青藏鐵路路基凍脹變形特點的研究

高志華，石 堅，羅麗娟

(長安大學 建筑工程學院，西安 710061)

凍土區的路基病害嚴重威脅寒區鐵路的運營安全，其主要病害形式是凍土區路基的凍脹與融沉。對于凍土的凍脹問題，國內外學者曾做過大量的研究工作，對凍脹受溫度、土質成分、土體含水率、土中易溶鹽含量、交換陽離子成分、凍結速率的影響、以及凍脹與外部荷載應力的關系作了深入的探討，提出了許多計算凍脹的方法和公式以及凍土地區工程結構物的破壞特征，并相應地提出一些凍害防治措施［1-4］。但是這些研究多是集中在試驗理論及寒區公路工程上，對已經運營的青藏鐵路路基凍脹現狀的類似研究還未見報道，鑒于此，在青藏鐵路多年凍土區和深季節凍土區中隨機選擇了230處路基斷面，取土樣621組，分析了土樣組分及比例，得出了青藏鐵路不同的凍土區段路基凍脹變形分布特點。

1 土樣的類別及數量

1.1 土樣

鑒于多年凍土區和季節凍土區凍脹特征的不同，分別在青藏鐵路高原多年凍土區的西大灘(多年凍土北界 K951+578)～安多(多年凍土南界K1 497+845)段和深季節凍土區的安多(K1 505+000)～那曲(K1 702+300)段隨機選擇了230處路基斷面，進行了621組土樣的取樣以及相應的含水率、密度、顆粒分析、液限和塑限等試驗，所取土樣的類別及數量見表1，現場取樣位置如圖1，由于路基是分層填筑碾壓而成的，保證所取土樣能代表路基及地基鄰近土層的實際情況。

表1 取土樣的類別及數量 組

圖1 路堤取樣點示意(單位:cm)

1.2 土樣的類型

根據中華人民共和國行業標準《鐵路工程巖土分類標準》(TB10077—2001、J123—2001)的規定，取自于路基近頂部、路基中部和路基坡腳以下地基土樣，各類土樣的類型及所占的比例分別見表2、表3和表4。

綜合表2和表3可以看出，無論多年凍土區、多年凍土區中的融區還是深季節凍土區的路基，其填料絕大多數采用了符合路堤填土要求的卵(碎)石土、圓(角)礫土和礫砂。填土中對凍脹較敏感的粉砂(共2組土樣)，僅在路基近頂部和路基中部(兩個部位共計有391組土樣)的土樣中占了約0.5%。

表2 路基近頂部土樣中土的類型及比例

表3 路基中部土樣中土的類型及比例

表4 地基土樣中土的類型及比例

從表4中可以看出，多年凍土區、多年凍土區中融區和深季節凍土區地基土的種類分別為6種、6種和5種，仍以圓(角)礫土和礫砂為主。但其中對凍脹較敏感的粉砂及粉土分別為48組土樣(占總土樣數170組的28.23%)、7組土樣(占總土樣數36組的19.45%)和9組土樣(占總土樣數36組的37.49%)，與路基的填料存在較大差異，說明一些路基地基土工程性質較差，對凍脹較敏感。

2 青藏鐵路路基的凍脹變形特征

2.1 多年凍土區路基的凍脹變形

2.1.1 凍脹變形模式

在多年凍土區，寒季初，隨著路基周圍氣溫的逐漸降低，路基土體開始凍結。這種凍結的發生是雙向的，一方面由路基表層開始，凍結向下逐漸延伸;另一方面，凍結也會從多年凍土這個巨大的冷源的上表面向上延伸，最終凍結過程結束時的狀態分析如圖2。

