高含冰量多年凍土區(qū)復合路基工程措施效果研究

雍國武才

(中國交通建設股份有限公司第二公路工程局有限公司 西安 710065)

1 引言

世界范圍內(nèi)多年凍土面積約3.6×106km2，占全球陸地面積的25%，主要分布在俄羅斯、加拿大、中國、美國和蒙古等國家［1］。在我國，多年凍土區(qū)總面積達2.15×106km2，占國土面積的 22.4%，其中有70%約1.49 ×106km2分布于青藏高原［2］。多年凍土的特殊性在于長期處于0℃以下并含有冰，導致其溫度和未凍水含量受環(huán)境溫度變化影響較大。特別是在季節(jié)性凍結(jié)融化過程由于土體中水分的變化常導致土體體積發(fā)生變化，使土體本身產(chǎn)生凍脹和融沉變形［2］。因此，在多年凍土區(qū)修建工程，不能按處理松軟土、膨脹土等特殊土一樣采用換填方式來提高基礎穩(wěn)定性。因為凍土在自然凍結(jié)狀態(tài)下具有很高的強度，若采用換填措施，將打破多年凍土與外界環(huán)境的穩(wěn)定的熱交換條件和水熱輸運過程。這一擾動過程將使路基下土體溫度不斷升高、多年凍土融化，使路基工程出現(xiàn)融沉為主的病害問題［3-4］。特別是在高地溫、高含冰量凍土區(qū)，伴隨著凍土的蠕變變形將進一步加大沉降變形量［5］。

針對多年凍土對溫度變化十分敏感的特性，在凍土區(qū)修建工程主要選擇人為改變熱交換條件和水熱輸運過程使其向溫度降低的方向發(fā)展，形成了以主動保護凍土為主的設計原則，即多年凍土地基在建設過程和建筑物運營的整個時期保持凍結(jié)狀態(tài)［6-7］。青藏高原獨特的地理構(gòu)造特征使其廣泛分布有高海拔多年凍土，依據(jù)保護凍土原則，針對青藏鐵路的建設，提出了以調(diào)控熱的對流、傳導、輻射為理論基礎的主動冷卻路基、降低多年凍土溫度的設計新思路:通過遮陽板調(diào)控輻射;通過通風管、熱管和塊石路堤調(diào)控對流;通過改變路基高度或采用保溫材料調(diào)控傳導;通過這些調(diào)控方式的組合，加強冷卻效果，以保證路基熱穩(wěn)定性［8］。青藏鐵路設置塊石通風路基路段達120 km，熱棒路段或熱棒增強措施路段合計近百公里。從青藏鐵路試驗段監(jiān)測資料來看，這些措施對于降低多年凍土溫度、提高路基穩(wěn)定性作用明顯，實際證明熱棒和塊石工程措施效果良好［9-12］。

柴達爾至木里地方鐵路(柴木鐵路)地處青藏高原西北側(cè)，是中國繼青藏鐵路后又一條修建于高原多年凍土區(qū)的鐵路。柴木鐵路沿線地區(qū)海拔較高，氣候嚴寒，屬于我國高海拔山區(qū)多年凍土地帶。沿線多年凍土分布隨海拔高度變化明顯，從零星島狀多年凍土、島狀多年凍土再到片狀連續(xù)多年凍土，多年凍土的連續(xù)性增加。同青藏鐵路相比，柴木鐵路最大的特點是所在區(qū)域降雨較多，地表沼澤濕地發(fā)育，同時，主要以富冰、飽冰凍土為主，凍土含冰量整體較高，局部地段地層下甚至發(fā)育有含土冰層。另外，柴木鐵路走向接近南北向，線路左右兩側(cè)熱擾動不同容易導致路基內(nèi)部溫度場不均勻而出現(xiàn)陰陽坡效應，導致路基出現(xiàn)橫向裂縫。參考青藏鐵路的成功經(jīng)驗，柴木鐵路主要采用塊石和熱棒保護措施，這些措施是否能在這一高含冰量凍土區(qū)取的滿意效果需要進一步驗證。

2 試驗場地概況

柴木鐵路地處青藏高原西北部祁連山南麓，線路起點熱水(100°25'E，37°35'N)，終點木里(99°11'E，38°08'N)，呈東南-西北走向，全長142 km，線路所處區(qū)域海拔3 800ˉ4 300 m，氣候嚴寒。圖1給出了柴木鐵路沿線凍土年平均地溫變化情況，熱水到木里海拔由3 800 m升高至4 300 m，年平均地溫由－0.5℃降至－2.0℃，凍土層下限深度也由28 m降低至大于50 m，按地溫梯度推算，木里凍土下限深度為90 m左右。

