青藏铁路多年冻土区路基变形裂缝发生机理及其防治.doc

青藏铁路多年冻土区路基变形裂缝发生机理及其防治(北京交通大学土建学院 ,北京100044 ;青藏铁路建设总指挥部 ,格尔木 816000)摘要青藏铁路多年冻土区路基工程的修建 ,改变了路基基底多年冻土的热量平衡状态。通过对青藏铁路多年冻土区试验工程和已经施工的路基工程所发生的变形裂缝的调查和分析 ,认为多年冻土区路基几何尺寸不对称和路基边坡坡向不同导致的路基人为上限形态不同 ,是造成多年冻土区路基温度场不对称以及基底土体冻结融化过程不同步的主要原因 ,也是造成路基变形裂缝的主要原因。文章在此基础上提出了减少或消除路基温度场不对称 ,从而减少或消除这类变形裂缝的主要工程结构形式和工程措施 ,作者的看法和结论已经在2003 年青藏铁路冻土区路基工程设计和成形路基补强工程措施设计中得到广泛应用。主题词青藏铁路 冻土路基 变形机理 防治1概述青藏铁路建设的三大技术难题为高原、冻土和生态环境保护 ,其中多年冻土区筑路技术问题是最为关键的技术难题。青藏铁路穿越海拔 4 000 m 以上长达 546 km 的多年冻土区 ,多年冻土复杂的冻结融化过程以及与之伴生的众多冷生现象 ,给铁路路基修筑带来诸多技术问题。2001 年青藏铁路开工以后 ,先期进行了多年冻土区路基试验工程的建设 ,并在其上进行了多种类型路基结构实体试验 ,为其后全面展开的多年冻土区路基工程设计和施工提供了宝贵的经验 ,为今后运营期间多年冻土区可能发生的路基病害的整治打下坚实的技术基础。多年冻土区路基施工后的第 1 、第 2 个冻融循环期内 ,即 2001 年冬季到 2003 春季 ,由于冻土的冷生过程导致多年冻土区路基试验工程部分路堤和其后全面施工的部分路堤产生了程度不同的工程病害 ,也即路堤边坡和顶面的变形裂缝。2002 年 10 月 多年冻土的最大融化季节和 2003 年 1 月 多年冻土的最大冻结季节 ,对路基变形问题以及由此衍生的变形裂缝的调查 ,并结合多年冻土地温分区、多年冻土含冰量特征以及路基结构形式特点进行的分析研究表明 ,多年冻土区路基变形实际上是由路基基底土体和路基本体土体在外荷载作用下压密沉降变形、冻融循环过程中融化下沉及冻胀变形组成。目前在第一作者简介:张鲁新 男 55 岁 青藏铁路建设总指挥部专家组组长 工程冻土学专业 E2mail : zlx22 public . lz. gs. cn2003 - 06 - 08 收稿 ,2003 - 08 - 05 收修改稿6 期张鲁新等 :青藏铁路多年冻土区路基变形裂缝发生机理及其防治605施工阶段列车静荷载和动荷载都还未施加的情况下 ,外荷载仅为填土荷载。冻土路基的沉降变形和冻胀变形以及由此衍生的表面形态 ,也即路基变形裂缝 ,从工程冻土学本质上讲 ,都是冻土的冷生过程 ,或者说是冷生现象的产物。因此在讨论路基变形和变形裂缝时 ,我们从其冻土学本质上进行讨论 ,从路基工程本身特点上去认识 ,从发生发展的源头寻找工程对策从而抵御其发展 ,对于已经形成的工程建筑 ,判断路基变形裂缝存在形态和发展趋势 ,提出路基补强工程措施 ,保证多年冻土区路基的稳定性。2路基变形裂缝发生机理2. 