（岩土工程专业论文）青藏铁路路堤路堑过渡段研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 路堤路堑过渡段是铁路建设中保持线路平顺的重要部位，在铁路 建设工程中比较常见。近年来，围绕着高速铁路特别是软土地区的铁 路建设，对路基过渡结构开展了大量的研究工作，但对多年冻土区填 挖过渡段的研究几乎没有。多年冻土区填挖过渡段除了要解决一般地 区过渡段的问题外还受到多年冻土的特殊工程性质的影响，需要考虑 因开挖和回填等因素引起的基底多年冻土的不稳定性。本文结合青藏 铁路的建设实际，首先根据现有过渡段设置方法，结合多年冻土的特 点，提出了适用于多年冻土区的路堤路堑设置方法。其次，对提出的 路堤路堑设置形式在青藏铁路北麓河试验段进行了现场试验与监测。 通过对二个冻融循环内沉降变形与温度状态试验数据的整理分析，总 结了路堤路堑过渡段沉降变形与温度状态在完工二年内的变化规律。 然后，通过考察路基面纵向和横向平顺性、不同位置变形量的大小、 不同深度变形特点、多年冻土的地温变化、冻土上限的变化量、浅层 地温变化规律等方面，对所采用的路堤路堑结构进行了综合评价。最 后，利用大型商用有限元分析软件a n s y s ，对过渡段的路堑断面、路 堤断面分别就开挖回填对路基温度场的影响进行了数值模拟。通过数 值模拟结果和现场实测数据的对比，获得了针对冻土特性和路基设计 的相关参数，得出了相应的结论。 关键词：路堤；路堑；过渡段；多年冻土；冻土上限；沉降 多年冻土地区路堤路堑过渡段的研究现状 第一章多年冻土地区路堤路堑过渡段的研究现状 1 1 多年冻土地区路堤路堑过渡段存在的问题 列车安全、平稳、快速的运行是以铁路线路的平顺性为前提的， 但由于组成线路的路基因为组成结构的不同，在不同的位置具有不同 的强度、刚度、变形特性、材料属性，所以必然引起线路的不平顺。 在路堤路堑过渡段，类似的不平顺也同样存在，一般来说，这主要是 由于轨道基础刚度变化产生沉降差而引起的。填方段和挖方段沉降的 差异主要来自于以下三个方面：首先，对于填方段来说，由于填料在 施工过程中不可能完全压实，在工后运营过程中会产生沉降，而且更 为重要的是，下部路基体在上部附加荷载作用下，因为固结和压密也 必然产生沉降，沉降量的大小有赖于填方高度；而对于挖方段来说， 由于整个土层是在自然条件下经过多年沉积作用形成的，开挖以后， 对于般地区来说，其固结沉降已经基本完成，所以它基本不发生额 外的沉降，这就产生了沉降差。其次，由于该过渡段位于多年冻土区， 设计时对于挖方段采取了换填措施，由于换填厚度和填方段的回填厚 度必然存在差异，这必然导致整个路基刚度的差异和回壤厚度范围内 填料变形的差异。最后，对于多年冻土区，挖方将对多年冻土整个温 度场造成极为不利的重大影响，路基下卧多年冻土的温度将发生变化， 其工程性质也会发生明显的变化；而填方对于多年冻土温度场的不利 影响要小的多，这势必影响整个填挖过渡段的变形差异。 在填挖过渡段线路病害中，这种不平顺的现象广泛存在，当列车 高速通过时，势必会增加列车与线路的振动，引起列车与线路轨道作 用力的增加，影响线路结构的稳定甚至危及行车安全。为了满足列车 北京交通大学大学硕士学位论文 安全、舒适且连续运行的目的，必须将其不平顺控制在一定范围内。 因此在填方段和挖方段之问设置一定长度的过渡段，在此过渡段内进 行特殊的工程处理，可以使轨道冈度平缓变化，并最大限度的减少两 者的沉降差，来降低列车与线路的振动，减缓线路结构物的变形，保 证列车的安全运行。 近年来，针对填挖过渡段的研究受到了工程界的普遍重视。随着 我国经济的飞速发展，对于铁路、公路高速化的要求越来越高，对于 公路、铁路线路在运营过程中的舒适性、平稳性的要求也越来越高。 在公路工程中，已有不少专家和学者对此给予了足够的重视，在湖南 省末阳一宜章高速公路填挖过渡段中，已经采用土工格网成功处理了 过渡段沉降差异的问题。但是，对于多年冻土区的填挖过渡段来说， 还未见到相应的研究成果和有效的处置方法。况且，铁路工程对于线 路的平顺性相对于公路工程来说，要求要高得多，对于保持多年冻土 区铁路工程的平顺性相对于一般地区来说，难度要大的多，所以，处 理多年冻土区的铁路路基填挖过渡段，遇到的困难是显而易见的。 另外，关于填挖过渡段进行的研究工作，主要是围绕着修筑于软 土地基上的过渡段开展的，对于冻土地区的铁路，填挖过渡问题的研 究相对很少。随着青藏铁路格拉段的大规模建设，冻土特别是多年冻 土区的工程建设问题引起了广泛的关注，从青藏公路的运营情况来看， 多年冻土地区填挖过渡段同样存在着较为严重的不平顺现象，个别情 况下，填方段与挖方段之间的沉降差异明显。冻土的工程性质复杂， 决定了多年冻土区填挖过渡段设置不能完全按照一般地区的方法进 行，必须根据冻土的特点有针对性地进行合理的处理。 冻土的工程问题是青藏铁路建设中的三大难题之一，所谓冻土是 指温度低于o 且含有冰的土岩，根据冻土存在的时间长短，地球上主 2 北京交通大学大学硕士学位论文 青藏铁路贯穿西藏和青海两省区，海拔高、高差大是其中的一大 特点，所以路基设计、旖工存在很多难点。