圖1 柴木鐵路沿線深孔地溫曲線Fig.1 Ground temperature changes along Chaimu Railway

柴木鐵路高含冰量多年凍土監(jiān)測場地主要分布于江倉至木里段(DK99+500ˉDK125+000)，試驗斷面布設工作自2007年1月開始，于2007年3月完成。圖2為監(jiān)測場附近2009ˉ2010年日平均氣溫變化圖，記錄顯示，該區(qū)域暖季最高日平均溫度15℃，冷季最低日平均溫度－22℃，極端最低溫度－31.4℃，極端最高溫度24.3℃。

圖2 監(jiān)測場地日均氣溫變化圖Fig.2 The daily average temperature of the monitor site

根據(jù)含冰量不同及地形坡度差異，主要采用塊石路基和熱棒塊石復合路基兩種措施柴木鐵路熱管路基主要位于江倉至木里段，監(jiān)測場地所處區(qū)域地形坡度較大，在3ˉ6°左右，路基走向295°。該處地表植被發(fā)育，凍脹草丘密布，分布有較多積水坑。凍土年平均地溫－1.3℃左右，屬于低溫基本穩(wěn)定多年凍土，凍土上限在1.5 m左右，凍土含冰量極高，其中DK123+150斷面所在區(qū)域凍土含冰量大于20%，DK114+800斷面右側(cè)天然孔的鉆探結(jié)果，表層1.0ˉ3.0 m的凍土含冰量高達30%ˉ40%，底部10.5ˉ15.6 m為含土冰層，含冰量達60%ˉ90%。各斷面詳細情況見表1。

表1 柴木鐵路高寒冰量多年凍土監(jiān)測場斷面情況Table 1 Features of three test sections with high ice content along Chaimu Railway

每個試驗斷面布設有4個測溫孔(內(nèi)置測溫線)和一條路基面測溫線，其中左右坡腳測溫孔深8 m，左右路肩測溫孔深13.0 m，路基面測溫線布設于路基面下0.5 m深度處，圖3給出了各試驗斷面測溫線布置詳圖。同時，距離每個斷面右側(cè)20.0 m處布設15.0 m深天然孔。熱棒路基統(tǒng)一采用直插布設方式，陽坡布置兩列，分別位于坡腳和保溫護道緣上，陰坡坡腳布設一列。熱棒長7.0 m，直徑89 mm，埋深5.5 m，其中散熱段長1.5 m，蒸發(fā)端長4.0 m;塊石路基主要是路基基底布設一層1.2 m厚的塊石層(圖4)。

圖3 試驗段路基測溫線布置圖Fig.3 Arrangement of boreholes with temperature measuring cable

圖4 熱管塊石復合路基現(xiàn)場斷面布設圖Fig.4 In-situ section arranged thermosyphons and crushed rock structure

3 路基試驗斷面溫度場監(jiān)測結(jié)果

圖5為塊石路基DK123+150斷面溫度場變化情況，路基建成于2007年，到2008年10月，路基下部右側(cè)多年凍土人為上限開始上升，右坡腳位于陰坡，多年凍土人為上限已接近地表，左坡腳孔多年凍土人為上限稍有下降;2009年，路肩下部多年凍土人為上限繼續(xù)抬升，右路肩處多年凍土人為上限已上升至地表，左路肩下多年凍土人為上限雖也上升，但比右路肩上升幅度要小;2010年，路基右側(cè)底部多年凍土人為上限仍在上升，但路基左側(cè)坡腳地溫繼續(xù)升高，路基溫度場不均勻性不斷增加。

圖6為熱棒塊石復合路基DK114+730斷面的溫度場圖，該斷面處于斜坡上，2008年10月，路基本體內(nèi)的等溫線左低右高，具有左側(cè)陽坡、右側(cè)陰坡特征。這種陰陽坡特征在零溫度線上也有反映，左坡腳零溫度線的深度距離天然地表1.5 m左右，而右坡腳的零溫度線距離天然地表不到1 m;2009年，陰陽坡特征依然存在，零溫度線也同樣是左側(cè)深度較大而右側(cè)深度較小，路基右側(cè)路肩以下部分等溫線已開始出現(xiàn)被抬升的趨勢，路基下部地溫場已趨于均勻;2010年，路基右側(cè)零溫度線抬升明顯，同時，左右坡腳下部地溫繼續(xù)降低，左側(cè)坡腳下－1.0℃等溫線已經(jīng)較2008年抬升了3 m左右。