1天然状态下多年冻土冻胀融沉过程天然状态下的多年冻土层 ,其上表层由于受到太阳辐射热年际变化的影响 ,形成了寒、暖季的交替作用。暖季太阳的辐射能加热地表而形成一定融化厚度 ,称季节融化层 ,该层寒季冻结与下伏多年冻土层衔接(隔年层及不衔接多年冻土除外) ,这样周而复始形成了季节冻结融化过程。土体中水分的存在 ,在季节冻结融化过程中导致土体体积发生变化 ,使土体本身产生冻胀和融沉变形1 。2. 2多年冻土区路基工程人为上限形成机理多年冻土区的路基是横垣地面的条带状冷生结构 ,没有自身热源 ,它对多年冻土的热扰动主要表现在填筑路堤时的填土带给基底的热量 ,路堤自重作为基底土体的附加应力 ,压缩了基底季节融化层 ,改变了它的结构 ,并改变了它的物理、热物理性质 ,引起融化压缩变形。不同路基坡面的水平热流对堤身的加热增加了堤身的热储量 ,打破了原地层的热量年周转格局。当填土所增加的热阻不足以抵消堤身的吸热效应时 ,就会引起基底多年冻土的融化 ,形成热融槽 ,影响路基的稳定;当路堤高度足够时 ,填土所增加的热阻 ,也就使堤身土体消耗掉大量的热量 ,改善了基底的热状态。如果路堤高度小于当地气候潜在冻结能力形成的冻结深度时 ,就将在基底范围内季节融化层中形成与多年冻土衔接的新的冻土 ,称为冻土核。冻土核的形成 ,尤其是当冻土核升入堤身时 ,则有利于冻结层上水的排泄 ,保持路堤的稳定2 。无论是形成热融槽或形成冻土核 ,经过一个以上的冻融循环形成其稳定的多年冻土上界 ,即路堤的人为上限。人为上限的形态决定了路堤稳定以后发生冻胀融沉变形的土体厚度 ,是产生路基横向不均匀变形的原因。2. 2. 1坡向不同的路基温度场和人为上限形态特点铁路路基无论是东西走向或南北走向 ,即使路基的几何形状关于路堤中轴线为对称 ,由于路基南坡与北坡或东坡与西坡受热的差异导致路基温度场在稳定状态下表现为明显的不对称。这种不对称一是表现为路基人为上限形态的不对称 ,实质上是路堤两侧季节融化深度存在一定的差异 ,二是在冻结融化发展过程中表现为明显的不同步 ,也就是坡向不同使冻胀融沉变形发生的时间不同。事实上 ,任意走向的多年冻土区路基两侧表面温度均存在一定的差异 ,只是差异的大小不同而已 ,严格意义上的对称路基是不存在的。青606第四纪研究2 0 0 3 年藏公路、青藏铁路均呈近似的南北走向 ,这两条道路在多年冻土区的路基温度场均是不对称的。当路基温度场呈强烈的不对称时 ,冬季由于未冻水的不等量迁移作用 ,路基不同坡向两侧的含水量和冻结深度都将产生差异 ,是路基横向产生明显的不均匀冻胀的主要原因。而暖季融化开始时 ,冻土路基中将形成倾斜的冻融滑动面 ,在行车的振动荷载作用下 ,融化后含水量较大甚至处于饱和状态的黏性土易沿冻结面挤出 ,造成路基阳坡侧路肩及边坡开裂。坡向不对称路基温度场呈明显的不对称 ,阳坡侧路肩及边坡下地温明显高于阴坡侧 ,且融化状态持续时间长 ,对路基稳定性影响很大 ,在其它条件相同时 ,坡向对年平均气温低的地区路基温度场的影响较年平均气温高的地区更大。2. 2. 2几何尺寸不对称路基温度场和人为上限形态特点修筑于斜坡上的多年冻土区路基 ,由于地势的限制 ,路堤两侧边坡及天然地表在几何尺寸上表现为强烈的不对称 ,由此导致路堤两侧受太阳直接辐射的面积和与大气直接接触的面积均存在很大的差异 ,路基温度场呈强烈的不对称。