圖2 多年凍土區路基寒季凍結過程中的狀態分析

由圖2可以看出，多年凍土區路基在寒季凍結過程中，表層土體最先開始凍脹，并且是凍融交替，凍結狀態逐漸向下延伸。對于較低的多年凍土路堤，當凍結過程向下延伸，最終達到穩定狀態時，整個季節活動層全部凍結，在已凍結的深度內，存在一個強凍脹厚度(本文稱之為強凍脹帶)。一般情況下，這個強凍脹帶約為全部凍深(季節活動層)的 1/3～1/2，可包括70% ～90%的凍脹量，這是由于在凍結的過程中，路堤上部逐漸向下凍結，下部的未凍結部分由于其中的水分向凍結鋒面遷移，而造成下部未凍土中水分減少，凍脹減弱;對于路基高度相對較高的多年凍土區路基，當凍結過程向下延伸達到穩定狀態時，季節活動層與多年凍土之間可能存在著融化夾層，同時它們對融化夾層形成包裹的狀態，外來水分無法進入。由于融化夾層中土的相對高溫狀態隨著時間的延續而逐漸解除，融化夾層最終消失，季節活動層會有所調整，強凍脹帶的凍深也會有所變化。根據凍脹量隨深度變化的規律，強凍脹帶內實現的凍脹量增加值不會太大。所以，對于多年凍土區的路基來講，只有屬于強凍脹帶內的部分路基基床土體凍結時產生的凍脹變形才會對路基的凍脹變形產生影響，應重點研究強凍脹帶內土體凍結時引起的路基凍脹變形。

2.1.2 凍脹變形分析

多年凍土區路基的凍脹變形來源于路基表層的土體。青藏鐵路多年凍土區路基近頂部總共170組土樣分別為卵(碎)石土(4組土樣，占2.35%)、圓(角)礫土(142組土樣，占 83.53%)和礫砂(24組土樣，占14.12%)，均為粗顆粒土，故無論在開放系統中還是封閉的系統中，凍脹量都是可以忽略不計的。不過在完全敞開的系統之中，大氣降水對其有著至關重要的影響，即使是粗顆粒土(飽和狀態下)，其凍脹量也是比較可觀的，所以要注意路基表面的排水。

2.2 深季節凍土區(多年凍土區中的融區)路基的凍脹變形

2.2.1 凍脹變形模式

多年凍土區中的融區路基與深季節凍土區路基的情況大致相同。與多年凍土區路基不同的是，深季節凍土區地基土中不存在多年凍土，其凍結過程與多年凍土區路基的凍結過程不同。在寒季初，隨著路基周圍氣溫的逐漸降低，路基土體從表層起開始凍結，與多年凍土區路基土體的雙向凍結不同，這種凍結是單向的，即由路基表層開始，向下逐漸延伸，最終達到最大凍結深度。圖3為深季節凍土區(多年凍土區中的融區)路基寒季凍結過程中的狀態分析。

圖3 深季節凍土區路基寒季凍結過程中的狀態分析

從圖3中可以看到，深季節凍土區路基在寒季凍結過程中，其凍結過程是由上而下單向完成的。自上而下的凍結完成后，此時的路基僅在其表層形成了凍結硬殼，凍結硬殼隔斷了地表水進入路基土體內的可能，但由于沒有下覆多年凍土的存在，路基中尚未凍結的路基土體在其下部仍與沒有凍結的地基土體相連接、相貫通，所以無論是細顆粒土還是含有一定粉黏粒的粗顆粒土，只要地下水位埋藏較淺，地下水沿基底土體的毛細水通道可達未凍路基土體中，那么在路基土體凍結時可以源源不斷地得到地下水的補充，會產生較大的凍脹變形，嚴重的還會發生凍脹丘、冰椎之類的不良凍害;但如果地下水位埋藏較深，土體在凍結時得不到地下水的補充，此時的凍脹變形就無法發展。對深季節凍土區的路基，凍脹變形既與路基表層的強凍脹帶有關，還與基底土體類型和地下水位埋深有關。

