青藏铁路稳定性及其保持的基本措施.doc

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　 摘要： 青藏铁路格拉段部分区间位于多年冻土区，由于人为影响及工程对结构强度的要求，使路基与天然地层之间出现了新的热力平衡关系，从而影响了路基的稳定。作者分析了影响路基稳定的基本因素，结合工程中的实践，提出了保持稳定性的几点有效措施。
关键词： 路基的稳定性、 多年冻土区、 冻胀、 冻土上限

一 前言
青藏铁路格拉段，全长1120 km，地处世界海拔最高、气候条件最恶劣，有世界屋脊之称的青藏高原。铁路通过的长年冻土区位于欧亚大陆板快的内部，远离海洋，具有独特的冰缘干寒的气候特征，且随海拔的增高而又有明显的气候垂直分布性。区内寒冷干旱、气候多变、四季不明、空气稀薄、气压较低，分布着连续多年冻土和岛状多年冻土。作为工程介质和工程对象的冻土，它的工程特征由于岩性和含水量的不同，通过温度这一特殊因素表现出变化上的多样性、性质上的不稳定性。高原冻土区铁路路基是一条冷生结构物，它紧密的依存于天然地层，并接收太阳辐射及地下温度的共同影响。冻土区铁路路基由于填、挖等人为影响以及基于满足工程对结构强度的要求，加之路基介质的性质不同于天然地层，使其与天然地层之间出现了新的热力平衡关系，从而影响了路基的稳定。

二 影响路基稳定的基本因素
除结构本身、材料、施工因素外，主要还受热、地基土的冻结与融化过程，地下水等因素的影响。
1热的影响
1）冻土是气候的产物，近年来随着全球气候的转暖，进而直接影响多年冻土的低温状态。
2）人类工程活动带来的大量热源，从结构物的底部传入多年冻土层中，一方面使多年冻土地温升高，另一方面使路基下部产生融化，这种热源传到土中使地基融化变得十分迅速和非常剧烈，它是路基产生变形的主要原因之一。
3）冻土温度及其热稳定性不仅决定了多年冻土的稳定及其退化的可能性而且还决定着结构物的设计、安全储备、施工工艺和时间等，这是因为地基的动力特性是低温的函数。
2 冻胀与融化下沉
冻土地基具有两层结构，即以多年冻土上限为界，以上土层为季节融化层，以下土层位于长年冻土层，其界面处的温度、水分状态却时而变化，因此多年冻土上限亦是处于动态变化。
1）多年冻土区季节融化层每年都要遭受周期性冻融过程的冻胀下沉。
2）作为路基的地基土，如果属具有冻胀敏感性的细粒土，冻结过程中除土中原有水分冻结外，往往会从较深处抽吸部份水份结成冰晶体、冰透镜体，以及其他形式的冰体。此过程不只是在冻结过程中形成很大的冻胀量，融化过程中产生更大的下沉量，更主要的是此过程是每年都在变化。
3）冻结细粒土融化时，冰融化成水的速度比水分排除的速度或已融化土中水分重分布的速度要快得多。这造成地基土呈现出饱和甚至过饱和状态，土层变得很软，从而使得地基的承载强度、剪切强度大大折扣。
3 地下水
1）季节融化层的冻胀很大程度上取决冻结层中水的补给。细粒土冻结过程中，地下水的补给可能使冻胀量扩大几倍甚至几十倍。
2）地下水在路基下流动能使多年冻土融化，使冻土上限下降，路基下沉。
3）由于地下水的存在，使得地基土含水量增高、增大地基土的体积融化潜热和体积比热，从而减少冻结深度。
4）由于多年冻土层成为冻土区最重要的隔水层，当工程结构物改变了地下水流状态，就可能形成冻胀丘、冰锥，甚至是爆炸性冻胀丘。

由此可见在多年冻土区路基工程的不稳定因素除结构物本身及地基土外，从冻土角度来看主要还有上限下降、地下冰融化、地下水、潜蚀作用，太阳辐射等因素。

三 保持路基稳定性的基本措施

1 地基土换填法
换填法就是采用膨胀系数较小的材料（如粗砂、砾石等粗粒径土）置换冻胀性或融沉性的地基土，以达到消减地基土的冻胀或融沉性。换填的深度、换料的粉粒含量，换填料的排水条件是换填法的三个要点。此法既简单又方便，但效果一般。
1）换填深度的确定
当路堤或路堑基底面以下富有冰冻土、饱冰冻土、含土冰层，且厚度不大、埋深较浅时，宜全部清除换填，并做好基底纵横向排水措施。当较厚时，宜采用部分换填，其厚度应使路堤高度与换填深度之和不小于保温计算厚度的1.5—2.0倍，一般采用天然上限的1.3—1.4倍。
2）换填料中细粒径土应控制在：土颗粒粒径小于0.074 mm的含量小于15%。
3）排水条件
换填料中必须做好排水，否则粗粒径土含水率至饱和时，则水分子结冰将导致体积膨胀率为9%。
2 保温隔热法
在路基底部设隔热层，增大热阻，以减少大气和人为热源的热量进入到冻土层，施工中可在路肩以下0.8 m采用50—100 mm的泡沫塑料板。用泡沫塑料板简单易行，但由于塑料板容易老化，故加大了后期营运过程中的维护费用。
3 通风路堤法
通风路堤法是指结构物散热的倾填片石路基，架空通风基础，低填通风基础等。片石通风路堤所用石料应洁净、无级配，强度不低于30 Kpa，粒径宜采用100—300 mm。施工中应压实片石层，片石层厚度不小于1.0 m，其上作缓冲层用，不得进水。
4 片石保温护坡法
采用倾填的办法在路基两侧或阳面侧做成片石护坡，充分利用片石护坡的“热开关效应”。寒季，可以起到类似通风管加快路基散热的储冷作用；暖季，片石保温护坡可以类似保温材料阻止外界热量传入路基的隔热作用。实践中发现，当护坡的厚度为0.8 m和1.2 m时都有较好的作用，片石的粒径应满足100—300 mm的要求。
5 排水隔水法
水无论是地表的还是地下的，它的流动和侵入都会带来大量的热量，以至上限下降或引起冻胀丘、冰椎等。因此排水隔水也是保证稳定的重要措施。
排除地表水原则上采用挡水埝形式或为宽断面排水沟。在实践中发现，排除地表水亦可采用提高冻土上限体作为为挡水堤或加装隔水板的办法。
路堑排水主要由包角挡水埝、挡水埝和天沟组成。
6 热棒路基法
热棒是一种气液两相对流循环热传输装置，一半埋入路基中将地基中热量源源不断送入大气中，使地基长年冻土降温，从而有效防止长年冻土的衰退和融化。施工时应准确埋设热棒，并采用中砂回填。
7 架空法
架空法即路改桥，此法适用于长距离、大范围冻土上限动态变化剧烈的地方，故在格拉段被广泛采用。其特点是效果好，维护费用低，但成本高。

三 结束语

经工程中屡次实践，采用以上几种措施均可有效提高多年冻土区路基的稳定性。

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