对于填挖过渡段，具体来 说有如下特点：填挖变化大，即在某一地段可能存在开挖、零填和填 筑共存的状况：土方工程量大，填筑质量难以保证，开挖影响不可忽 略；由于冻土的存在，地基的承载力和稳定性更难得到保证；由于距 离市区较远，材料运输困难。相对于一般路基而言，填挖过渡段对线 路的平顺性要求更加严格，所以冻土的热稳定性对其产生的影响更为 显著。综合填挖过渡段结构自身的特点和冻土的特殊工程性质，对于 冻土区填挖过渡段的处理除采用已有的一般设置方法外，主要考虑如 何减小温度季节性变化和人类工程活动对冻土水热平衡状态破坏造成 的不利影响，挖方段和填方段冻土变化的不同特征和由此引起的沉降 规律。 在查阅了现有的填挖过渡段方面的文献后1 1 。3 。6 8 1 2 川1 ，根据多 年冻土的工程特点以及多年冻土区路基工程的文献l 1 3 1 4 1 6 1 7 1 8 1 9 - 2 0 2 1 f2 2 2 3 叫，总结认为多年冻土区填挖过渡段存在的主要问题在于冻 土问题，尤其是挖方地段。挖方地段的冻土因为受到破坏的程度远远 大于一般地段，因此它与一般路基的连接必须给予高度关注，进行专 门设计。冻土地区挖方地段的路基和堑坡的变形和稳定性以及它与一 般路基的合理连接，也是填挖过渡段的重要问题。在路桥过渡段等其 它类型的过渡段中非常重要的刚度差异问题，在填挖过渡段中，却不 成为主控问题。另外涉及的相关问题还有： 夺换填材料压实度不够或选用不当，在外荷载及自重的作用下产 生过大的压密变形： 夺路堤下天然地基在路基荷载及列车荷载作用下产生固结变形； 夺施工过程中控制不严格，方法不当，造成路基密实度较低； 4 多年冻土地区路堤路堑过渡段的研究现状 夺排水设施不当造成回填的土体在冲刷作用下流失； 夺因工程建设破坏冻土温度平衡状态，冻土融化下沉造成地基土 体积减小，压缩性增加： 冷过渡段填料不当，在温度降低的条件下产生冻胀变形； 夺过渡段填料在经历冻融变化后，密实度降低，可压缩性增加； 夺填方与挖方交界面在反复冻融循环状态下产生沉降差异； 综上所述，多年冻土区填挖过渡段除有一般地区填挖过渡段的问 题以外还有其自身的特点，所以对于多年冻土区的铁路线路，填挖过 渡区应该采用不同的结构，有针对性的进行不同的处理，既要减小填 方段和挖方段的不均匀沉降，又必须防止冻土区的各种病害。 1 2 国内外路堤路堑过渡段及冻土工程的研究成果 1 2 1 国内外路堤路堑过渡段研究及现有过渡段设置方法 近年来，填挖过渡段问题逐步引起了工程界的普遍重视。最先在 公路工程中，人们开始研究填挖过渡段的处理问题。公路建设中经常 遇到填挖过渡段的问题，主要是填挖交界路基非均匀沉降对路面结构 造成了破坏，因此工程技术人员开始重视填挖交界路基的非均匀沉降 问题，并采取了相应的技术措旌。其次，在铁路工程中，遇到了各种 各样的过渡段问题，而填挖过渡则是其中的一种过渡类型。由于填挖 过渡段的刚度差异，以及工后广泛存在的沉降差异，不管是在公路工 程中，还是在铁路工程中，都会使得车辆通过时发生震动，不仅影响 了乘车的舒适性和安全性，同时也影响线路结构的正常工作状态，进 而减少了整个线路结构的使用寿命，对于高速公路、高速铁路来说尤 为如此。 国内对填挖过渡的研究工作是在8 0 年代后期开展起来的，至今已 5 北京交通大学大学硕士学位论文 取得了一些非常重要的研究成果。在高速公路的建设过程中，对于过 渡段的设计和旌工开展了丰富的研究工作，文献1 1 1 针对土工格网处理填 挖交界路基非均匀沉降的机理进行了详细的分析，并建立了路基土非 线性本构关系模型，采用平面应变非线性有限元方法进行了数值计算； 文献1 2 j 对土工格网处理填挖交界路基非均匀沉降的现场试验进行了研 究：文献【3 】针对土工加筋材料处治填挖交界路基非均匀沉降的设计方法 进行了研究；文献1 4 】对高速公路零填及路堑段路基换填深度进行了探 讨：文献【5 】对填筑路堤的路堑开挖土石料性能分类进行了研究。在围绕 秦沈客运高速填挖过渡段的设置方案与施工方面，也进行了大量的研 究工作【6 8 an1 2 】；文耐研针对高速铁路采用级配碎石填筑过渡段的 箍工技术进行了研究；文献【7 】针对用于过渡段填料的级配碎石的生产和 拌制进行了研究；文献1 8 l 介绍了过渡段的主要技术标准和设计方案；文 献p l 针对填挖过渡段的不同坡度采用了不同的处治方法，对与坡度相应 的填料和压实方法进行了总结和探讨。以上这些研究，不管是在公路 工程中，还是在铁路工程中，对于填挖过渡段都进行了详细的有针对 性的研究，有的从设计方面进行了研究；有的从施工方面进行了研究： 有的从检测方面进行了专门的研究；也有的从材料或者填料方面进行 了细致的研究。 在过渡段结构变形的形成机理方面，也积累了很多深有意义的成 果，一种观点认为产生变形有以下二个方面的原因1 1 0 】：一是地基的原 因，即地基土和结构受荷载作用后沉降变形不一致；二是结构的原因， 即路堤路堑由于结构不同，压缩模量、强度、刚度差异大而沉降不均 匀；还有一种观点1 1 j 认为：一是可能因原地面与填土问的约束阻力不足 而导致填土在重力作用下顺原地面产生滑动，这种滑动可能是稳定的， 也可能是不稳定的，特别在横向半填半挖路段，这种滑动严重时会形 6 多年冻土地区路堤路堑过渡段的研究现状 成滑坡，在路表填挖交界处出现纵向裂缝，使得道路产生破坏；二是 呈斜坡的原地面上填筑的路基土垂直深度存在差异，工后沉降表现出 一种非均匀性。