在山岭及多丘地带 ,此类路堤是基本的形式 ,如在青藏铁路冻土区风火山越岭地段。这种路基温度场的不对称与路基坡向不同造成的温度场不对称一样 ,也是路基横向不均匀变形产生的主要原因。融化季节路堤下冻结融化分界面为一倾斜的滑动面 ,且下坡一侧的融深较大 ,融化状态持续的时间较长 ,这很容易引起路堤滑坡 ,为控制和治理这种潜在的病害 ,在斜坡不对称路基的下坡一侧应修筑保温护道。2. 3路基变形裂缝发生机理及影响因素修筑在青藏铁路多年冻土区的路基工程 ,主要是指路堤工程 ,目前所发生的变形裂缝从形态上看有纵向裂缝和横向裂缝 ,从发生部位看有坡面、路基顶面裂缝 ,从发生原因上看有寒冻裂缝、变形裂缝。但是寒冻裂缝发生以后 ,路基沉降变形和冻胀变形可以加剧这种裂缝发展。路基变形裂缝发生以后 ,寒冻劈裂作用也可以加剧它的发展。2. 3. 1冻土的冷生过程导致路基寒冻裂缝发生冻土的冷生过程在融化因素起主导作用下进行时 ,由于路基的各个部位水分条件的差异 ,融化压缩过程导致的沉降变形量不一样 ,路基边坡变形差异从路基外观上直接反映出来 ,也就是我们看到的沿路基纵向延伸的裂缝。冻土的冷生过程在冻结因素起主导作用下进行时 ,由于路基填土的种类、温度、黏聚力的不同 ,因此导致冻土路基边坡和顶面出现寒冻裂缝。冻土的冷生过程在融化或冻结都不占优势情况下进行时 ,冷生作用与融化和冻结作用的季节更替有关 ,年内季节更替和多年气候循环决定了冷生过程的连续性和循环性。因此融沉裂缝发展 ,冻胀裂缝发生并加剧。冻土和冰在温度降低时收缩而开裂的作用 ,称为冻缩开裂作用 ,是产生寒冻裂缝的原因之一。寒冻裂缝在多年冻土区是一种广泛分布的现象 ,它既可以出现在季节融化层 ,也可以出现在下卧多年冻土层。目前青藏铁路多年冻土区路基工程中出现的寒冻裂缝主要分布在路堤边坡中上部位。尤其是在路基顶面与边坡交界处的边坡坡面上 ,由于双向不6 期张鲁新等 :青藏铁路多年冻土区路基变形裂缝发生机理及其防治607等量的吸热散热和水分条件变化较为频繁和剧烈 ,成为寒冻裂缝发育的部位。少量的路基顶面寒冻裂缝的发生则主要因为填土的黏聚力较小所致。冻缩开裂造成的寒冻裂缝主要取决于温度较差 ,温度较差越大 ,产生寒冻裂缝的可能性越大 ,另外一个决定因素是路基填土本身的稳定性 ,这里所说的稳定性主要是指抵御寒冻劈裂变形的能力 ,实际上是土体团聚体之间和团聚体内部的联结力 ,也即组成土的各组分的黏聚力。而这种联结 - 黏聚力取决于土的种类、温度和含水量。2. 3. 2不对称温度场决定的路基人为上限形态导致路基变形裂缝发生如前所述 ,路基坡向不同和几何尺寸的不对称使路基温度场呈现不对称 ,而且还造成不同坡向路基本体和基底土体内冻结融化过程不同步 ,其结果是路基横向上发生融化的土体厚度不同、沿深度方向上土体的含水量不同(冻结融化过程水分重分布 ,以及在不同深度铺设不同材料造成的上下含水量的差异) 、沿深度方向土体温度不同 ,因而在横向上各个部位融沉变形不同 ,当土体黏聚力不够时 ,这种变形力拉开土体沿纵向伸展形成纵向裂缝。从铁路路基基底处理和填料要求 ,以及施工过程的控制来讲 ,在第一年沉降变形及其横向变形的不均匀造成的沉降裂缝是最主要的矛盾 ,它可能贯穿基底 ,而冻胀裂缝是局部的和次生的 ,根据温度的不同 ,发育程度也不同。