青藏鐵路多年凍土區(qū)路基變形裂縫發(fā)生機(jī)理及其防治

1、青藏鐵路多年凍土區(qū)路基變形裂縫發(fā)生機(jī)理及其防治(北京交通大學(xué)土建學(xué)院 ,北京100044 ;青藏鐵路建設(shè)總指揮部 ,格爾木 816000)摘要青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程的修建 ,改變了路基基底多年凍土的熱量平衡狀態(tài)。通過對(duì)青藏鐵路多年凍土區(qū)試驗(yàn)工程和已經(jīng)施工的路基工程所發(fā)生的變形裂縫的調(diào)查和分析 ,認(rèn)為多年凍土區(qū)路基幾何尺寸不對(duì)稱和路基邊坡坡向不同導(dǎo)致的路基人為上限形態(tài)不同 ,是造成多年凍土區(qū)路基溫度場(chǎng)不對(duì)稱以及基底土體凍結(jié)融化過程不同步的主要原因 ,也是造成路基變形裂縫的主要原因。文章在此基礎(chǔ)上提出了減少或消除路基溫度場(chǎng)不對(duì)稱 ,從而減少或消除這類變形裂縫的主要工程結(jié)構(gòu)形式和工程措施 ,作者

2、的看法和結(jié)論已經(jīng)在2003 年青藏鐵路凍土區(qū)路基工程設(shè)計(jì)和成形路基補(bǔ)強(qiáng)工程措施設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。主題詞青藏鐵路 凍土路基 變形機(jī)理 防治1概述青藏鐵路建設(shè)的三大技術(shù)難題為高原、凍土和生態(tài)環(huán)境保護(hù) ,其中多年凍土區(qū)筑路技術(shù)問題是最為關(guān)鍵的技術(shù)難題。青藏鐵路穿越海拔 4 000 m 以上長(zhǎng)達(dá) 546 km 的多年凍土區(qū) ,多年凍土復(fù)雜的凍結(jié)融化過程以及與之伴生的眾多冷生現(xiàn)象 ,給鐵路路基修筑帶來諸多技術(shù)問題。2001 年青藏鐵路開工以后 ,先期進(jìn)行了多年凍土區(qū)路基試驗(yàn)工程的建設(shè) ,并在其上進(jìn)行了多種類型路基結(jié)構(gòu)實(shí)體試驗(yàn) ,為其后全面展開的多年凍土區(qū)路基工程設(shè)計(jì)和施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn) ,為今后運(yùn)營(yíng)

3、期間多年凍土區(qū)可能發(fā)生的路基病害的整治打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。多年凍土區(qū)路基施工后的第 1 、第 2 個(gè)凍融循環(huán)期內(nèi) ,即 2001 年冬季到 2003 春季 ,由于凍土的冷生過程導(dǎo)致多年凍土區(qū)路基試驗(yàn)工程部分路堤和其后全面施工的部分路堤產(chǎn)生了程度不同的工程病害 ,也即路堤邊坡和頂面的變形裂縫。2002 年 10 月 多年凍土的最大融化季節(jié)和 2003 年 1 月 多年凍土的最大凍結(jié)季節(jié) ,對(duì)路基變形問題以及由此衍生的變形裂縫的調(diào)查 ,并結(jié)合多年凍土地溫分區(qū)、多年凍土含冰量特征以及路基結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)進(jìn)行的分析研究表明 ,多年凍土區(qū)路基變形實(shí)際上是由路基基底土體和路基本體土體在外荷載作用下壓密沉降變形

4、、凍融循環(huán)過程中融化下沉及凍脹變形組成。目前在第一作者簡(jiǎn)介:張魯新 男 55 歲 青藏鐵路建設(shè)總指揮部專家組組長(zhǎng) 工程凍土學(xué)專業(yè) E2mail : zlx22 public . lz. gs. cn2003 - 06 - 08 收稿 ,2003 - 08 - 05 收修改稿6 期張魯新等 :青藏鐵路多年凍土區(qū)路基變形裂縫發(fā)生機(jī)理及其防治605施工階段列車靜荷載和動(dòng)荷載都還未施加的情況下 ,外荷載僅為填土荷載。凍土路基的沉降變形和凍脹變形以及由此衍生的表面形態(tài) ,也即路基變形裂縫 ,從工程凍土學(xué)本質(zhì)上講 ,都是凍土的冷生過程 ,或者說是冷生現(xiàn)象的產(chǎn)物。因此在討論路基變形和變形裂縫時(shí) ,我們從其凍