对于纵向路线方向，因相邻正常路堤土对填挖交界处 填土沿原地面滑动具有约束作用，产生非均匀沉降的原因主要为后者； 而横向半填半挖路基产生非均匀沉降的原因，两者皆有。总之，通过 以上各个方面的研究，得到了许多积极的深有意义的成果。 从当前国内外采用的处理填挖过渡段的方法来看，常用的有采用 不同粒径的级配碎石的方法、采用土工格栅的方法、设置一定长度分 步台阶的方法等；从国内高速公路处理填挖过渡段的办法来看，采用 土工格栅进行处理已经比较成熟，不管是对于土工格栅铺设的层数、 间距以及旄工注意事项和施工工艺，都积累了丰富的成功的经验，而 且在理论上采用有限单元的方法对处治的机理进行了数值分析和计 算，并且建立了相邻的未铺土工加筋材料区域路表沉降值与土工加筋 材料铺设长度、容许变坡率之间的相互关系，给出了进行填挖过渡段 设计的基本步骤。从国内铁路工程处治填挖过渡段的实际来看，主要 还是集中在秦沈客运专线的设计中，普遍采用了级配碎石的方法进行 处理，但是就目前看来，还缺乏更深层次的理论上的分析。 根据已经积累的处治填挖过渡段的经验，大致可以把处治的方祛 分成两类，一类是从设计上采取措施，另一类是从施工方面采取措旆， 只有从这两个方面都进行处理，对于填挖过渡段来说才能满足列车高 速、连续、舒适、安全运行的目的。 a 、设计方面 设计方面可以吸收已有的经验，通过改善填挖过渡段的基床的竖 向刚度，减小填方段和挖方段的沉降差异，进而减小线路的不平顺， 减小列车高速运行时的震动。具体的处理方法有： 7 北京交通大学大学硕士学位论文 沿线冻土进行考察和定点观测研究，取得了大量的研究成果。研究成 果以论文形式发表在国际多年冻土会议论文集和冰川冻土等专业 性期刊上，比较集中地鲫翔剽臀氅荔崔二囊甏舯滔轿引擎薹籍i 黼撂静崭亭慝翁蟛曼犁蕈登掣誊拶崖薹| 写蝶摊嚣穗坞拴毪丐巍至 塾雾雾掣毹捆量蓦型；础群强暨曩鋈羹鋈氆毒童覆烈蹦嚣器芒磊蹦黏； 舞嚣礁莛藿竺尘挚霎的级配范围如表2 1 所示i 凹 删： 表2 l碎石级配范围 级配 编号 通过筛孔重量百分比( ) 5 04 03 02 52 01 3 52 jo 40 0 7 4 1 1 0 09 5 一】0 0 一 6 ( 卜9 0 一 3 0 6 5 2 0 _ 5 01 0 0 02 1 0 1 0 09 5 1 0 0一6 0 9 0 3 啦6 52 0 5 0l o 0 02 1 0 一一 1 0 09 5 一1 0 0一5 5 胡53 0 6 52 0 5 01 0 q o2 1 0 2 3 级配砂砾石与级配碎石相类似。级配砂砾石是用粒径大小不同的 粗细砾石集料和砂各占一定比例组成的混合料，经压实后形成密实结 构。其颗粒组成符合密实级配的要求，其中包括一部分塑性指数较高 的黏土，填充孔隙并起粘结作用，对粒径小于o 5 m m 的含量和塑性指 数要求要严格控制。砂要有良好的级配，一般选用粗砂或中砂，只要 保证组成材料质量，使混合料具有良好级配，并控制好细粒土的含水 量及塑性指数，在簏工过程中将混合料搅拌均匀，在最佳含水量下压 实，达到要求的密实度，就能形成较高的力学强度。根据上述各项要 求，级配砂砾石采用级配范围可参照表2 2 【2 9 l ： 多年冻土地区路堤路堑过渡段的研究现状 据填土的工程性质确定保持冻土上限的最小临界高度，以保护冻土。 同时因路基走向的原因，在冻土区铁路工程中常出现阴阳坡沉降不均 的问题，因此工程建设中采用设置保温护道的方法控制横向不均匀沉 降。 铺设保温隔热材料：路堤高度的必要增加，能防止多年冻土地基 的融化，但是从经济角度来讲却不一定是合理的。聚苯乙烯板、聚胺 脂板等保温隔热材料的使用可以减少路基土回填量，在路堤中铺设保 温层是增大路堤热阻、减少传入冻土中热量的一种重要措施。 填筑通风路基与抛石护坡路基：通风路基包括通风管路基与片石 气冷层路基，二者普遍应用于路堤填土层中，抛石护坡路基是在路基 边坡表面覆盖一层片石。通风路基与抛石护坡路基的工作原理基本相 同，均是利用空气的对流作用以达到热量交换的目的。 热棒调节地温：热棒是自我控制的天然对流系统，有单相和双相 系统之分。单相系统是在热棒内充填液体或气体，冬季由于温差的作 用，热量从温度高的底部( 地下) 传到温度较低的上部( 地面) ，降低地基 的温度。双相系统是一个密封的管路，内部充填的液体具有两相性， 即液态和气态两相。在低温状态下，气态凝聚为液态，在自重的作用 下由上至下将上部的冷量带入地下，同时底部的热量又使掖体转换为 气态被带到上部，由此形成自身的对流系统降低冻土的温度。 以桥代路：由于架设桥梁比填筑路基受到冻土的影响要小得多， 所以在高温极不稳定冻土地区，为了保证线路的稳定可以考虑架设早 桥，但其造价相对较高。 1 3 本课题拟开展的研究工作 从现有的研究成果看，对于一般地区或软土地区的填挖过渡段工 1 1 北京交通大学大学硕士学位论文 程，前人已经从各方面进行了研究，但以往的研究中几乎没有专门针 对多年冻土区填挖过渡段的资料可查，而冻土区填挖过渡的特性又决 定其不能照搬一般地区的研究成果。