊环N凍土地貌，青藏鐵路沿線的凍脹丘主要以季節(jié)性河灘-河床型為主。凍脹丘對路基的破壞主要表現(xiàn)在兩個方面，一是凍脹丘對路基的擠壓或頂托破壞，二是為凍脹提供水源條件，凍脹丘融化后，融水匯聚或滲進(jìn)路基，造成路基及其周圍土體飽和引起路基凍脹。為了研究凍脹丘對路基的影響，從保護(hù)工程安全角度出發(fā)，本研究選取青藏鐵路K966+746右側(cè)發(fā)育的凍脹丘進(jìn)行監(jiān)測研究。

2 監(jiān)測區(qū)基本條件

2.1 凍脹丘的形成

該處為斜坡填挖過渡段路基，地勢左低右高，路基右側(cè)設(shè)置了擋水埝，擋水埝后局部積水，最大積水深度1 m左右，并于融期滲透穿過擋水埝，在擋水埝內(nèi)側(cè)原堆土處產(chǎn)生凍脹，形成類似于凍脹丘的形態(tài)(圖1)。丘體規(guī)格18.5 m×3.3 m×2.5 m。該丘體表面曾發(fā)生過凍脹，并在夏季形成了表面的沉陷、坡面的融化泥流等現(xiàn)象，由于反復(fù)的凍脹、融沉，導(dǎo)致在擋水埝坡頂出現(xiàn)長39 m、寬5 cm的裂縫，擋水埝頂面沉降10 cm。該處夏季丘體融水出滲，造成路基右側(cè)積水及下沉，下沉范圍22 m×10 m。

圖1 發(fā)育的凍脹丘及融水導(dǎo)致地面沉陷

2.2 區(qū)域氣象條件

該區(qū)氣溫波動較大，氣候寒冷，年平均氣溫-2.5℃，最高氣溫13℃，最低氣溫-19℃，年降雨量200 mm。每年10月中旬到次年4月中旬為凍結(jié)期，凍結(jié)指數(shù)為37.6℃.月(一年內(nèi)月平均氣溫0℃以下值的累計值)，4月中旬到10月中旬為融化期，融化指數(shù)為15.3℃·月(一年內(nèi)月平均氣溫0℃以上值的累計值)，融凍指數(shù)比0.41。

2.3 工程地質(zhì)條件(圖2)

監(jiān)測區(qū)位于昆侖山北側(cè)高山丘陵區(qū)處，青藏鐵路K966+746路基右側(cè)，海拔4 500～4 800 m，多年凍土厚60～120 m，天然上限0.9～2.3 m，以古冰川、現(xiàn)代冰川及寒凍風(fēng)化地貌形態(tài)為主，凍土不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，主要不良地質(zhì)現(xiàn)象有融沉、冰椎和凍脹丘等。

該區(qū)植被稀少，0～0.3 m草皮層，覆蓋度不足10%，0.3～1 m為黃色黏土層，密實、無砂礫，含水量約15%。1.0～8.6 m為礫砂層，其中，1.0～2.5 m為少冰凍土，體積含冰量10%左右，融化后較松散;2.5～4.5 m為飽冰凍土，體積含冰量50%以上，融化后較松散，有大量水滲出;4.5～8.6 m少冰凍土，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，密實，錘擊不易碎，呈塑性。8.6 m以下為頁巖沉積層，淺灰色，含少量深灰色砂礫，約10%左右，粒徑均小于5 mm，含水量很小，一般都在5%左右，堅硬、密實。

圖2 地質(zhì)剖面(單位:m)

2.4 監(jiān)測設(shè)備布設(shè)

于2007年9月鉆孔勘察，并布設(shè)了地溫、水分、地下水位、分層凍脹及地表變形監(jiān)測點(圖3)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土體含水量

由于擋水埝后積水且穿透擋水埝，對路基右側(cè)土體造成熱融和軟化影響。表現(xiàn)在土體含水量方面(圖4):由于No.1和No.2號孔多年凍土上限下發(fā)育含土冰層，1～4 m深度范圍的土體總含水量顯著高于其他深度，而No.3、4、5號孔盡管相應(yīng)深度由于含冰量低于No.1、2號孔，含水量也低于 No.1、2號孔。但在No.3、4、5號孔中，1～4 m深度范圍的土體總含水量仍然高于其他深度。

3.2 地溫變化及對路基穩(wěn)定性影響

圖5為2007年各孔年平均地溫圖，該圖表明，天然條件下測溫孔平均地溫與經(jīng)擾動后的路基側(cè)地溫存在著顯著差異，天然孔不同深度地溫最低，而路基坡腳處檢測孔(No.5)地溫最高。尤其在淺部差異更為顯著，其中天然孔0.5 m深度地溫低于路基坡腳處No.5號孔相同深度地溫2.2℃，15 m深度地溫相差近0.5℃。表明地表擾動及路基側(cè)積水對地溫產(chǎn)生了顯著影響。

圖3 監(jiān)測設(shè)備平面布置(單位:m)