2008年到2010年，DK114+730斷面路基下部的溫度場發(fā)生了較明顯的變化，整個路基斷面零溫度線略有升高，路基右側(cè)升幅較左側(cè)大，同時，－1.0℃等溫線也不斷被提升，路基左右兩側(cè)下部在2010年開始出現(xiàn)了－1.5℃等溫線。DK114+730斷面零溫度線以下各等溫線的變化表明，路基下部整體范圍內(nèi)凍土的冷儲量在增加。

圖5 DK123+150斷面溫度場圖Fig.5 Isotherms of ground temperatures in foundation soils equipped with crushed rock at DK123+150

圖7為熱棒塊石復合路基DK114+800斷面的溫度場圖，2008年到2010年，從地溫曲線的相對位置來看，路肩監(jiān)測斷面溫度場具有顯著的陰陽坡特征，路基左側(cè)出現(xiàn)高溫季節(jié)融土核，在原天然地表以下的路基橫斷面范圍內(nèi)，零溫度線從左坡腳至右坡腳深度減小，路基右側(cè)陰坡側(cè)零溫度線從2008年開始出現(xiàn)抬升，到2010年已抬升了將近0.3 m。同時，路基左右兩側(cè)坡腳附近等溫線提升幅度較路基正下方明顯，圖中顯示路基右側(cè)－1.0℃等溫線大幅升高;在2010年，坡腳附近甚至出現(xiàn)了－1.5℃等溫線。從零溫度線下不同等溫線的提升狀況來看表明，路基自兩側(cè)坡腳向路基中心部位的冷儲量有所增加，熱管塊石復合路基對增強路基的熱穩(wěn)定性作用明顯。

圖6 DK114+730斷面溫度場圖Fig.6 Isotherms of ground temperatures in foundation soils equipped with crushed rock and thermosyphons at DK114+730

4 試驗場地工程措施效果分析

為了解不同措施下高含冰量凍土區(qū)路基熱穩(wěn)定性特征，可通過分析路基本體下凍土天然上限(0℃線)附近地溫變化情況來得到。凍土天然上限最高地溫一般保持為0℃，如果路基修建后天然上限處最高地溫升高說明路基下凍土發(fā)生融化，路基穩(wěn)定性變差，反之，天然上限處地溫降低說明路基下凍土在達到新的平衡狀態(tài)下上限得到抬升，路基穩(wěn)定性增強，圖5ˉ圖7均反映了路基下凍土天然上限得到抬升。為分析路基采用不同措施后地溫隨時間變化情況，圖8給出了塊石路基DK123+150試驗斷面地表以下凍土天然上限附近地溫變化曲線，試驗場地凍土天然上限深度1.3 m，左路肩天然地表以下0.8 m、1.8 m 地溫基本保持不變，右路肩同樣深度處地溫較左路肩低，且隨著時間的發(fā)展地溫逐漸降低，與左路肩同一深度處地溫相比差值增大，到了2010年，左路肩天然地面下1.8 m處地溫低于左路肩同一深度地溫0.6 ℃。

圖7 DK114+800斷面路基溫度場Fig.7 Isotherms of ground temperatures in foundation soils equipped with crushed rock and thermosyphons at DK114+800

圖9為熱棒塊石復合路基DK114+730斷面路肩孔凍土天然上限附近地溫隨時間變化過程曲線，在1.2 m深度處，左路肩和右路肩下地溫均大于0℃，且左路肩地溫較右路肩地溫高0.4℃左右。到了2009年，1.2 m深度處地溫明顯降低，右路肩地溫接近0℃，左路肩地溫較右路肩差值縮小，相差不到0.1℃。凍土天然上限下左右路基1.7 m深度處地溫基本保持穩(wěn)定，差值右0.2℃左右逐漸縮小至不到0.1 ℃。

圖8 DK123+150路肩孔凍土天然上限(1.3 m)處地溫變化圖Fig.8 Ground temperature variations at different depths in shoulder boreholes at DK123+150

圖9 DK114+730路肩孔凍土天然上限(1.5 m)處地溫變化圖Fig.9 Ground temperature variations at different depths in shoulder boreholes at DK114+730