5、土學(xué)本質(zhì)上進(jìn)行討論 ,從路基工程本身特點(diǎn)上去認(rèn)識(shí) ,從發(fā)生發(fā)展的源頭尋找工程對(duì)策從而抵御其發(fā)展 ,對(duì)于已經(jīng)形成的工程建筑 ,判斷路基變形裂縫存在形態(tài)和發(fā)展趨勢(shì) ,提出路基補(bǔ)強(qiáng)工程措施 ,保證多年凍土區(qū)路基的穩(wěn)定性。2路基變形裂縫發(fā)生機(jī)理2. 1天然狀態(tài)下多年凍土凍脹融沉過程天然狀態(tài)下的多年凍土層 ,其上表層由于受到太陽(yáng)輻射熱年際變化的影響 ,形成了寒、暖季的交替作用。暖季太陽(yáng)的輻射能加熱地表而形成一定融化厚度 ,稱季節(jié)融化層 ,該層寒季凍結(jié)與下伏多年凍土層銜接(隔年層及不銜接多年凍土除外) ,這樣周而復(fù)始形成了季節(jié)凍結(jié)融化過程。土體中水分的存在 ,在季節(jié)凍結(jié)融化過程中導(dǎo)致土體體積發(fā)生變化 ,使

6、土體本身產(chǎn)生凍脹和融沉變形1 。2. 2多年凍土區(qū)路基工程人為上限形成機(jī)理多年凍土區(qū)的路基是橫垣地面的條帶狀冷生結(jié)構(gòu) ,沒有自身熱源 ,它對(duì)多年凍土的熱擾動(dòng)主要表現(xiàn)在填筑路堤時(shí)的填土帶給基底的熱量 ,路堤自重作為基底土體的附加應(yīng)力 ,壓縮了基底季節(jié)融化層 ,改變了它的結(jié)構(gòu) ,并改變了它的物理、熱物理性質(zhì) ,引起融化壓縮變形。不同路基坡面的水平熱流對(duì)堤身的加熱增加了堤身的熱儲(chǔ)量 ,打破了原地層的熱量年周轉(zhuǎn)格局。當(dāng)填土所增加的熱阻不足以抵消堤身的吸熱效應(yīng)時(shí) ,就會(huì)引起基底多年凍土的融化 ,形成熱融槽 ,影響路基的穩(wěn)定;當(dāng)路堤高度足夠時(shí) ,填土所增加的熱阻 ,也就使堤身土體消耗掉大量的熱量 ,改善了

7、基底的熱狀態(tài)。如果路堤高度小于當(dāng)?shù)貧夂驖撛趦鼋Y(jié)能力形成的凍結(jié)深度時(shí) ,就將在基底范圍內(nèi)季節(jié)融化層中形成與多年凍土銜接的新的凍土 ,稱為凍土核。凍土核的形成 ,尤其是當(dāng)凍土核升入堤身時(shí) ,則有利于凍結(jié)層上水的排泄 ,保持路堤的穩(wěn)定2 。無論是形成熱融槽或形成凍土核 ,經(jīng)過一個(gè)以上的凍融循環(huán)形成其穩(wěn)定的多年凍土上界 ,即路堤的人為上限。人為上限的形態(tài)決定了路堤穩(wěn)定以后發(fā)生凍脹融沉變形的土體厚度 ,是產(chǎn)生路基橫向不均勻變形的原因。2. 2. 1坡向不同的路基溫度場(chǎng)和人為上限形態(tài)特點(diǎn)鐵路路基無論是東西走向或南北走向 ,即使路基的幾何形狀關(guān)于路堤中軸線為對(duì)稱 ,由于路基南坡與北坡或東坡與西坡受熱的差異導(dǎo)

