青藏鐵路典型凍土濕地斷面路基穩(wěn)定性分析

劉 峰

青藏鐵路格拉段唐古拉山越嶺方案選擇了鐵路埡口方案,凍土技術(shù)問題的特殊性表現(xiàn)在廣布的凍土沼澤濕地和陡(斜)坡濕地等不良凍土地段的筑路技術(shù)問題和工程穩(wěn)定性問題。從東北多年凍土地區(qū)既有鐵路和俄羅斯西伯利亞貝阿鐵路的路基主要病害調(diào)查顯示,沼澤濕地地段所造成的病害占到總病害的60%～70%,嚴重影響了鐵路的正常運營并大大增加了路基的運營養(yǎng)護支出。本文選擇唐古拉山越嶺地段典型濕地斷面,考慮運營荷載、地震和存在軟弱層等不同工況下,進行各自的穩(wěn)定性評價。

1 凍土路基穩(wěn)定性分析原理

凍土濕地路基穩(wěn)定性的理論分析為地基處理和路基工程措施的采用提出了主要的技術(shù)指導思想,概括的說有以下幾點:1)凍土濕地路基穩(wěn)定性研究分為水平凍土濕地路基和有一定坡度的斜坡凍土濕地路基;2)凍土濕地路基穩(wěn)定性包括路基整體穩(wěn)定性和路基本身變形穩(wěn)定性;3)凍土濕地路基穩(wěn)定性影響因素有上部荷載、路基幾何尺寸、地表面以下季節(jié)融化層巖性和水分、填土性質(zhì)、路基特殊結(jié)構(gòu)類型;4)凍土濕地路基整體穩(wěn)定的特殊性在于路基結(jié)構(gòu)條件下多年凍土上限變化、多年凍土溫度變化的影響。

土體經(jīng)多次凍融循環(huán)作用,含水量逐漸降低并趨于穩(wěn)定,初始含水量越大,含水量變化率越高。凍融循環(huán)過程中,初始干密度較低時,干密度逐漸增大并趨于穩(wěn)定;初始干密度較高時,干密度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。在列車荷載、軌道及土重量和各種自然力作用下,特別是水文、氣候條件的變化,將引起路基土抗剪強度下降,特別是氣候變化和外界干擾造成的凍土融化,會引起凍土地區(qū)部分土體中含水量增加,引起路基邊坡土體滑動,造成路基破壞。

當多年凍土上限位置下降或基本保持不變時,凍土地區(qū)的路基整體穩(wěn)定性分析可以近似的采用瑞典圓弧條分法,進行不同條件下路基穩(wěn)定性的檢算,計算圖示見圖1。

2 典型凍土濕地斷面路基整體性穩(wěn)定分析

2.1 斷面工程地質(zhì)特點及路基結(jié)構(gòu)形式

DK1405+700斷面屬富冰凍土區(qū),凍土上限2.34 m,下部土層主要為角礫土。采用工程措施:路基基底為1.2 m傾填片石層,其上為0.2 m厚碎礫石和0.2 m厚中粗砂反濾層;路基兩側(cè)各加寬0.4 m預留沉降量;路堤左側(cè)設1.6 m寬、右側(cè)設0.8 m寬碎石護坡,路堤中心高度3.70 m,路堤斷面形式見圖2。

2.2 路堤整體穩(wěn)定分析

1)竣工時穩(wěn)定性檢算。將路堤填料和地基土按圖2分區(qū),為計算方便,建立如圖3所示的坐標系,按穩(wěn)定分析理論計算路堤的穩(wěn)定性,破裂面采用圓弧破裂面。計算時采用的初始條件、圓弧搜索的方法見圖3和表1。

表1 條分法穩(wěn)定性計算初始條件

表2 條分法穩(wěn)定計算結(jié)果

計算結(jié)果見表2,結(jié)果表明,一般情況下,路堤自身穩(wěn)定性可以滿足穩(wěn)定性要求,故采用一般路堤邊坡設計路堤及邊坡。考慮地震載荷,地震烈度按7度、8度考慮,相應的路堤穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果見表3。計算結(jié)果表明,在考慮地震影響時也能滿足穩(wěn)定要求。

表3 考慮地震條分法穩(wěn)定性計算結(jié)果

2)運營期穩(wěn)定性檢算。考慮列車荷載作用時,換算土柱高度取2.86 m,寬度取3.2 m,計算圖式見圖4,表4。

表4 列車荷載作用條分法穩(wěn)定性計算結(jié)果

計算結(jié)果表明,列車荷載作用時,路堤自身穩(wěn)定性可以滿足穩(wěn)定性要求。同樣地,如果考慮地震載荷,地震烈度按7度、8度考慮,相應的路堤穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果見表5。

表5 運營期考慮地震條分法穩(wěn)定計算結(jié)果

3)多年凍土上限下降時穩(wěn)定性檢算。該斷面取深度為2.34 m,即凍土融化后在上限附近形成一軟弱土層。如果讓破裂面通過軟弱土層,則土體破壞形式見圖5,其計算結(jié)果見表6。

表6 有軟弱層時穩(wěn)定性計算結(jié)果

4)考慮最不利情況。最大凍結(jié)深度內(nèi)土體全部融化,由于地基土體中含水量提高,將導致地基土體強度明顯下降(摩擦角下降9°,并喪失粘聚力),由于填料為粗粒土,可認為其強度沒發(fā)生變化。此時路堤路基穩(wěn)定性計算結(jié)果見表7。

表7 有軟弱層時穩(wěn)定性計算結(jié)果

在這種條件下,路堤的穩(wěn)定性明顯降低,但尚能滿足穩(wěn)定要求。如果同時考慮地震因素,穩(wěn)定計算結(jié)果見表8。

表8 有軟弱層且考慮地震時穩(wěn)定性計算結(jié)果

此時在7度地區(qū),路堤的穩(wěn)定系數(shù)已不能滿足穩(wěn)定要求,必須對地基土進行進一步處理,如將融化的凍結(jié)水及時從地基土體中排出,以防土體強度降低太多。

3 結(jié)語

考慮運營荷載和凍土人為上限降低的情形下,典型斷面仍能夠承受8度的地震水平;考慮最不利情形(考慮路基土體摩擦角下降9°,喪失粘聚力),地震烈度為8度時,路基可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定。

致謝:北京交通大學沈宇鵬講師在本論文撰寫過程中提出了許多寶貴意見,在此表示感謝。

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