2.2.2 凍脹變形分析

對于深季節凍土區路基的凍脹變形，季節凍土區路基的凍脹變形由兩部分組成:一部分為強凍脹帶內土體凍結時產生的凍脹變形;另一部分為路基基底土體凍結時產生的凍脹變形。若兩種凍脹變形均存在，則一般情況下，以路基基底土體凍結時產生的凍脹變形為主。對于強凍脹帶內土體，由表2路基近頂部土樣中土的組分及比例，可以清楚地看到，總共60組土樣中分別有卵(碎)石土(4組土樣，占 6.67%)、圓(角)礫土(47組土樣，占78.33%)、礫砂(9組土樣，占15.00%)共3種類型，同樣均為粗顆粒土，與多年凍土區路基的凍脹變形特性相同;對于路基基底土體在凍結時產生的凍脹變形則與土體的類型以及地下水位埋深相關。為了解深季節凍土區各類地基土毛細水上升高度，進而確定地基土層在凍結過程中所處的系統狀態，選取了常見的五類地基土樣進行了毛細水上升高度試驗。對于同一類土，粉黏粒含量對毛細水上升高度影響比較明顯，圖4為根據試驗數據繪制的不同土類粉黏粒含量和毛細水上升高度的關系曲線。

圖4 不同土類粉黏粒含量和毛細水上升高度的關系曲線

從圖4看出，粉黏粒含量對不同土類毛細水上升高度的影響是不同的。①粉土中粉黏粒含量對毛細水上升高度的影響最小，細砂和粉砂中粉黏粒含量對毛細水上升高度的影響最大。②細砂、粉砂和圓(角)礫土中，隨粉黏粒含量的增加，毛細水上升高度并不是一直都增加，而是存在一個明顯的拐點，拐點所對應的粉黏粒含量因土質的不同而不同，拐點前后的變化速率也因土質的不同而不同。③礫砂中隨粉黏粒含量的增加，毛細水上升高度逐漸減小。④粉土中隨粉黏粒含量的增加，毛細水上升高度先逐漸減小后逐漸增大。

根據圖4的試驗結果，得出青藏鐵路深季節凍土區(多年凍土區中融區)從里程K948+862～K1 702+300共60組基底土樣的毛細水上升高度，圖5為土樣的毛細水上升高度和地下水位埋藏深度的比較圖。

圖5 路基基底土樣的毛細水上升高度和地下水位埋藏深度的比較(單位:m)

從圖5中可以看出，對于地下水位埋深小于相應基底土的毛細水上升高度的情況，可以分為兩段:第一段出現在多年凍土區中的融區中，里程為K1 234+661～K1 316+533;第二段同樣出現在多年凍土區中的融區中，里程為K1 384+975～K1 426+396。也就是說，根據目前掌握的資料，可以預計到青藏鐵路凍土區中路基的凍脹問題將出現在上述兩個段落中，為方便起見，把上述兩個段落稱之為路基凍脹區域。

3 結論

經過對隨機選取的230個斷面621組土樣的分析，可以認為無論是多年凍土區還是深季節凍土區，路基土體特別是氣候劇烈影響帶內的填土完全是由粗顆粒填料組成，正常情況下凍脹量很小。但考慮到路基的凍脹是一個隨機變量和由于強凍脹帶填料近似處于一個敞開的系統中，大氣降水對其凍脹有著至關重要的影響，如果在暖季末—寒季初大氣降水足夠多并且適時的情況下，即使是粗顆粒土(飽和狀態下)，仍然會產生較可觀的凍脹量。

在里程K1 234+661～K1 316+533和K1 384+975～K1 426+396的多年凍土區中的融區中，敞開系統的條件下，由于基底土體的性質與地下水位埋藏較淺的緣故，推斷出會出現路基的凍脹問題。今后在路基維護時應予以重視。提出了多年凍土區和深季節凍土區(多年凍土區中融區)路基土體的不同凍脹變形模式。

［1］鐘敏輝，王少斌.季節性凍土路基凍脹性分析及治理措施［J］.鐵道建筑，2009(4):96-98.

［2］王春雷，謝強，姜崇喜，等.青藏鐵路凍區鹽漬土熱特性及力學性能分析［J］.巖土力學，2009，30(3):836-839.

［3］童長江，管楓年.土的凍脹與建筑物凍害防治［M］.北京:水利電力出版社，1995:56-60.

［4］馬巍，程國棟，吳青柏.多年凍土地區主動冷卻地基方法研究［J］.冰川凍土，2002，24(5):579-587.