DK123+150斷面僅采用塊石路基保護措施，并沒有采用熱棒增強措施，但圖8卻直觀反映出其降溫效果較熱棒塊石復合措施要好，首先為左右路肩下天然凍土上限附近地溫均低于0℃;其次是右路肩溫度下降幅度較大，從2008年到2010年，右路肩天然凍土上限附近較原來降低了0.3℃。圖9反映的熱棒塊石復合措施地溫較穩(wěn)定，尤其是1.7 m處地溫基本保持不變。分析原因首先是通風效果上存在差別，該區(qū)域2、3、4月風速較大較大，最大月平均風速6.4 m/s，主導風向為WNW向，DK123+150斷面所在區(qū)域場地空曠，通風效果較好，塊石內(nèi)對流作用較強。DK114+730斷面所在場地處于山坡側(cè)洼地，通風效果較差，因此塊石內(nèi)對流作用較差，導致其作用效果不太明顯。另一個關(guān)鍵的原因是DK114+730斷面地層下含冰量遠大于DK123+150斷面，含冰量多少直接決定了地下冷能儲量的大小，冷能儲量越大，對外界氣溫影響波動越小。通過對DK123+150斷面附近不同含冰量下凍土地溫進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)同一區(qū)域相距比較近的鉆孔由于含冰量的不同，年平均地溫出現(xiàn)較大差值(圖10)。

圖10 DK123+150斷面附近不同含冰量鉆孔地溫曲線Fig.10 Curves of ground temperature with different ice content

為進一步分析不同工程措施的降溫效果，圖11給出了兩種類型路基斷面左右坡腳孔1.5 m深度處地溫變化圖。圖中顯示，自2008年到2010年，塊石路基試驗斷面DK123+150左坡腳(陽坡側(cè))溫度逐漸升高，右坡腳溫度降低作用不太明顯，基本保持穩(wěn)定，但左右坡腳溫差逐漸變大，最大溫差接近6℃，反映了路基內(nèi)部溫度場不均勻性在增大，沒有達到消除因路基走向而引起的陰陽坡現(xiàn)象的目的。而熱棒塊石復合措施路基試驗斷面DK114+730左右坡腳溫度都有降低趨勢，并且變化規(guī)律相同，溫差基本保持穩(wěn)定在2℃以內(nèi)，對保持路基內(nèi)部溫度場均勻性作用明顯。

由于監(jiān)測場地含冰量較大，使得凍土工程地質(zhì)條件極差，采用熱管塊石復合措施來冷卻路基，能夠起到保證路基內(nèi)溫度場均勻性、提高凍土路基的穩(wěn)定性效果明顯?？梢姛峁軌K石復合措施應用于高含冰量斜坡濕地上能達到增強路基熱穩(wěn)定性的作用。

5 試驗場地路基沉降變形分析

圖11 不同工程措施左右坡腳1.5 m深度處地溫變化情況Fig.11 Curves of temperature changing with time in toe boreholes(at depth of 1.5 m)

圖12 不同措施路基斷面沉降過程曲線Fig.12 Curves of settlement development process in shoulders

圖12為反映了不同措施下路基左右路肩沉降過程曲線?？傮w上看，熱棒塊石復合措施路基兩個監(jiān)測斷面的沉降變形量非常小，基本上都在小于6 cm，路基的沉降過程波動較小，個別觀測點的沉降變形升高或降低可能是觀測誤差所致;左路肩沉降變形量大于右路肩，最大相差將近2 cm，這種對比關(guān)系與溫度分析結(jié)果一致;從變形趨勢來看，試驗斷面DK114+730、DK114+800的變形都趨于穩(wěn)定，沉降變形量隨著時間的增加應該不會有大的增加。

塊石路基監(jiān)測斷面DK123+150變形量較熱棒塊石復合路基大2 cm左右，左路肩最大變形量達到6.5 cm，且左右路肩變形量差值接近3 cm，從變形趨勢來看，沉降變形量隨著時間的增加可能還會增加。從三個斷面的變形情況來看，左右路肩沉降變形特點從另一個方面反映了路基內(nèi)溫度場不均勻性對路基穩(wěn)定性的影響情況，復合措施路基對保持路基熱穩(wěn)定性效果明顯。

6 結(jié)論

通過分析高含冰量多年凍土區(qū)路基主動保護措施工程效果，結(jié)論總結(jié)如下:

(1)塊石和熱棒措施對保護高含冰量多年凍土區(qū)護路基熱穩(wěn)定性作用明顯，能夠起到抬多年凍土上限，降低地溫的效果。

(2)路基單純采用塊石措施不能起到消除近東西向路基下部溫度場不均勻性的作用，表現(xiàn)為左坡腳地溫升高，右坡腳溫度降低，導致同一深度處溫差擴大。

(3)熱棒塊石復合路基較塊石路基對消除路基下部溫度場不均勻性作用明顯，通過采用陽坡側(cè)布設兩排熱棒、陰坡側(cè)布設一排熱棒的措施保證了路基左右兩側(cè)地溫降低幅度保持一致。

(4)路基內(nèi)部溫度場不均勻性大小直接導致左右路肩沉降變形量差，路肩內(nèi)部溫度場不均勻性越大，沉降變形量差值越大。

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