目前虽然已经有了许多保护冻土 区路基工程的方法，但这些方法是否同样适用于填挖过渡段，如何有 效的应用于填挖过渡段仍是问题。所以有必要针对冻土这一特定的条 件，借鉴保护冻土的方法，提出适用于多年冻土地区的综合过渡段处 理措施，并对所用过渡方式进行现场试验与理论方面的共同研究。 本课题针对填挖过渡段与多年冻土区的工程特点，结合前人研究 成果与工程实践做了以下几方面的工作： ( 1 ) 参考现有的过渡段处理措施与保护冻土的新方法新工艺，按 照冻土区填挖过渡的要求提出了综合的过渡段处理措旌。 ( 2 ) 对青藏铁路北麓河多年冻土区试验段填挖过渡段进行了现场 试验观测，归纳总结了试验过渡段在施工后二个冻融循环内的工后沉 降变形与地温变化规律。 具体观测内容包括：填挖过渡段不同位置纵向沉降变形，横向沉 降变形，路基总沉降和不同深度沉降变形；过渡段路基不同位置处路 基中心、阴阳坡路肩、堑顶和天然场地地温状况，过渡段不同位置处 路基横断面冻土上限位置，路基下不同位置点浅层地温随时间的变化。 通过沉降变形与地温的现场观测，归纳总结试验过渡段纵向变形 规律、横向变形规律、总沉降变形规律和不同深度沉降变形规律以及 在气温年变化条件下过渡段不同位置的变形特点；分析过渡段路基对 冻土稳定性的影响，了解过渡段路基下多年冻土上限的变化规律，路 基下冻土的热状况变化特点。 本文提出了一种适用于多年冻土地区填挖过渡段的综合有效的处 理措旖，通过对现场测试数据的整理和分析，检验过渡段试验中所用 多年冻土地区路堤路堑过渡段的研究现状 处理措施的实际效果，提出合理的设置参数，并不断对其加以完善。 ( 3 ) 利用大型商用有限元分析软件a n s y s ，对过渡段的路堑断 面、路堤断面分别就开挖回填对路基温度场的影响进行了数值模拟。 通过数值模拟结果和现场实测数据的对比，获得了针对冻土特性和路 基设计的相关参数，得出了相应的结论。 北京交通大学硕士学位论文 图2 3 所示： 图2 - 3 填挖过渡段综合法处治纵断面示意图 从图中由上至下可以看出，在路肩线以下，设置了复合土工膜防 渗层。首先，复合土工膜防渗层对于上部水的渗入路基起到了隔绝作 用，由于该层的存在，上部水分难以下渗进入路基本体，故在过渡段 连接处就避免了因上部水分入渗而造成的各种路基病害。而且，水的 流动会带走土中的细颗粒，致使压实度不够，或者引起路基额外沉降。 其次，设置复合土工膜防渗层，从一定程度上加强了线路的整体刚度， 也调节了填方段和挖方段的线路刚度差，在一定范围内保证了线路刚 度变化的连续性。最后，复合土工膜防渗层的存在，增强了线路整体 结构抵抗变形的能力，使得上部传来的荷载在一定范围内向四周扩散， 通过复合土工膜，使得竖向的压力通过土工膜的拉力作用向水平范围 内传递，从而大大减小了上部荷载对路基的直接作用力，这也减少了 整个线路结构的沉降变形。 在图中复合土工膜防渗层的下部是工业保温材料隔热层。到目前 为止，采用保温隔热材料处理多年冻土问题的例子在实际工程中已经 屡见不鲜，尤其是随着西部大开发的各项工程设藏建设，保温材料处 多年冻土地区路堤路堑过渡段合理结构形式 理多年冻土已经得到了广泛的运用，而且取得了非常良好的效果。为 了避免上部的辐射热量直接传入多年冻十地基，在可行的情况下可以 通过采取增加路堤填筑高度的方法在一定程度上减少传入冻土地基的 热量，而防止多年冻土上限下移。但是，一味增加路堤填筑高度，势 必带来很大的土方工程量，在实际工程中显得很不经济，聚苯乙烯板、 聚胺脂板等保温隔热材料的使用可以大大减少路基土回填量。在路堤 中铺设保温层，它大大增大了路堤的热阻，因此也大大减少了传入冻 土地基中的热量。 在图中，过渡段长度的范围示意为大于3 0 米，在实际工程中，这 取决于现场工程的具体情况。对于列车车厢来说，有一个固定的长度， 如果过渡段的氏度太短，势必造成车厢两头的刚度存在显著差异，达 不到减小线路刚度差异、减小列车震动以及减小列车与线路结构相互 作用的目的。同时，如果过渡段的长度太短，这就使得刚度差异的过 渡范围太短，也就是说刚度变化率太快，这就大大削弱了刚度连续变 化的效果，从而对于减小列车平稳运行也是很不利的。所以，在推荐 采用的过渡段中，最好使得过渡段的长度丈于3 0 米，或者参考公路工 程填挖过渡段中对于过渡段长度的设计估算公式，同时考虑铁路对于 线路平顺更高的要求，减小【i 】值，以增加必要的过渡段长度。 在图中，还列出了换填级配碎石的方法。在实际的填挖过渡段试 验工程中，采用了换填角砾土的方法。采用换填粗颗粒土的方法在青 藏铁路的建设中非常常见，通过换填粗颗粒土，大大减少了冻土的冻 胀和融沉变形，从根本上消除了原有冻土产生冻胀和融沉的可能性。 级配碎石填料是我国高等级公路上普遍采用的用作基层的填料， 它是由粒径大小不同的粗、细碎石集料和石屑各占一定比例组成的混 合料，并且其颗粒组成符合密实级配的要求。如果采用级配碎石的话， 2 1 多年冻土地区路堤路堑过渡段台理结构形式 相应的措施，就是在堑顶设置挡水埝的同时，在路基两侧设置u 形沟， 其基本作用就是尽早排走路基表面的多余水分。在堑顶设置挡水埝时， 必须采用不冻胀性的材料，本工程中，采用路堑开挖的级泥岩进行 填筑。