在扰动后的土体冻结过程中 ,如在铁路路基修建后 ,在第一个(准确地讲不足一个) 冻结期填土热量还未散失时 ,延伸至第一个融化期 ,路基基本上是以压密变形为主 ,由于横向上的不均匀性最终导致纵向沉降裂缝发生 ,因此在真正意义上的第一个冻结期到来后 ,寒冻劈裂作用加剧了原有的沉降裂缝发展 ,同时也有部分不规则的寒冻裂缝出现。根据以往冻土学研究结果 ,假设温度应力及其所引起的地表剪切变形之间存在线性关系 ,那么 ,土体冷却时产生的变形就与温度梯度成正比 ,而剪切应力则沿平行于冻结面的平面均匀分布。由于填土的不均匀性(在填土路基中主要因为冻结过程引起水分重分布 ,造成沿深度上含水量不同 ,土体性质显示了不均匀性质) ,因而寒冻裂缝沿平面不规则分布而很少沿纵向发展形成贯通裂缝。2. 3. 3寒冻劈裂作用对路基变形裂缝形成和发展的影响区域气候条件决定的路基顶面和坡面的温度梯度是形成寒冻裂缝的外因,水分和土性是其形成的内因 ,路基本体和基底土体在施工后若干年冻结融化循环周期内 ,横向变形的差异会进一步加速这种寒冻裂缝的发展过程 ,这种恶性循环最终导致路基本体稳定性受到破坏。由不对称温度场决定的人为上限形态的不对称(包括在施工后第一年路基各部位人为上限尚未形成 ,冻融交界面形态不规则情况在内) ,使路基横向上土体在冻结融化循环过程中发生的变形不均匀 ,纵向上形成变形裂缝。裂缝发生后 ,裂缝面温度梯度的变化使寒冻劈裂作用加剧 ,路基变形裂缝恶性发展。区域气候条件和不对称温度场的形成最终导致多年冻土区路基稳定性破坏 ,危及铁路正常运营 ,必须在施工中和施工后采取必要的工程措施 ,防治这种路基病害的发生。608第四纪研究2 0 0 3 年3路基变形裂缝防治根据以上有关路基变形裂缝的论述 ,对于已经出现在青藏铁路多年冻土区路基工程中的这类现象 ,必须从它的发生机理、发展过程的分析中判定主要影响因素 ,对症下药予以防治和整治 ,保证路基工程质量的可靠。对于上述路基变形裂缝的防治和整治 ,主要是采取一定的工程结构和工程措施 ,根据传热学原理 ,平衡路基坡面吸热散热过程和热量收支结果 ,抑制不对称温度场的形成和发展;其次是通过对路基坡面性质的改善 ,减小温度梯度从而削弱寒冻劈裂作用 ,减少寒冻裂缝的发生 ,还可以在路基本体内分层铺设土工格栅 ,改善土体抗拉性能 ,抵御寒冻裂缝和变形裂缝发生。3. 1片石层结构对流换热原理及其抑制变形裂缝效果片石层结构的路堤是用一定粒径且无固定级配的片石抛填一定厚度,填筑在土质路堤底部 ,这种多孔隙的片石修筑的路堤 ,透风性能高。在冬季存在不稳定的空气密度梯度时允许孔隙中的空气在路堤中自然对流 ,而在夏季由于路堤中空气的密度梯度相对稳定 ,路堤中不发生空气循环流动。因而 ,这种路堤充当了一种单向热传导设备的角色 ,类似热开关效应或热二极管作用 ,冬季从路堤及其基底中排除热量 ,但夏季吸收热量却比较少。这种吸收储存冷能和屏蔽热量的可变导热性质 ,对地基土起着冷却作用 ,可降低路堤下地基土的温度。如果将基底一定厚度的片石层向堤身外延伸 ,路堤两侧延伸长度不一(对于不同气温条件的冻土地段 ,这种