圖4 各地溫孔土體總含水量隨深度分布

圖5 2007年年平均地溫曲線

圖6 2007年多年凍土上限深度

在上述溫度差異的影響下，不同位置孔中多年凍土上限埋深也表現(xiàn)出了顯著差異。圖6表明，天然條件下的多年凍土上限為0.75 m，隨著向路基方向的靠近，多年凍土人為上限逐漸加深，至路基坡腳附近上限深度變化至2.3 m。因此，工程活動不僅對地溫造成了影響，也進(jìn)一步影響到多年凍土上限的分布。在監(jiān)測場地，擋水埝后水體的滲流也是導(dǎo)致地溫升高和上限深度增加的重要因素。其對工程的危害表現(xiàn)在對路基熱穩(wěn)定性造成影響，并會通過路基附近土體的逐年沉陷誘發(fā)路基穩(wěn)定性的降低。

3.3 土體含水量變化及對路基穩(wěn)定性的影響

圖7為丘體不同深度含水量變化情況，表明不同深度的含水量變化趨勢與氣溫變化相一致，融化期間含水量普遍較高，最高達(dá)25%;凍結(jié)期開始后，土體含水量急劇降低，并在氣溫小于-5℃后土體含水量接近于0%。由于水分探頭無法測量到土體的未凍水含量，所得接近0%含水量的結(jié)果表明土體已經(jīng)完全凍結(jié)。土體中水分的變化是導(dǎo)致凍脹和融沉的根本因素，土體完全凍結(jié)后基本沒有水分遷移的發(fā)生，從而凍脹也會基本停止。

圖7 不同深度水分隨時間變化曲線

圖8 路基側(cè)不同深度水分隨時間變化曲線

圖8為靠近路基的路側(cè)地面積水、下沉區(qū)域土體含水量變化情況。監(jiān)測顯示，該處土體含水量顯著高于丘體土體，融化期間最大達(dá)60%。后期由于探頭在水中的長期浸泡或其他原因，未能得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但初期的數(shù)據(jù)反映了該處土體處于飽和、過飽和狀態(tài)。土體的這種水分狀態(tài)對于下伏多年凍土及地面的凍脹和融沉造成了顯著影響，直接的表現(xiàn)為土體溫度的升高和多年凍土上限的下降，并可能在沉降、積水范圍的擴大的情況下，通過側(cè)向熱侵蝕對路基穩(wěn)定性形成危害。

3.4 地面變形及對路基穩(wěn)定性影響

監(jiān)測場地地面變形通過定期測量監(jiān)測斷面布設(shè)的7個凍脹板的相對高程變化來確定。自2008年1月至2010年4月期間的變形監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。圖中變形點變形與時間關(guān)系曲線表明:整體上各點都表現(xiàn)出了冷季的凍脹和暖季的下沉;斷面深層變形相對穩(wěn)定(No.1、2、7)，淺層變形相對劇烈，尤其在路基側(cè)的沉陷區(qū)域，以No.6凍脹監(jiān)測為例，2007～2008年冷季，地面凍脹33 mm，2008年暖季，地面下沉82 mm，2008～2009冷季，地面凍脹33 mm，2009年暖季，地面下沉89 mm，2009～2010年冷季，地面凍脹29 mm。最大凍脹與最大融沉導(dǎo)致地面存在約10 cm的變形。其原因可能是該處為路基右側(cè)積水坑，夏季凍脹丘融水匯聚于這里，融化層基本處于飽和或過飽和狀態(tài)，所以有較大的融沉量。地面凍結(jié)之前，土體含水量仍然較高，所以產(chǎn)生了較大的凍脹量。地面的頻繁上漲和下沉可能會造成路基一定的變形，也可能由凍脹產(chǎn)生的凍脹力側(cè)向擠壓路基。

圖9 地面變形監(jiān)測曲線

3.5 水位水溫監(jiān)測

圖10是路基坡腳處水位孔水位和水溫隨時間變化情況。從圖中可以看出，路基坡腳處8月初水位比較高，約為-0.15 m，從8月初開始水位波動下降，但在當(dāng)年9月底，水位重新出現(xiàn)一個高值，之后再次持續(xù)下降，當(dāng)水溫為0℃時水位約為-1.6 m，時間是11月上旬。這一水位變化趨勢是與春季擋水埝后的水體解凍、滲流及夏季降水密切相關(guān)的，整體上由于該處一直有水源補給，地下水位較高，不但對下伏多年凍土具有熱影響，也對于其側(cè)的路基具有不良影響。表明該處的路基側(cè)排水措施需要進(jìn)一步改進(jìn)、完善。

4 結(jié)論與討論

圖10 路基坡腳水位/水溫隨時間變化曲線

(1)凍脹丘是多年凍土區(qū)普遍存在的凍脹現(xiàn)象之一。由于修筑路基可能壓實了地基下的含水層，阻礙了地下水的通道，并且擋水埝等排水設(shè)施破壞，在路基高側(cè)產(chǎn)生了凍脹丘。

(2)凍脹丘所產(chǎn)生凍脹與融沉的根本原因在于溫度變化導(dǎo)致的土體中的冰-水轉(zhuǎn)化，結(jié)合到工程地質(zhì)和水文條件，由于土體具有弱凍脹性，擋水埝后積聚的水體滲穿堰體后提供了連續(xù)的水源，導(dǎo)致了路基側(cè)多年凍土的熱狀況變化，并在周期性的氣溫正負(fù)變化過程中導(dǎo)致了地面的凍脹與融沉，在此兩方面的長期影響下，將會對路基的熱穩(wěn)定性、力學(xué)穩(wěn)定性產(chǎn)生危害。

(3)路基坡腳處水位較高，應(yīng)加強排水措施截斷地下水，并保持擋水埝排水暢通，阻止地下水流向路基，同時以滲水土填筑路基防止凍脹。

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