及时排除多余水分对于保持挡土墙的稳定意义更为重大，这与 理想模型中的复合土工膜防渗层有类似的作用。 为了减小路基面的横向沉降差，在过渡区修筑护道，研究表明在 冻土路堤阳坡一侧修筑护道对提高阳坡侧冻土人为上限，纠正坡向影 响下的路基最大融化深度向阳坡一侧倾斜，减小由于冻土路基两侧融 化和回冻开始时问的明显差异所可能引起的路肩滑塌和路面纵向裂缝 具有显著的效果【3 1 】。在本试验工程中，左右各设置了3 米宽的护道， 并且护道的高度随着现场实际地形的高度作相应的调整，一般不小于 2 8 米。 由于冻土对外界扰动的敏感性，且地表植被对冻土有保护的作用， 可以起到隔热的效果，所以对于填方区的地基体，建议不做工程处理， 以保护为主，尽量避免破坏其温度平衡。另外，为了尽量减少对冻土 温度场的影响，设计也从两个方面对施工作了具体细致的要求。一就 是该填挖过渡段必须在冻结期施工，这样可以最大限度的减少路基外 部热量传入冻土地基，而且填料的温度相对较低，这就避免了热量因 为上部的保温隔热材料隔热而难以释放的缺陷，这一点对于挖方段的 冻土路基来说显得尤其重要。二就是严格保护路基两侧2 0 0 米范围内 的天然植被，因为天然植被是防止热量下传的一道天然屏障。 另外，在设计过程中，还对其它相关方面作了具体要求。例如， 路基保温层填料应及时回填，避免开挖边坡暴露时问过久，这也是从 实际出发考虑的非常重要的注意事项。例如，在路堑开挖前应做好堑 顶防排水工作，其中的道理与在堑项和路基两侧设置u 形沟作用相同。 多年冻土区路堤路堑设置方法试验研究 第三章多年冻土区路堤路堑设置方法试验研究 3 1 青藏铁路北麓河试验段特征 为了对所提出的多年冻士区路堤路堑过渡段的应用效果进行检 验，为冻土区工程建设积累经验，项目依托青藏铁路建设，进行了前 述处治方法的现场实体试验。青藏线格尔木至拉萨段位于青藏高原腹 地，跨越青海西藏两省区，地处北纬2 9 。3 i ) 一3 6 92 5 、东经9 0 。 3 0 9 4 。5 5 之间，基本沿青藏公路南行。线路全长1 1 4 2 k m ，新线 建筑长度为1 1 1 8 k m ，其中多年冻土地段5 5 0 k m ，是全球目前穿越高原、 高寒、缺氧及连续性永久冻土地区最长的铁路。 3 11 北麓河地貌特征 青藏高原多年冻土地区，北起昆仑山北坡的西大滩( 北纬3 5 。) ， 南到唐古拉山南麓的安多河谷( 北纬3 2 。) ，约5 5 0 公里。这里海拔高 ( 大部分在4 4 0 0 米以上) ，气压低( 5 6 0 6 0 0 毫巴) ，气温低( 年平均 气温一2 7 ) ，气候恶劣。北麓河填挖试验段平均海拔4 5 6 0 m ，起止里 程为d k l l 3 8 + 1 3 d k l l 3 8 + 2 0 6 ，位于青藏高原腹地，属北髓河盆地南 部、孤山山前冲、洪积高平原地貌。这里漫潍和阶地广泛分布，地形 半坦开阔，略有起伏，北低南高。其间小冲沟发育，地表植被发育较 好，覆盖率一般为l o 5 0 ，局部有半固定沙丘。地下水主要为暖季 分布的冻结层上水，主要受大气降水补给，水位不稳定，水量较小。 3 12 北麓河气候特征 该段属青藏高原干旱气候区，寒冷干早，四季不明，空气稀薄 该段属青藏高原干早气候区，寒冷干旱，四季不明，空气稀薄 北京交通大学硕士学位论文 气压较低，年内冻结期长达7 8 个月，蒸发量远大于降水量。根据气 象资料，北麓河气象气候特征如下表3 1 ： 表3 lj 蓠河气象气候特征表 试验段名称北麓河段 统计年限及 平均海拔4 6 1 2 2 m 出现时间 气象台站名称五道粱 平均气压( m b ) 5 7 8 91 9 9 0 1 9 9 9 年平均- 3 81 9 9 0 一1 9 9 9 极端最高 2 3 21 9 6 1 瞄1 1 气温极端最低- 3 7 71 9 8 9 0 1 1 2 ( 。c )最热月平均 5 6 1 9 9 0 1 9 9 9 最冷月平均 一1 6 7 1 9 9 0 1 9 9 9 最大月平均日较差 1 8 61 9 6 6 0 3 平均 5 71 9 9 m 1 9 9 9 相对湿度( ) 最大 1 0 05 次以上 年平均 2 9 0 91 9 9 阻1 9 9 9 年最大 4 0 r 7 01 9 8 9 降雨量( f 埘1 )年最小 1 3 6 31 9 8 4 月最大 1 3 3 1 1 9 7 7 0 8 0 7 年平均降水日数 1 8 0 01 9 9 0 1 9 9 9 年平均 1 3 1 6 91 9 9 0 1 9 9 9 蒸发量( m m ) 年最大1 5 3 1 61 9 7 3 平均风速 4 1 1 9 9 0 - 1 9 9 9 风 主导风向 w 1 9 9 0 1 9 9 9 哟 年平均大风日数 1 3 0 11 9 9 0 1 9 9 9 降雪期 3 5 6 21 9 5 6 1 9 9 9 雪冻 最大积雪厚度锄 1 41 9 6 7 1 0 1 4 多年冻土区路堤路堑设置方法试验研究 平均雾天日数王0 91 9 9 0 1 9 9 9 其他 平均雷暴日数3 6 71 9 9 0 _ 1 9 9 9 3 1 3 北麓河试验段地层概况 北麓河儡地呈北向诬展布，盆地中堆积了巨厚的上更新世湖相沉 积和金新世厚度较薄的冲积层，下伏第三系紫红色至灰绿色泥岩及泥 灰岩，风化后呈粘土和砂粘土，近表层为河床砂砾石。