岩土工程论文

1岩土工程2青藏铁路冻土区地基处理摘要：青藏铁路是目前世界上海拔最高、横跨冻土区最长的铁路，地基处理是建设铁路过程中的一大挑战，这其中涉及到多种地基处理技术。本文重点描述青藏铁路的多年冻土的工程分类、主要病害类型及路基设计原则，重点介绍了高含冰量冻土地段路基处理的各种技术措施。关键词青藏铁路多年冻土技术措施一.青藏铁路概况青藏铁路由青海省西宁市至西藏自治区拉萨市，全长1956公里，其中，西宁至格尔木段814公里，1984年建成运营。新开工修建的格尔木至拉萨段，自青海省格尔木市起，沿青藏公路南行，经纳赤台、五道梁、沱沱河、雁石坪，翻越唐古拉山，再经西藏自治区安多、那曲、当雄，羊八井，进入拉萨市，全长1142公里（新建1110公里，格尔木至南山口既有线改造32公里）。建设工期为6年。设计年输送能力为客车8对，货流密度500万吨。新线于2001年6月29日开工，2002年开始从南山口向南铺轨，2004年在安多同时向南北两个方向铺轨，2005年铺轨通过唐古拉山，并提前实现全线铺通。2006年7月将投入试运营。青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的高原铁路。青藏铁路格拉段自格尔木(高程2828m)溯格尔木河南上，经西大滩，翻昆仑山垭口(4772m)，跨楚玛尔河，越可可西里山、风火山，跨沱沱河，翻开心岭，过温泉翻越唐古拉山垭口(5072m)进入西藏自治区，经安多、那曲，翻过羊八岭垭口(4600m)，至拉萨(3641m)，全长1142km(图1)。是世界上海拔最高，跨越高原多年冻土地段最长的铁路，经过海拔4000m以上地段长960km。西大滩至安多间，连续多年冻土区546．4km，岛状多年冻土区82km。沿线地质复杂，滑坡、泥石流、地震、雷击等灾害严重，多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱是青藏铁路建设的“三大难题”。3二.青藏铁路多年冻土区特点及危害1．冻土概念及特点冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土（数小时/数日以至半月）/季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（数年至数万年以上）。地球上多年冻土/季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积的25%。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。随着气候变暖，冻土在不断退化。2．青藏高原地貌及冻土分布青藏高原多年冻土区是世界中低纬度地带海拔最高(平均海拔4000m)、面积最大的多年冻土区，约占我国多年冻土面积的70％。青藏高原的地形西北部高，东南部低；气候特点是西北部严寒干旱，东南部温暖湿润；自然地带分异是“以羌塘高原北部和昆仑山为中心，向周围地区倾斜散开”。青藏高原多年冻土正是以青南藏北高原为中心向周边分布展开。青藏铁路经过的正是多年冻土最发育的地区，基本上呈连续或大片分布，温度低，地下冰厚。向周边地区，随地面海拔降低，地温逐渐升高，过渡为岛状多年冻土。青藏铁路从西大滩至安多在546．4km长的地段内除局部存在河流、构造地热、地下水等形成的融区外，多年冻土基本上是连续分布的。在昆仑山北麓西大滩附近多年冻土的下界为海拔4150～4250m，而南坡的多年冻土下界为海拔4450～4560m，由于山地起伏大，这里的岛状冻土南北宽仅几公里。唐古拉山南麓的安多往南大80km范围，多年冻土只在局部地段零星分布。这里的多年冻土下界为海拔4600～4700m。青藏高原既是我国地貌的第三台阶，又是欧亚大陆上最高最大的地貌台阶，南北跨越10～11个纬度，东西穿越30多个经度。青藏高原既高又大的特征，不仅决定着高原多年冻土分布温度及厚度具有垂直分带性，同时又使上述冻土特征具有明显的纬向变化规律。