青藏铁路多年冻土区路基变形裂缝发生机理及其防治

青藏铁路多年冻土区路基 变形裂缝发生机理及其防治 （北京交通大学土建学院，北京100044 ; 青藏铁路建设总指挥部，格尔木816000） 摘要青藏铁路多年冻土区路基工程的修建，改变了路基基底多年冻土的热量平衡状态。 通过对青藏铁路多年冻土区试验工程和已经施工的路基工程所发生的变形裂缝的调查和分 析，认为多年冻土区路基几何尺寸不对称和路基边坡坡向不同导致的路基人为上限形态不 同，是造成多年冻土区路基温度场不对称以及基底土体冻结融化过程不同步的主要原因，也 是造成路基变形裂缝的主要原因。文章在此基础上提出了减少或消除路基温度场不对称，从 而减少或消除这类变形裂缝的主要工程结构形式和工程措施，作者的看法和结论已经在 2003年青藏铁路冻土区路基工程设计和成形路基补强工程措施设计中得到广泛应用。 主题词 青藏铁路冻土路基变形机理防治 1概述 青藏铁路建设的三大技术难题为高原、冻土和生态环境保护，其中多年冻土区筑路技 术问题是最为关键的技术难题。青藏铁路穿越海拔4 000 m以上长达546 km的多年冻土 区，多年冻土复杂的冻结融化过程以及与之伴生的众多冷生现象，给铁路路基修筑带来诸 多技术问题。2001年青藏铁路开工以后，先期进行了多年冻土区路基试验工程的建设， 并在其上进行了多种类型路基结构实体试验，为其后全面展开的多年冻土区路基工程设 计和施工提供了宝贵的经验，为今后运营期间多年冻土区可能发生的路基病害的整治打 下坚实的技术基础。 多年冻土区路基施工后的第1、第2个冻融循环期内，即2001年冬季到2003春季，由 于冻土的冷生过程导致多年冻土区路基试验工程部分路堤和其后全面施工的部分路堤产 生了程度不同的工程病害，也即路堤边坡和顶面的变形裂缝。2002年10月- 一多年冻土 的最大融化季节和2003年1月多年冻土的最大冻结季节，对路基变形问题以及由 此衍生的变形裂缝的调查，并结合多年冻土地温分区、多年冻土含冰量特征以及路基结构形 式特点进行的分析研究表明，多年冻土区路基变形实际上是由路基基底土体和路基本体土体 在外荷载作用下压密沉降变形、冻融循环过程中融化下沉及冻胀变形组成。目前在 第一作者简介张鲁新男55岁青藏铁路建设总指挥部专家组组长工程冻土学专业E2mail zlx22 public . lz. gs. cn 2003 -06-08 收稿,2003 - 08 - 05 收修改稿 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http// 施工阶段列车静荷载和动荷载都还未施加的情况下，外荷载仅为填土荷载。冻土路基的 沉降变形和冻胀变形以及由此衍生的表面形态，也即路基变形裂缝，从工程冻土学本质上 讲，都是冻土的冷生过程，或者说是冷生现象的产物。因此在讨论路基变形和变形裂缝时， 我们从其冻土学本质上进行讨论，从路基工程本身特点上去认识，从发生发展的源头寻找工 程对策从而抵御其发展，对于已经形成的工程建筑，判断路基变形裂缝存在形态和 发展趋势，提出路基补强工程措施，保证多年冻土区路基的稳定性。 2路基变形裂缝发生机理 2.1天然状态下多年冻土冻胀融沉过程 天然状态下的多年冻土层，其上表层由于受到太阳辐射热年际变化的影响，形成了寒、 暖季的交替作用。暖季太阳的辐射能加热地表而形成一定融化厚度，称季节融化层， 该层寒季冻结与下伏多年冻土层衔接（隔年层及不衔接多年冻土除外），这样周而复始形 成了季节冻结融化过程。土体中水分的存在，在季节冻结融化过程中导致土体体积发生 变化，使土体本身产生冻胀和融沉变形〔1〕。 2.2多年冻土区路基工程人为上限形成机理 多年冻土区的路基是横垣地面的条带状冷生结构，没有自身热源，它对多年冻土的热 扰动主要表现在填筑路堤时的填土带给基底的热量，路堤自重作为基底土体的附加应力， 压缩了基底季节融化层，改变了它的结构，并改变了它的物理、热物理性质，引起融化 压缩变形。不同路基坡面的水平热流对堤身的加热增加了堤身的热储量，打破了原地层 的热量年周转格局。 当填土所增加的热阻不足以抵消堤身的吸热效应时，就会引起基底多年冻土的融化， 形成热融槽，影响路基的稳定;当路堤高度足够时，填土所增加的热阻，也就使堤身土体消耗 掉大量的热量，改善了基底的热状态。如果路堤高度小于当地气候潜在冻结能力形成 的冻结深度时，就将在基底范围内季节融化层中形成与多年冻土衔接的新的冻土，称为 冻土核。冻土核的形成，尤其是当冻土核升入堤身时，则有利于冻结层上水的排泄，保 持路堤的稳定[2] o 无论是形成热融槽或形成冻土核，经过一个以上的冻融循环形成其稳定的多年冻土 上界，即路堤的人为上限。人为上限的形态决定了路堤稳定以后发生冻胀融沉变形的土 体厚度，是产生路基横向不均匀变形的原因。 2. 2.1坡向不同的路基温度场和人为上限形态特点 铁路路基无论是东西走向或南北走向，即使路基的几何形状关于路堤中轴线为对称， 由于路基南坡与北坡或东坡与西坡受热的差异导致路基温度场在稳定状态下表现为明显 的不对称。这种不对称一是表现为路基人为上限形态的不对称，实质上是路堤两侧季节 融化深度存在一定的差异.二是在冻结融化发展过程中表现为明显的不同步.也就是坡向不 同使冻胀融沉变形发生的时间不同。事实上，任意走向的多年冻土区路基两侧表面温 度均存在一定的差异，只是差异的大小不同而已，严格意义上的对称路基是不存在的。青 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http//lci.ncl 藏公路、青藏铁路均呈近似的南北走向，这两条道路在多年冻土区的路基温度场均是不 对称的。 当路基温度场呈强烈的不对称时，冬季由于未冻水的不等量迁移作用，路基不同坡向两侧 的含水量和冻结深度都将产生差异，是路基横向产生明显的不均匀冻胀的主要原因。 而暖季融化开始时，冻土路基中将形成倾斜的冻融滑动面，在行车的振动荷载作用下，融 化后含水量较大甚至处于饱和状态的黏性土易沿冻结面挤出，造成路基阳坡侧路肩及边 坡开裂。 坡向不对称路基温度场呈明显的不对称，阳坡侧路肩及边坡下地温明显高于阴坡侧， 且融化状态持续时间长，对路基稳定性影响很大，在其它条件相同时，坡向对年平均气 温低的地区路基温度场的影响较年平均气温高的地区更大。 2. 2. 2几何尺寸不对称路基温度场和人为上限形态特点 修筑于斜坡上的多年冻土区路基，由于地势的限制，路堤两侧边坡及天然地表在几何 尺寸上表现为强烈的不对称，由此导致路堤两侧受太阳直接辐射的面积和与大气直接接触的 面积均存在很大的差异，路基温度场呈强烈的不对称。在山岭及多丘地带.此类路堤 是基本的形式，如在青藏铁路冻土区风火山越岭地段。这种路基温度场的不对称与路基 坡向不同造成的温度场不对称一样，也是路基横向不均匀变形产生的主要原因。 融化季节路堤下冻结融化分界面为一倾