高原寒區(qū)路基邊坡保溫板護(hù)坡應(yīng)用

王 平,李 成

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

在多年凍土區(qū)修筑路基工程后,原有的地氣熱交換條件發(fā)生了變化,其結(jié)果通常是路基的吸熱量增加。路基逐年的熱積累使下伏土體溫度升高、多年凍土融化,從而引起路基下沉變形[1～2]。青藏鐵路格爾木至拉薩段大部分路段通過多年凍土區(qū),由于其熱穩(wěn)定性差,極易造成路基邊坡下沉、變形、開裂等病害[3]。因此,凍土地區(qū)路基邊坡的穩(wěn)定性及其防護(hù)措施的研究具有重要的意義。為了增加路基工程的穩(wěn)定性,通常以保護(hù)多年凍土為原則,即采取各種措施盡量使得路基下伏多年凍土上限不下降。本試驗工程采用泡沫玻璃板鋪設(shè)路塹邊坡,利用其低的熱導(dǎo)性(熱阻)阻止上部熱量進(jìn)入下部土層,從而起到保護(hù)多年凍土的作用。

2 保溫板護(hù)坡試驗工程概況

保溫板護(hù)坡試驗工程位于青藏鐵路北麓河試驗段。本地區(qū)屬青藏高原干旱氣候區(qū),年平均氣溫為 -3.8℃,凍結(jié)期為 9月至次年 5月,天然上限深度為2.0～2.2m,年平均地溫為 -0.67～ -0.83℃,屬高溫不穩(wěn)定區(qū)。該試驗工程位于山前緩坡,地表植被稀疏,表層為棕紅色粉砂,上部為棕紅色黏土,下部以棕紅色全風(fēng)化泥巖為主,局部夾砂巖層。

該工程設(shè)置于路基右側(cè)(陽面)路塹坡面上,路塹邊坡進(jìn)行了換填砂礫層保溫處理,換填厚度 3.4m,邊坡下部設(shè) L型擋墻支撐,坡面上鋪設(shè)泡沫玻璃保溫層,泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)只有一般融土的 1/20左右,泡沬玻璃板尺寸為 0.4m×0.4m×0.04m,如圖1所示。草皮護(hù)坡對比試驗段路塹邊坡同樣進(jìn)行了換填砂礫層處理,換填厚度相同,護(hù)坡草皮是在換填層施工完成后從附近移植覆蓋到換填層上的。

圖1 泡沫玻璃板保溫護(hù)坡結(jié)構(gòu)示意

3 泡沫玻璃板材熱物理性能指標(biāo)

泡沫玻璃隔熱材料的熱物理性能測試結(jié)果見表1。

表1 泡沫玻璃物理熱學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果

4 地溫分析

通過對地溫的觀測,可以掌握坡面下凍土的凍結(jié)狀態(tài)、人為上限及其溫度的變化情況,從而分析泡沫玻璃板護(hù)坡的防護(hù)效果。測試斷面溫度觀測布設(shè)示意如圖2所示。

圖2 測試斷面溫度觀測布設(shè)示意

4.1 保溫板坡面孔地溫分析

圖3是保溫板護(hù)坡 2001年～2004年坡面縱孔地溫。從圖3中可以看出,寒季路塹開挖擾動后地溫下降,2002年 5月邊坡回填完成后地溫回升的情況。由于路塹土方是在寒季開挖施工,所以 2001年 10月坡面下部地溫明顯低于 2002年 10月的觀測結(jié)果。2002年 5月坡面回填完成后氣候進(jìn)入暖季,加之回填土帶來的熱量開始對原有凍土加溫,2002年人為上限比2001年下降近 1.0m。比較 2002年和 2003年同期坡面下部地溫,人為上限相差不大,顯示出了施工對淺層地溫的影響已基本消除,此時的淺層地溫主要受地表年平均溫度和地溫年較差的影響,而深層地溫升溫明顯,說明原來寒季開挖所儲存的“冷量”在施工完成后被支出。2004年邊坡下凍土仍存在升溫趨勢,但升溫速率明顯降低。

圖3 保溫板護(hù)坡 2001年～2004年坡面孔地溫

4.2 邊坡淺層地溫變化分析

圖4為保溫板護(hù)坡代表斷面坡面垂直向下 0.87、1.73、2.60m和 3.47m深度處的地溫變化過程。從圖4中可以看出,泡沫玻璃保溫板鋪設(shè)后,在凍結(jié)期(2002年 9月～2003年 5月),在 2.60、3.47m處地溫保持在較高的負(fù)溫狀態(tài),而淺部地溫自鋪設(shè)保溫板以來呈現(xiàn)較為規(guī)則的正弦波變化態(tài)勢。在融化初期(2003年 5月),0.87m以下土層基本仍處于凍結(jié)狀態(tài),溫度明顯低于鋪設(shè)泡沫玻璃保溫板時(2002年 5月)相同深度處的地溫,且融化深度明顯小,可見鋪設(shè)泡沫玻璃板可有效地阻止地氣之間的熱交換,保護(hù)邊坡下部的多年凍土。