8、致路基溫度場(chǎng)在穩(wěn)定狀態(tài)下表現(xiàn)為明顯的不對(duì)稱。這種不對(duì)稱一是表現(xiàn)為路基人為上限形態(tài)的不對(duì)稱 ,實(shí)質(zhì)上是路堤兩側(cè)季節(jié)融化深度存在一定的差異 ,二是在凍結(jié)融化發(fā)展過程中表現(xiàn)為明顯的不同步 ,也就是坡向不同使凍脹融沉變形發(fā)生的時(shí)間不同。事實(shí)上 ,任意走向的多年凍土區(qū)路基兩側(cè)表面溫度均存在一定的差異 ,只是差異的大小不同而已 ,嚴(yán)格意義上的對(duì)稱路基是不存在的。青606第四紀(jì)研究2 0 0 3 年藏公路、青藏鐵路均呈近似的南北走向 ,這兩條道路在多年凍土區(qū)的路基溫度場(chǎng)均是不對(duì)稱的。當(dāng)路基溫度場(chǎng)呈強(qiáng)烈的不對(duì)稱時(shí) ,冬季由于未凍水的不等量遷移作用 ,路基不同坡向兩側(cè)的含水量和凍結(jié)深度都將產(chǎn)生差異 ,是路基橫向

9、產(chǎn)生明顯的不均勻凍脹的主要原因。而暖季融化開始時(shí) ,凍土路基中將形成傾斜的凍融滑動(dòng)面 ,在行車的振動(dòng)荷載作用下 ,融化后含水量較大甚至處于飽和狀態(tài)的黏性土易沿凍結(jié)面擠出 ,造成路基陽(yáng)坡側(cè)路肩及邊坡開裂。坡向不對(duì)稱路基溫度場(chǎng)呈明顯的不對(duì)稱 ,陽(yáng)坡側(cè)路肩及邊坡下地溫明顯高于陰坡側(cè) ,且融化狀態(tài)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng) ,對(duì)路基穩(wěn)定性影響很大 ,在其它條件相同時(shí) ,坡向?qū)δ昶骄鶜鉁氐偷牡貐^(qū)路基溫度場(chǎng)的影響較年平均氣溫高的地區(qū)更大。2. 2. 2幾何尺寸不對(duì)稱路基溫度場(chǎng)和人為上限形態(tài)特點(diǎn)修筑于斜坡上的多年凍土區(qū)路基 ,由于地勢(shì)的限制 ,路堤兩側(cè)邊坡及天然地表在幾何尺寸上表現(xiàn)為強(qiáng)烈的不對(duì)稱 ,由此導(dǎo)致路堤兩側(cè)受太陽(yáng)直

10、接輻射的面積和與大氣直接接觸的面積均存在很大的差異 ,路基溫度場(chǎng)呈強(qiáng)烈的不對(duì)稱。在山嶺及多丘地帶 ,此類路堤是基本的形式 ,如在青藏鐵路凍土區(qū)風(fēng)火山越嶺地段。這種路基溫度場(chǎng)的不對(duì)稱與路基坡向不同造成的溫度場(chǎng)不對(duì)稱一樣 ,也是路基橫向不均勻變形產(chǎn)生的主要原因。融化季節(jié)路堤下凍結(jié)融化分界面為一傾斜的滑動(dòng)面 ,且下坡一側(cè)的融深較大 ,融化狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng) ,這很容易引起路堤滑坡 ,為控制和治理這種潛在的病害 ,在斜坡不對(duì)稱路基的下坡一側(cè)應(yīng)修筑保溫護(hù)道。2. 3路基變形裂縫發(fā)生機(jī)理及影響因素修筑在青藏鐵路多年凍土區(qū)的路基工程 ,主要是指路堤工程 ,目前所發(fā)生的變形裂縫從形態(tài)上看有縱向裂縫和橫向裂縫

11、,從發(fā)生部位看有坡面、路基頂面裂縫 ,從發(fā)生原因上看有寒凍裂縫、變形裂縫。但是寒凍裂縫發(fā)生以后 ,路基沉降變形和凍脹變形可以加劇這種裂縫發(fā)展。路基變形裂縫發(fā)生以后 ,寒凍劈裂作用也可以加劇它的發(fā)展。2. 3. 1凍土的冷生過程導(dǎo)致路基寒凍裂縫發(fā)生凍土的冷生過程在融化因素起主導(dǎo)作用下進(jìn)行時(shí) ,由于路基的各個(gè)部位水分條件的差異 ,融化壓縮過程導(dǎo)致的沉降變形量不一樣 ,路基邊坡變形差異從路基外觀上直接反映出來 ,也就是我們看到的沿路基縱向延伸的裂縫。凍土的冷生過程在凍結(jié)因素起主導(dǎo)作用下進(jìn)行時(shí) ,由于路基填土的種類、溫度、黏聚力的不同 ,因此導(dǎo)致凍土路基邊坡和頂面出現(xiàn)寒凍裂縫。凍土的冷生過程在融化或凍