根据最新的2 0 0 1 年钻探资料，试验段内沉积地层主要为上第三系湖相沉积及第四系全 新统冲洪积层，试验段典型土层岩性分述如下： ( 1 ) 上第三系： 泥岩：以棕红色为主，局部为灰色、灰绿色，成岩较差，强一全 风化，裂隙发育，较为破碎。广泛分布于试验段范围内，为本段的主 导岩性。试验段全段范围内的泥岩基本上都呈或接近于全风化，因此 其力学特性与粘土类似，工程中应加以重视。 砂岩：棕红色、灰色、黄褐色，泥质、钙质胶结，成岩较差，强 一全风化，节理、裂隙发育，较为破碎。在本试验段地段仅有零星分 布。 页岩：灰色、灰绿色。页理发育，呈薄层状，常夹于浞岩、砂岩 当中。在试验段内仅有少量分布，其物理、力学性质与泥岩类似。 泥灰岩：灰色、灰白色，成岩性较好，致密、坚硬，层状构造。 在试验段内呈零星分布，常夹子砂岩、泥岩当中。 ( 2 ) 第四系全新统： 粘土：棕红色、灰绿色、灰白色，含少量砾石，硬塑一软塑状。 在试验段内广泛分布，厚度1 6 m 。由于该层土的存在，在铁路路基 建设中，如果工程措施不当引起冻土上限的加深，可能会产生较大的 多年冻土区路堤路堑设置方法试验研究 3 2 1 试验段路堤路堑施工方案 本试验监测过渡段依托青藏铁路设立，建立试验工程的具体里程 为d k l l 3 8 + 】3 肌d k l l 3 8 + 2 0 6 。过渡段的实际施工日期为2 0 0 1 年1 1 月， 主要采用了换填角砾土并且铺筑聚苯乙烯板的设置形式，整个过渡段 长度7 6 m 。由于地表坡度的影响，所以路基高度随着位置不同而变化， 顶面宽8 4 m ，路基填方段边坡坡度为1 ：1 5 ，挖方段边坡坡度为l ：】。7 5 。 在填方段，边坡左右两侧分别设置保温护道，其高度因里程位置不同 而有差异，左右两侧护道的高度也因地形高程差异而有所不同，但最 低高度不小于2 8 米，护道宽度均为3 1 1 1 。在挖方段，在路基u 形沟的 两侧各设置2 m 宽的护道，在堑顶各设置6m 宽的护道。由于本过渡段 属于高含冰量地段，所以在过渡段采取了开挖换填角砾填料的办法， 挖除原有地基内高含冰量冻土，防止冻土融化发生沉降。基于一定的 保证系数，换填厚度一般到达冻土上限以下。在挖方段，换填厚度为 3 4 m ；在零填段，换填厚度为3 8 m ，其中最下层为4 0 c m 厚的中粗砂 垫层；填方段换填里程至d k h 3 8 + 1 8 0 为止。在过渡段的换填范围内， 在路基表面下0 8 m 处设置厚度为o 1 m 的聚苯乙烯板，铺筑长度至 d k l l 3 8 + 1 8 5 为止，以保护换填范围以下的冻土。在保温材料的上下各 设置o 2 m 厚的中粗砂垫层，可以起到找平和保护保温材料的作用。填 挖过渡段路基纵向剖面图和施工照片如图3 1 、图3 2 和图3 3 所示： 3 1 鎏莆萋矗竺蔷量翠古甏竖掣 蘸蚕斡烈j 撼蘼；鸸蹬；篓方法i 曼撵谪i 露萋；葱皤薛溪。藿磺舅喜锚 多年冻土区路堤路堑设置方法试验研究 图3 3 填挖过渡段保温材科铺设施工 3 2 2 试验方案 本试验的目的主要是研究冻土区填挖过渡段的纵向平顺性，考查过 渡段设置方式的实际效果，试验的主要内容包括研究使填挖过渡段路 基纵向变形差异保持最小的方式，整个过渡段路基土体的热状况等。 具体的试验内容：+ 对填挖过渡段8 0 l 范围内4 个断面进行沉降变 形观测；对过渡段8 0 m 范围内4 个断面进行地温状态观测。 试验元件布设方案：本试验对过渡段选取具有代表性的四个路基 沉降测试断面，具体监测位置的里程为d k l l 3 8 + 1 3 0 、d k l l 3 8 + 1 5 0 、 d k l l 3 8 + 1 7 0 、d k l l 3 8 + 2 0 0 ，为了不受到施工的影响，沉降观测采用剖 面沉降管配水平沉降仪，沉降管为内直径6 3 m m 的带有导槽的p v c 管， 埋设在路基面以下o 5 m 左右。在沉降观测时，还采用了冻胀板，相互 之间可以作为水平沉降的校核，冻胀板的位置分别设在路基底部和路 基表面，以利于分析沉降的来源，即区分属于路基底部多年冻土产生 的沉降和路基换填和填料的压密变形产生的沉降。 塑型咝鲎竺墼 测温元件采用热敏电阻与热电耦配数据采集仪。在上述每个断面 进行地温监测，在每个断面设置的温度观测孔有：天然孔、堑顶孔、 左路肩孔、路基中心孔、右路肩孔。在未受施工扰动处设天然测温孔， 以便与路基各处测温孔进行比较。各孔深度不一，最深达天然地表以 f 2 ( 1 ，n ，孔中设置热电耦，测温点数目根据孔深变化，般为每隔0 5 m 左右设置一个温度观测点。各断面监测点布置设计如图3 4 、图3 5 、 困3 _ 4 铡试元件布置横断面( m ( 1 1 3 8 + 1 3 0 ) 示意图 s 7 g 3 e + s 3 q w 8 l 远： 、飞型匦返睦簧 专烂兰 薄屉楫 垄壁 j = = j 一：7 。一 = o5 m 涮谣 孑 _ 图3 s 测试元件布置横断面( d l 【l l 强+ 1 5 0 ) 示意图 多年冻土区路堤路堑设置方法试验研究 l 1 ibw 1 l 一7 i 矿4 6 ，6 0 1 _一 兰f 型一 。 