青藏公路可视为纵贯青藏高原南北的剖面，其上的冻土分布及南、北冻土下界变化亦反映了上述规律。青藏公路由格尔木至拉萨1150km，由西大滩的60～61道班之间至两道河以南的124～125道班之间，长约650km左右为高原冻土区。其中由昆仑山垭口至安多北山(116道班一带)为大片多年冻土，长约550～560km。由60～61道班之间至昆仑山垭口和安多北山至124～125道班之间，分别为青藏公路北、南段岛状冻土区，北段冻土分布下界为海拔4150～4250m；南段冻土分布下界为海拔4640～4680m，自南而北大致纬度升高1°N、冻土下界降低80～100m。上述青藏公路南、北岛状冻土区的同时存在，以及冻土分布下界随纬度的变化也是受海拔高度和纬度控制的，也是高原多年冻土空间分布格局高度带性和纬度地带性规律的集中表4现。此外，巨大的高原及其东西部地势和气候的差异，也会带来多年冻土在经向上的变化3.青藏高原多年冻土的特点：(1)热稳定性差。青藏铁路通过的多年冻土大多属于高温不稳定区(长74.5km)和高温极不稳定区(长199.7km)，约占多年冻土区总长的50％。(2)厚层地下冰和高含冰量冻土占的比重大。且多位于上限附近，更易受自然和人为影响融化而产生较大的融沉。高含冰量冻土段累计长223km，其中厚层地下冰和含土冰层累计长57.2km。(3)在全球气候转暖的背景下，青藏高原升温值将高于全球升温平均值。勘察时与20世纪70年代相比，青藏公路通过的多年冻土北界缩短2km，南界缩16km。(4)青藏高原活动性断裂规模大、分布密集、水热活动强烈，成为制约和影响多年冻土分布发育的重要因素之一，使高原多年冻土的分布特征和热稳定性更加复杂。(5)青藏高原的太阳辐射强烈，致使山坡坡向对冻土的影响增强，路基坡向对多年冻土的影响成为工程建设必须应对的重要问题。4.青藏铁路冻土区主要危害青藏铁路多年冻土地质条件复杂，必须充分考虑全球气温升高、运营期间的人为活动和由于环境变化形成的次生病害等不良影响，此外，面对敏感、脆弱的高原生态环境要充分满足环境保护的要求，在高原严酷的自然环境下还应尽可能地做到运营期间免维修或少维修。在多年冻土区修建工程的主要问题有融沉、冻胀和其它不良冻土现象。○1融沉在多年冻土上限附近的细粒土和有一定量细粒土充填的粗颗粒土中往往存在厚层地下冰和高含冰量冻土。因其埋藏浅，很容易受天然因素和人为活动的影响而融化。因融化而产生的融沉是多年冻土区路基变形和破坏的主要原因。○2冻胀冻胀是造成冻土区工程变形和破坏的另一个重要原因。在低温冻土区，活动层厚度一般较小，且存在双向冻结，冻结速度较快，故冻胀相对较轻。而在高温冻土区，活动层厚度一般较大，冻结速度较低，如存在细颗粒土和足够的水分则冻胀严重。○3不良冻土现象不良冻土现象主要有：冰椎和冻胀丘、融冻泥流和热融滑塌、热融湖塘和冻土湿地。三.多年冻土区路基处理措施依据冻土地质条件的复杂程度，确定工程类别设置，并针对不同工程类型提出了解决冻土问题的关键控制因素。针对冻土年平均地温、含冰量、不良冻土现象和水文及水文地质等5多年冻土工程地质条件控制因素，考虑全球气温升高的影响，青藏铁路冻土区采取的工程对策主要有：在不宜修筑路基的高温极不稳定、高含冰量冻土厚度大埋藏浅的细颗粒土地段和高含冰量冻土斜坡地段，水文及水文地质条件复杂地段，修建小跨单排双柱墩低桥跨越通过。其他则依据冻土地质条件的复杂程度采用了片石气冷、碎石(片石)护坡或护道、通风管、热棒、遮阳棚、隔热保温、基底换填、合理路堤高度等工程处理措施。(1)片石气冷路基。片石气冷路基是在路基垫层之上设置一定厚度和空隙度的片石层，因片石层上下界面间存在温度梯度，引起片石层内空气的对流，热交换作用以对流为主导，利用高原冻土区负积温量值大于正积温量值的气候特点，加快了路基基底地层的散热，取得降低地温、保护冻土的效果。通过室内摸拟试验和试验段工程测试分析，探索出片石气冷路基的合理结构形式、设计参数和施工工艺。确定路基垫层厚度不小于0.3米，片石层设计厚度不小于1米，一般可在1.5米，粒径0.2—0.4米，强度不小于30兆帕，片石层上铺厚度不小于0.3米的碎石层，并加设一层土工布。