凍土區鐵路路基工程概述

摘要：在多年凍土區修筑鐵路，將面臨許多技術難題。首先是隨氣溫的年際變化而產生的凍脹和融沉問題;其次是工程建設對多年凍土地基的熱干擾;最后是鐵路路基周圍水熱環境的變化以及各種次生不良凍土現象的影響。此外，全球性的氣候變化也將改變多年凍土地基的生存條件，進而影響鐵路路基的穩定性。

關鍵字：凍土區;鐵路路基;工程

1 引言

近40多年來，全球氣候出現轉暖趨勢，在這種氣候條件影響下，我國多年凍土也出現了年平均地溫升高，季節融化層厚度加大，多年凍土產生了不同程度的衰變和退化。多年凍土的這些變化對鐵路路基工程的穩定是極不利的。多年凍土的退化和融化將伴隨鐵路路基的下沉和破壞，而較厚的季節融化層的凍結又將出現較大的凍脹變形。

2 影響凍土區鐵路路基的潛在因素

鐵路路基是承受并傳遞軌道重力及列車動態作用的結構，是軌道的基礎，是保證列車運行的重要建筑物。路基是一種土石結構，處于各種地形地貌、地質、水文和氣候環境中，有時還遭受各種災害，如洪水、泥石流、崩塌、地震等。鐵路路基是承受并傳遞軌道重力及列車動態作用的結構，是軌道的基礎，是保證列車運行的重要建筑物。路基是一種土石結構，處于各種地形地貌、地質、水文和氣候環境中，有時還遭受各種災害，如洪水、泥石流、崩塌、地震等。

2.1 幾何不對稱性

修筑于斜坡上的凍土鐵路路基，由于地勢的限制，路堤兩側邊坡及天然地表在幾何上表現為強烈的不對稱，由此導致路堤兩側受太陽直接輻射的面積和與大氣直接接觸的面積均存在很大的差異，鐵路路基溫度場呈強烈的不對稱。青藏鐵路存在許多這種斜坡路堤，其鐵路路基溫度場的不對稱狀態十分典型。根據過去的研究，路堤在上坡側的凍土人為上限埋深小于路面中軸線上人為上限的埋深，而路堤在下坡側的凍土人為上限埋深大于路面中軸線上人為上限的埋深。融化季節路堤下凍融分界面為一傾斜的滑動面，融化狀態持續的時間較長，這很容易引起路堤滑動或突陷。過去的研究工作表明，在年平均氣溫低于-4.5℃的凍土區，若忽略氣候持續變暖對地表及凍土地溫的影響，則計算所得斜坡不對稱鐵路路基溫度場逐年變化很小，但當氣候變暖時這種變化將加大，需要通過增加地基冷儲量的方式(如使用遮陽棚路基結構，片石氣冷路基結構和熱棒路基結構等，并調整其結構設計參數來抵御和防治.

2.2 溫度場

鐵路路基南坡與北坡或東坡與西坡接收太陽輻射和傳熱的差異導致路堤兩側融化深度也存在一定的差異，鐵路路基溫度場表現為明顯的不對稱。事實上，任意走向的凍土鐵路路基兩側表面溫度均存在一定的差異，只是差異的大小不同而己，嚴格意義上的對稱鐵路路基是不存在的，對青藏鐵路已經先期施工的試驗段路基地溫場的觀測資料說明了這種不對稱溫度場的存在。當鐵路路基溫度場呈強烈的不對稱時，冬季由于未凍水的不等量遷移作用，路基陰陽坡兩側的含水量和凍結深度都將產生差異，使鐵路路基產生明顯的不均勻凍脹，而暖季融化開始時，凍土路基中將形成傾斜的凍融滑動面，在填土荷載作用下(運營過程中還將受到列車的振動荷載作用)下，融化后含水量較大甚至處于飽和狀態的粘性土易沿凍結面擠出，造成鐵路路基陽坡側路肩及邊坡開裂、下滑，影響鐵路路基的穩定性。為此，工程結構應該以增加土層冷儲量、提高凍土上限，減少發生沉降土層厚度，減少坡向因素造成的橫向變形不均勻(主要由不對稱溫度場造成)，加強融化深度較深的坡腳處的保護性措施為主要方向。片石氣冷路基、片石護坡路基、通風管路基、熱棒路基都是這類工程結構。除了上述作用，他們還能夠不同程度地減小土層溫度較差、降低土層溫度、減少水分遷移，從而減少寒凍裂縫的發生。

凍土區鐵路路基工程狀態變化是一個綜合的熱學和力學過程，凍土區工程施工和運營的不同階段，鐵路路基和多年凍土之間的熱交換特征和熱平衡結果都有各自不同的特點，這些特點影響著鐵路路基工程狀態的發生發展過程并影響其最終結果。鐵路路基工程狀態發展的主要因素:首先是由鐵路路基結構形式(主動降溫或被動保溫)和多年凍土年平均地溫主導的冷生過程及其冷生結果(鐵路路基凍融交界面形態和多年凍土上限形態);其次是拉動裂縫發展的鐵路路基周圍水熱環境。

3 凍土鐵路路基破壞原理

區域氣候特點影響下的淺層土體地溫和較差，填土性質和含水量;對典型地段所作的填土力學性質試驗和對比鐵路路基工程狀態變化說明，無論是由于鐵路路基橫向融沉變形不均勻造成的錯位剪切力，還是因為寒凍風化產生的張拉力，都通過填土施加，因此填土的性質尤其是抗剪、抗張拉力學強度性質成為一定條件下的決定性因素。

氣溫升高將對上述病害產生起到催化、加劇的作用。年平均氣溫反映了各地區地表輻射、熱量平衡和大氣環流的特點，是影響土體溫度的主要因素，當前在溫室氣體的影響下全球氣溫正在升高已是不爭的事實。據IPCC估計，21世紀全球平均氣溫將增加約2.5℃，可能的變化范圍為1.4-5.8℃。

凍土鐵路路基穩定狀態的破壞與凍土本身的溫度、含冰量性質有關。地下冰最為集中分布在多年凍土上限附近，修筑路堤后引起多年凍土上限變化，其結果就會造成地下冰融化，導致路堤產生融化下沉破壞。由于地下冰受多因素控制，在空間上形成不均勻的和不同的含冰狀態。這種不同的含冰狀態直接影響著凍土鐵路路基的穩定，而富冰、飽冰凍土和含土冰層一旦融化就會對工程產生巨大的破壞。對于其他類型工程建筑物(比如橋涵、路塹、高邊坡等)來說，高含冰量凍土的影響同樣是極為關鍵的問題。

在鐵路路基穩定性方面，還必須同時面臨凍融災害問題，即不良凍土現象。這些與凍融過程有關的不良地質現象，當它們威脅到鐵路安全運營和工程穩定性時，就演變為一種工程災害。這種工程災害主要與地下冰、凍融過程和凍土溫度有關。特別是在高含冰量、高溫多年凍土的斜坡地段，微弱的工程熱擾動可能就會引起凍土區斜坡穩定性變化，對于這樣一些地表敏感性極強的多年凍土地段，工程勘測、設計和施工都應給予極大的重視。對于斜坡地段出現的冰椎、凍脹丘，對工程的危害非常大，常會導致鐵路的破壞和運營的中斷。對于鐵路路基附近出現的冰椎、凍脹丘，常會引起鐵路路基產生凍脹問題，也應對其予以足夠的重視，并針對具體情況給出其防治措施.

參考文獻

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