12、結(jié)都不占優(yōu)勢(shì)情況下進(jìn)行時(shí) ,冷生作用與融化和凍結(jié)作用的季節(jié)更替有關(guān) ,年內(nèi)季節(jié)更替和多年氣候循環(huán)決定了冷生過程的連續(xù)性和循環(huán)性。因此融沉裂縫發(fā)展 ,凍脹裂縫發(fā)生并加劇。凍土和冰在溫度降低時(shí)收縮而開裂的作用 ,稱為凍縮開裂作用 ,是產(chǎn)生寒凍裂縫的原因之一。寒凍裂縫在多年凍土區(qū)是一種廣泛分布的現(xiàn)象 ,它既可以出現(xiàn)在季節(jié)融化層 ,也可以出現(xiàn)在下臥多年凍土層。目前青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程中出現(xiàn)的寒凍裂縫主要分布在路堤邊坡中上部位。尤其是在路基頂面與邊坡交界處的邊坡坡面上 ,由于雙向不6 期張魯新等 :青藏鐵路多年凍土區(qū)路基變形裂縫發(fā)生機(jī)理及其防治607等量的吸熱散熱和水分條件變化較為頻繁和劇烈 ,成

13、為寒凍裂縫發(fā)育的部位。少量的路基頂面寒凍裂縫的發(fā)生則主要因?yàn)樘钔恋酿ぞ哿^小所致。凍縮開裂造成的寒凍裂縫主要取決于溫度較差 ,溫度較差越大 ,產(chǎn)生寒凍裂縫的可能性越大 ,另外一個(gè)決定因素是路基填土本身的穩(wěn)定性 ,這里所說的穩(wěn)定性主要是指抵御寒凍劈裂變形的能力 ,實(shí)際上是土體團(tuán)聚體之間和團(tuán)聚體內(nèi)部的聯(lián)結(jié)力 ,也即組成土的各組分的黏聚力。而這種聯(lián)結(jié) - 黏聚力取決于土的種類、溫度和含水量。2. 3. 2不對(duì)稱溫度場(chǎng)決定的路基人為上限形態(tài)導(dǎo)致路基變形裂縫發(fā)生如前所述 ,路基坡向不同和幾何尺寸的不對(duì)稱使路基溫度場(chǎng)呈現(xiàn)不對(duì)稱 ,而且還造成不同坡向路基本體和基底土體內(nèi)凍結(jié)融化過程不同步 ,其結(jié)果是路基橫向

14、上發(fā)生融化的土體厚度不同、沿深度方向上土體的含水量不同(凍結(jié)融化過程水分重分布 ,以及在不同深度鋪設(shè)不同材料造成的上下含水量的差異) 、沿深度方向土體溫度不同 ,因而在橫向上各個(gè)部位融沉變形不同 ,當(dāng)土體黏聚力不夠時(shí) ,這種變形力拉開土體沿縱向伸展形成縱向裂縫。從鐵路路基基底處理和填料要求 ,以及施工過程的控制來講 ,在第一年沉降變形及其橫向變形的不均勻造成的沉降裂縫是最主要的矛盾 ,它可能貫穿基底 ,而凍脹裂縫是局部的和次生的 ,根據(jù)溫度的不同 ,發(fā)育程度也不同。在擾動(dòng)后的土體凍結(jié)過程中 ,如在鐵路路基修建后 ,在第一個(gè)(準(zhǔn)確地講不足一個(gè)) 凍結(jié)期填土熱量還未散失時(shí) ,延伸至第一個(gè)融化期 ,

15、路基基本上是以壓密變形為主 ,由于橫向上的不均勻性最終導(dǎo)致縱向沉降裂縫發(fā)生 ,因此在真正意義上的第一個(gè)凍結(jié)期到來后 ,寒凍劈裂作用加劇了原有的沉降裂縫發(fā)展 ,同時(shí)也有部分不規(guī)則的寒凍裂縫出現(xiàn)。根據(jù)以往凍土學(xué)研究結(jié)果 ,假設(shè)溫度應(yīng)力及其所引起的地表剪切變形之間存在線性關(guān)系 ,那么 ,土體冷卻時(shí)產(chǎn)生的變形就與溫度梯度成正比 ,而剪切應(yīng)力則沿平行于凍結(jié)面的平面均勻分布。由于填土的不均勻性(在填土路基中主要因?yàn)閮鼋Y(jié)過程引起水分重分布 ,造成沿深度上含水量不同 ,土體性質(zhì)顯示了不均勻性質(zhì)) ,因而寒凍裂縫沿平面不規(guī)則分布而很少沿縱向發(fā)展形成貫通裂縫。2. 3. 3寒凍劈裂作用對(duì)路基變形裂縫形成和發(fā)展的影