寡舷板 粹乒生 一荨 ，一、 产夕 一r 一ov 。 斟置丑： = j o5 m 图3 6 测试元件布置横断面( d k l l 3 8 + 1 7 0 ) 示意图 s 2 p2 x 3 8w 仃l 图3 7 测试元件布置横断面( d k l l 3 8 + 2 册) 示意图 7 北京交通大学硕士学位论文 布置的沉降变形观测仪器如图3 8 所示： 图3 - 8 埋设在路堤路堑过渡段的变形试验仪器( 2 0 0 2 8 ) 布置的温度观测仪器如图3 9 所示： 图3 - 9 埋设在路堤路堑过渡段的温度试验仪器( 2 0 0 2 8 ) 测试频率：地温监测大致为每隔1 0 天左右测试一次。沉降变形测 多年冻土区路堤路堑设置方法试验研究 试时，考虑到一般情况下，施工刚结束时沉降较快，故每隔5 天进行 一次观测，两个月后大致为每隔1 0 天左右测试一次。 3 2 3 测试仪器说明 a 、沉降变形监测采用a 0 1 a 沉降仪 a 0 1 a 沉降仪是用于高速铁路路基的垂直沉降测量的精密监测仪 器。其基本指标如下：传感器灵敏度：0 0 2 m n l ，8 ”；系统总精度：每1 5 m 测管土4 m m ；标度因数：2 5 0 0 1 v 值( g 为重力加速度g ：9 8 m s ) ； 导轮间距：5 0 0 l l m ；澳4 头外形尺寸：3 2 m m x6 6 0 m m ；测量范围；o 5 0 度：工作温度：1 0 5 0 。通过冻胀板观测路基沉降时，采用高精度 的电子水准仪结合塔尺观测冻胀扳位置的变化，以测得各个时刻路基 底层和路基表面的沉降变化。 b 、热敏电阻 热敏电阻是目前工程中对她温监测最常用的方法。热敏电阻是通 过显示仪表测出热电阻的电阻值从而得出与电阻值相应的温度值。本 试验中就采用了热敏电阻，并对热敏电阻测温法用万用表采集测量数 据，其测温精度为0 0 5 。 3 3 过渡段沉降变形监测数据分析 对过渡段采取处理措施的主要目的之一是尽量减小路基在填方段 和挖方段之间的沉降差异，保持轨道的平顺性，对冻土区的填挖过渡 段而言，还要消除过渡段的季节性变形。因此沉降变形观测以及随季 节变化的沉降变形特性是过渡段实验的重点。冻土区路基的沉降变形 主要来自如下几个方面：路基体本身的固结密实沉降、地基土在上部 结构的作用下引起的压实沉降、冻土的融化沉降和长期蠕变变形。本 3 7 北京交通大学硕士学位论文 文所得观测资料均是于施工完成并末通车的情况下获得的，所以主要 反映了施工后过渡段在自重静载作用下的沉降变形特性。以下根据监 测数据，分析了过渡段路基在纵向、横向上的平顺性，并对不同位置 处沉降随时间的变化量进行了整理分析。如图3 1 0 、图3 1 1 为试验人 员正在获取沉降数据： 图3 一l o 电子水准仪进行沉降观测 图争1 1 用电子水准仅进行沉降观测的塔尺 多年冻土区路堤路堑设置方法试验研究 3 3 1 过渡段纵向沉降变形分析 对过渡段进行处理的主要目的是消除路基在填方段与挖方段之间 的沉降差与刚度差，保证线路的平顺过渡，而填方段和挖方段之间的 沉降差更是线路平顺的主要控制条件。路基面上线路中线各时问段沉 降值曲线如图3 1 2 所示： + 2 0 0+ 1 9 0+ 1 8 0+ 1 7 0+ 1 6 0+ 1 5 0+ 1 4 0+ 1 3 0 n u l 一一 一一一一一一一一一。一一一一一一一一一一一一。一一一一一一! 一一一一一一： 一一一一： ，、 2 曼 4 - ：一_ ：荔篓箸 趔6 羹 8 1 0 ： i q 卜0 2 8 2 6 - 一0 2 一1 2 2 40 3 6 1 6 一+ 0 3 一1 0 一1 6 啼e 一0 4 6 2 3 一0 4 1 2 5 图3 1 2 填挖过渡段路基中心不同时间纵向沉降曲线对比图 由于2 0 0 3 年6 月，d k l l 3 8 + 2 0 0 里程因设计变更( 由路基变成小 桥) ，所以上图中缺乏2 0 0 3 年6 月以后的沉降值数据，这也给分析路 基纵向的平顺性带来了一定的困难。但是，由其它里程的不同时间的 沉降值，还是可以对整个填挖过渡段的平顺性作大致的分析。 由图中可知，随着里程的不同，沉降变形量有所差别，过渡段的 最大变形位置位于里程为d k l l 3 8 + 1 7 0 的测试断面上。经过二个冻融 循环，填挖过渡段最大沉降变形量在里程d k l l 3 8 十1 3 0 、d k l l 3 8 + 1 5 0 和d k l l 3 8 + 1 7 0 的值分别为9 8 3 7 啪、1 0 6 9 8 c m 和1 2 7 5 2 c m ，最大沉 降差为1 2 7 5 2 9 8 3 7 = 2 9 1 5 c m ，在纵向上的比值为2 9 1 5 ：4 0 0 0 ，也就是 1 ：1 8 2 2 ，这说明整个填挖过渡段的沉降差值很小，线路平顺性较好。 北京交通大学硕士学位论文 由以上路基纵向沉降变形曲线可以看出，对填挖过渡段的设置方法达 到了保持线路平顺过渡的目的。 3 3 2 过渡段横向沉降变形分析 对于冻土地区的路基，一般来说，由于受到坡向的影响，冻土路 基的温度会表现为不对称状态，冻土的融化深度阳坡一侧相对较大。 