这一措施已在沿线117公里的高温不稳定冻土区加以应用。经三个冻融循环的观测分析，起到了降低路基基底地温和增加地层冷储量的作用，路基沉降变形明显减小并基本趋于稳定。这是主动降温、保护冻土的一种有效工程措施。(2)在路基一侧或两侧堆填碎石或片石，形成护坡或护道。在多年冻土区修筑公路工程，块石护坡路基和碎石路基是保护冻土的有效方法之一，属于主动保护冻土的方法。块石层在寒季的当量导热系数是的5～l0倍甚至更多，因此，块石层可有效地提高路基下地基的蓄冷量，保护冻土效果明显优于导热系数不随温度变化的各类保温材料。块石护坡路基由于其孔隙性大，空气可在其中自由流动或受迫流动。当暖季表面受热后，热空气上升，块石中仍能维持较低温度，块石中的对流换热向上。因此，传入地中的热量较少。寒季时，冷空气沿孔隙下渗，对流换热向下，较多的冷量可以传人地基中。块石的热传导量在寒季和暖季可能大体相等，但导热在整个热传输过程中占的比重较小，而对流传热占主要成分，所以块石护坡路基的综合效果是冷量输入大干热量输入。另外，块石护坡路基内以其比较大的空隙和较强的自由对流使得冬夏冷热空气由于空气密度差异而不断发生冷量交换和热量屏蔽，其结果有利于保护多年冻土。碎石路基以碎石作为路基填料，和块石护坡路基降温基本原理一样，是基于多孔介质中空气自然对流原理，利用天然冷源使碎石路基温度场持续降低，从而达到多年冻土区路基稳定。（3）通风管措施。在路基内横向埋设水平通风管，冬季冷空气在管内对流，加强了路基填土的散热，降低基底地温，提高冻土的稳定性。青藏铁路使用钢筋混凝土管和PVC管。现场试验研究表明，通风管宜设置在路基下部，距地表不小于0.7米，其净距一般不超过1.0米，管径为0.3—0.4米。通风管的降温效果受管径、风向及管内积雪、积沙的影响，特别是夏季热空气在管内的对流对冻土有负面影响。为解决这一问题，现场做了在管口设置自动控制风门的试验。当外6界气温低时风门开启，以利冷空气进入管内；当外界气温高时风门关闭，以防热空气进入管内。通风管路基主要由路基土体和通风管构成。埋置于路基土体中的通风管应与当地风向的主导方向一致，距地面的高度不能过小。通风路基是一积极保护冻土的工程措施，其工作原理是在寒冷季节，冷空气有较大的密度，在自重和风的作用下将管中的热空气挤出，并不断将周围土体中的热量带走，达到保护地基土冻结状态的目的。通风管路基在某铁路上已铺筑了试验段，而某公路在整治过程中因没有将原有路基挖除，因此尚未铺筑试验段，室内试验已进行，其中包括采风口设计试验等，由于通风路基的良好降温效果，在以后多年冻土新建公路中将是一种很有使用前途的路基型式。需要指出的是，通风管在设置高度上要高出地面一定距离，如果高度过低将会使水流进入通风管，影响降温性能，并导致一定的沉降变形。同时在通风管路基设计时，可将通风管进风口和出风口设置不同高度，以便让自然冷气或制冷空气易于流动，达到较好的制冷效果。通风管路基在冬季有大量冷空气流通，起到降低路基温度、为冻土路基储藏冷量的效果。可到了夏季，通风管也成了热空气的流通通道，这样对保护冻土非常不利。因此需要在通风管两侧设置空气开关，在冬季的时候，由于热胀冷缩原理，开关自动打开，冷空气可在管内自由流动，而到了夏季，通风管关闭，阻止外部热空气进入管内。（4）热棒措施。热棒是一种汽液两相对流循环的热导系统，它实际上是一根密封的管，里面充以工质(如氨、氟利昂、丙烷、CO，等)，管的上端为冷凝器(由散热片组成)，下端为蒸发器，中间为绝热段。当冷凝器和蒸发器之间存在温差时，即冷凝器温度低于蒸发器的温度时，蒸发器中的液体工质吸收热量，蒸发成汽体工质，在压差作用下，蒸汽上升至冷凝端，放出汽化潜热，再通过冷凝器的散热片散出。为了观测地温及变形，分别在路中心、左路肩、左侧路基坡脚、右路肩、右侧路基坡脚设置观测元件，同时为了研究热棒工作的有效半径，在两根热棒间的土路肩上设置测温孔。通过目前的观测数据来看，热棒的短期冷却路基效果是非常明显的，在技术和理论上都是可行的，