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      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

      2013-08-04 06:34:12
      關(guān)鍵詞:多年凍土凍土含水量

      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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