圖4 保溫板護(hù)坡代表斷面邊坡淺層地溫變化

4.3 邊坡深層地溫變化分析

圖5為保溫板護(hù)坡代表斷面坡面垂直向下 6.00 m和 8.68m深度處的地溫變化過程。從圖中可以看出,泡沫玻璃護(hù)坡于 2002年 5月回填完成后,受高溫回填土和氣溫回升的影響,深部土層凍土溫度經(jīng)歷了一個迅速上升的階段,2002年暖季(2002年 5月～2002年 9月),坡面 6.00m深度處升溫約為 1.0℃左右,8.68m深度處升溫也達(dá) 0.3℃。同淺層地溫不同,2002年 9月～2003年 9月,受施工擾動以及高溫回填土層的影響,深層土溫度仍處在一個緩慢上升漸趨穩(wěn)定的狀態(tài),6.00m和 8.68m地溫平行發(fā)展,說明深層地溫在本時段內(nèi)基本趨于穩(wěn)定。2004年后,深層凍土地溫進(jìn)入比較穩(wěn)定的狀態(tài),表明施工對護(hù)坡下地溫的影響已基本消除。護(hù)坡淺 0.87m左右;且其下深部凍土溫度更低,表明2002年 5月鋪設(shè)泡沫玻璃板后,有效地阻止了地氣之間的熱交換,保護(hù)了邊坡下部的多年凍土,從保護(hù)凍土角度而言,泡沫玻璃板護(hù)坡優(yōu)于草皮護(hù)坡。

圖5 保溫板護(hù)坡代表斷面邊坡深層地溫變化

圖6 2003年 9月 19日各斷面坡面孔地溫

圖7 2004年 9月 29日各斷面坡面孔地溫

5 泡沫玻璃板護(hù)坡與草皮護(hù)坡效果對比

表2是泡沫玻璃板護(hù)坡與草皮護(hù)坡下多年凍土人為上限的變化情況。從表2中可以看出,泡沫玻璃板護(hù)坡下多年凍土人為上限年均下降速率小于草皮護(hù)坡下人為上限年均下降速率,說明泡沫玻璃板護(hù)坡在保溫效果及延緩多年凍土退化方面優(yōu)于草皮護(hù)坡。

表2 護(hù)坡下多年凍土人為上限的變化 m

表3是泡沫玻璃板護(hù)坡與草皮護(hù)坡下 2.17m深度處積溫及年平均溫度。從表3中可以看出,泡沫玻璃板護(hù)坡下積溫明顯低于草皮護(hù)坡下積溫,且草皮護(hù)坡下積溫為正值;泡沫玻璃板護(hù)坡和草皮護(hù)坡下的年平均溫度都有上升,相比而言,草皮護(hù)坡的升溫速率更大。

表3 坡面下2.17m深度處積溫和年平均溫度

圖6和圖7分別是 2003年 9月 19日和 2004年 9月 29日泡沫玻璃板護(hù)坡(DK1137+830)和草皮護(hù)坡(DK1138+000)代表斷面坡面孔地溫。從圖6、圖7可以看出,泡沫玻璃板護(hù)坡融化深度基本保持不變,而草皮護(hù)坡融化深度相對 2003年下降了 0.4m左右;2004年 9月 29日泡沫玻璃板護(hù)坡的融化深度較草皮

表4是泡沫玻璃板護(hù)坡與草皮護(hù)坡坡面下表層溫度統(tǒng)計特征。從表4中可以看出,泡沫玻璃板下表層溫度年變幅遠(yuǎn)小于草皮層下表層溫度年變幅,約為草皮護(hù)坡下年變幅的一半;泡沫玻璃板下表層年平均溫度也比草皮下表層年平均溫度低。

表4 護(hù)坡坡面下表層溫度統(tǒng)計特征 ℃

綜上所述,從泡沫玻璃板護(hù)坡與草皮護(hù)坡下表層平均溫度、積溫、護(hù)坡下溫度變化幅度及護(hù)坡下多年凍土人為上限的變化等方面均可以看出,泡沫玻璃板護(hù)坡在保溫效果及延緩多年凍土退化方面優(yōu)于草皮護(hù)坡。

6 結(jié) 論

本試驗工程采用泡沫玻璃板鋪設(shè)路塹邊坡,利用其低的熱導(dǎo)性(熱阻),有效地阻止了地氣之間的熱交換,從而起到保護(hù)多年凍土的作用。從泡沫玻璃板護(hù)坡與草皮護(hù)坡下表層平均溫度、積溫、護(hù)坡下溫度變化幅度及護(hù)坡下多年凍土人為上限的變化等方面分析,泡沫玻璃板護(hù)坡在保溫效果及延緩多年凍土退化方面均優(yōu)于草皮護(hù)坡。

[1]馬 巍,程國棟,吳青柏.青藏鐵路建設(shè)中動態(tài)設(shè)計思路及其應(yīng)用研究[J].巖土工程學(xué)報,2004,26(4):537-540.

[2]中國科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所.凍土路基工程[M].蘭州:蘭州大學(xué)出版社,1988.

[3]中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程技術(shù)[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,2007.