16、響區(qū)域氣候條件決定的路基頂面和坡面的溫度梯度是形成寒凍裂縫的外因,水分和土性是其形成的內(nèi)因 ,路基本體和基底土體在施工后若干年凍結(jié)融化循環(huán)周期內(nèi) ,橫向變形的差異會(huì)進(jìn)一步加速這種寒凍裂縫的發(fā)展過程 ,這種惡性循環(huán)最終導(dǎo)致路基本體穩(wěn)定性受到破壞。由不對(duì)稱溫度場(chǎng)決定的人為上限形態(tài)的不對(duì)稱(包括在施工后第一年路基各部位人為上限尚未形成 ,凍融交界面形態(tài)不規(guī)則情況在內(nèi)) ,使路基橫向上土體在凍結(jié)融化循環(huán)過程中發(fā)生的變形不均勻 ,縱向上形成變形裂縫。裂縫發(fā)生后 ,裂縫面溫度梯度的變化使寒凍劈裂作用加劇 ,路基變形裂縫惡性發(fā)展。區(qū)域氣候條件和不對(duì)稱溫度場(chǎng)的形成最終導(dǎo)致多年凍土區(qū)路基穩(wěn)定性破壞 ,危及鐵路正

17、常運(yùn)營(yíng) ,必須在施工中和施工后采取必要的工程措施 ,防治這種路基病害的發(fā)生。608第四紀(jì)研究2 0 0 3 年3路基變形裂縫防治根據(jù)以上有關(guān)路基變形裂縫的論述 ,對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)在青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程中的這類現(xiàn)象 ,必須從它的發(fā)生機(jī)理、發(fā)展過程的分析中判定主要影響因素 ,對(duì)癥下藥予以防治和整治 ,保證路基工程質(zhì)量的可靠。對(duì)于上述路基變形裂縫的防治和整治 ,主要是采取一定的工程結(jié)構(gòu)和工程措施 ,根據(jù)傳熱學(xué)原理 ,平衡路基坡面吸熱散熱過程和熱量收支結(jié)果 ,抑制不對(duì)稱溫度場(chǎng)的形成和發(fā)展;其次是通過對(duì)路基坡面性質(zhì)的改善 ,減小溫度梯度從而削弱寒凍劈裂作用 ,減少寒凍裂縫的發(fā)生 ,還可以在路基本體內(nèi)分

18、層鋪設(shè)土工格柵 ,改善土體抗拉性能 ,抵御寒凍裂縫和變形裂縫發(fā)生。3. 1片石層結(jié)構(gòu)對(duì)流換熱原理及其抑制變形裂縫效果片石層結(jié)構(gòu)的路堤是用一定粒徑且無固定級(jí)配的片石拋填一定厚度,填筑在土質(zhì)路堤底部 ,這種多孔隙的片石修筑的路堤 ,透風(fēng)性能高。在冬季存在不穩(wěn)定的空氣密度梯度時(shí)允許孔隙中的空氣在路堤中自然對(duì)流 ,而在夏季由于路堤中空氣的密度梯度相對(duì)穩(wěn)定 ,路堤中不發(fā)生空氣循環(huán)流動(dòng)。因而 ,這種路堤充當(dāng)了一種單向熱傳導(dǎo)設(shè)備的角色 ,類似熱開關(guān)效應(yīng)或熱二極管作用 ,冬季從路堤及其基底中排除熱量 ,但夏季吸收熱量卻比較少。這種吸收儲(chǔ)存冷能和屏蔽熱量的可變導(dǎo)熱性質(zhì) ,對(duì)地基土起著冷卻作用 ,可降低路堤下地基土的溫度。如果將基底一定厚度的片石層向堤身外延伸 ,路堤兩側(cè)延伸長(zhǎng)度不一(對(duì)于不同氣溫條件的凍土地段 ,這種