路基阳坡一侧融化开始时间早于阴坡一侧，而回冻期相对晚于阴坡侧， 这将引起路基融沉和冻胀变形的不对称性。由于在填挖过渡段路基的 左右两侧，一方面会因为阴阳坡的热状态不同而使温度场和变形存在 差异，另一方面，会因为填土高度差异而存在温度场和变形的差异， 而填挖过渡段正是产生线路不平顺的薄弱环节，所以路基两侧的这种 差异对变形更为不利。在试验段工程中采用了设置保温护道的方法来 消除这种不对称性。测试开始时采用了剖面沉降观测仪对整个断面进 行沉降观测，但是由于在施工过程中造成了测试仪器破坏，致使观测 无法继续进行。如图3 1 3 所示： 图3 1 3 过渡段捌面沉降管遭强破坏1 2 0 0 3 2 ) 多年冻土区路堤路堑设置方法试验研究 为了能够分析整个过渡段各个路基横断面的横向沉降差异，试验 中采用了水准观测，从2 0 0 3 年1 0 月以后开始对路基同一横断面表面 的4 个不同位置进行了沉降观测和计算分析，根据过渡段在此后的冻 融循环内的沉降变形数据的整理，绘制出沿路基横断面上路基顶层各 位置沉降变形曲线图，图中沉降值是相对于2 0 0 3 年1 0 月1 6 日的沉降 值，并且加上了本段时间内由于微小冻胀产生的沉降绝对值，以利于 分析。各横断面路基表面沉降值如图3 一1 4 、图3 1 5 、图3 1 6 所示： 图3 1 4d k l l 3 8 + 1 3 0 路基表面不同时同沉降曲线对比图 图3 1 5d k n 3 酗1 5 0 路基表面不同时闻沉降曲线对比图 北京交通大学硕士学位论文 图3 1 6d k l l 3 “1 7 0 路基表面不同时问沉降曲线对h ：图 由图中可以得出，横断面上各点在不同时间的沉降曲线形状基本 相同，各点沉降差异较小，这说明路基横断面上各点的沉降变形均匀 发展。就图中数据可以看出，在整整一年的冻融过程中，路基两侧的 沉降量有一定的差异，但是与坡向位置关系不很明显。总体看来，路 基全断面沉降差在o 1 1 2 c i 之间，路基横向坡度小于o 1 5 ，所以说， 过渡段路基横向基本保持了水平状态，可见在过渡段范围内不同位置 设置不同高度和宽度的护道，对消除路基走向造成的横向差异有一定 的作用。 各个路基断面横向最大沉降变形点的位置因断面里程不同而不 同，这取决于不同里程处断面的换填和回填高度。但是，各个断面横 向最大沉降值肯定不在路基阴坡一侧，而是位于路基阳坡或者路基中 心附近，这主要是因为路基中心由于回填高度比较大，整个填料的压 密沉降相对来说较大，因此路基中心附近的沉降值可能比较大；同时， 由于阳坡相对阴坡来说接受辐射强，路基温度相对较高，冻土融化深 度相对较大，这也可能产生较大变形使得阳坡侧沉降值较大。阳坡和 北京交通大学硕士学位论文 围3 1 7 路堤路堑过渡段各个断面总沉降变形图 另外，由于在2 0 0 3 年6 月以后d k l l 3 8 + 2 0 0 断面因设计变更改成 了低桥，如图3 1 8 所示，所以图3 1 7 中不存在2 0 0 3 年6 月以后断面 d k l l 3 8 + 2 0 0 的沉降值。 图3 1 8 变更设计后( 路堤改成桥) 的过渡段( 2 0 0 3 9 ) 多年冻土区路堤路堑设置方法试验研究 图3 - 2 2d i 【1 1 3 8 + 2 帅断面路基表面和路基底面沉降变形曲线图 从以上四个断面的路基底面和路基表面沉降变形值对比图可以看 出，在施工完成以后的三个月中，路基底面沉降变形和表面的沉降变 形几乎完全相同，这也就证明了路基本身几乎没有变形，所以产生沉 降变形的主要原因只能是地基下卧多年冻土的压密变形。分析如下： 首先，在路基旌工过程中，由于填料的压实质量得到充分的保证， 所以路基填料的沉降在短期内几乎没有，这由以上四个断面的路基底 面和表面沉降变形对比图已经得到了证明。 其次，由于在设计时，对路基整个冻土活动层采取了换填措旖， 所以原来的冻土活动层已经不存在，这就排除了是冻土活动层因温度 状态变化而产生融化下沉的可能性。 最后，排除了以上两部分的沉降可能性，只能是地基下卧冻土受 到突然增加的上部填料的荷载而产生的压密变形以及因开挖造成冻土 上限下降引起局部冻土融化产生的下沉，这可以从下文温度观测中 2 0 0 2 年的冻土上限值得到验证。地基下卧冻土尽管处于冻结状态，但 是由于施工结束后的三个月是暖季，冻土的温度已经有了部分提高， 多年冻土区路堤路堑设置方法试验研究 本身的热量，防止因为铺设保温材料而使得热量难以释放出去而囤积 在路基体内使得冻土上限下移。如图3 2 3 为试验人员正在获取温度监 测数据： 图3 2 3 路堤路堑过渡段测温孔温度数据的获取 3 4 1 不同测点地温随深度变化规律 根据各监测孔测得的地温数据，在过渡段分别选取有代表性的天 然孔、路基中心孔、左路肩孔、右路肩孔，分别绘制了路基不同位置 不同时期地温随深度的变化曲线，如图3 2 4 、图3 2 5 、图3 2 6 、图3 2 7 所示： 多年冻土区路堤路堑设置方法试验研究 图3 - 2 5d k l l 3 8 + 1 3 0 中心孔地温变化曲线 北京交通大学硕士学位论文 图3 - 2 6d k n 3 8