青藏鐵路多年凍土區(qū)塊石氣冷路堤結構的試驗研究

青藏鐵路多年凍土區(qū)塊石氣冷路堤結構的試驗研究

1青藏鐵路采用塊石路堤結構的研究清藏鐵路穿越500公里長的多年制凍土帶，年平均地溫1.0的多年制凍土帶為275km，高含冰量凍土類型為221km，高含冰量凍土帶為124km。在很大程度上，高含冰量凍土帶的融化和下沉是解決高原高含冰量問題的重要依據(jù)。解決高含冰量問題的主要途徑是確保高含冰量的穩(wěn)定性，不應將凍土的上限或下降，以避免冷土基質硬化和土壤溶合，確保路的穩(wěn)定。青藏鐵路采用冷卻方式，積極保護多年制凍土，通過調節(jié)錯誤差、輻射和傳導等換熱機制有效降低多年制凍土的溫度，提高多年制凍土的上限。塊石氣冷路堤結構是最典型的冷卻路基的工程措施,它包括塊石路堤、塊石護坡路堤和二者綜合使用的“U”型路堤(圖1).塊石氣冷路堤結構利用塊石層內(nèi)的冷熱空氣對流效應來降低下部土體的溫度,夏季塊石層內(nèi)空氣起隔熱作用,冬季進入塊石層內(nèi)冷空氣向下,熱空氣上升,產(chǎn)生冷熱空氣對流,冬夏兩季相當于可控熱二極管作用,較好地控制了多年凍土熱穩(wěn)定性.目前,青藏鐵路多年凍土區(qū)有60%以上的凍土路段采用了塊石氣冷路堤結構.1969\_1970年,前蘇聯(lián)鐵路運輸研究院斯科沃羅丁凍土研究試驗室根據(jù)實測資料提出:用大塊碎石修筑的路堤較之用其它類型土修筑的路堤,其基底土的溫度大大降低,并用Balch效應解釋了這一現(xiàn)象.1973年原中國科學院蘭州冰川凍土研究所在青海省熱水煤礦的厚層地下冰地段用直徑0.3m的塊石修筑了高2.7m的試驗路堤,觀測表明,塊石路堤有明顯的降低地溫的效果.鐵道部科學研究院西北分院曾于20世紀60-70年代在青藏高原風火山進行過塊石填筑路基的現(xiàn)場試驗研究,結果認為,塊石層的有效導熱系數(shù)在冬季和夏季具有明顯的區(qū)別,塊石層的有效導熱系數(shù)在冬季是夏季的12.2倍.1997年,Rooney介紹了貝阿鐵路使用塊石路堤的經(jīng)驗.1996—2001年,阿拉斯加大學完成了塊石路堤的數(shù)值模擬和實體工程試驗,監(jiān)測效果表明,塊石路堤5a間使路基下部土體溫度降低了4.4℃.我們的室內(nèi)模型試驗和數(shù)值結果也表明,這種由塊石組成的路堤結構均能不同程度的抬升多年凍土上限,降低地溫.綜觀研究歷史,可以確信塊石路堤能夠降低其下覆土體溫度,達到保護凍土的作用.青藏鐵路采用塊石氣冷路堤結構也是以這些研究結果為理論依據(jù)的.但是,仔細分析以上的研究結果可發(fā)現(xiàn),他們的結果是基于路堤結構全部為塊石層.而青藏鐵路采用的塊石氣冷路堤結構是與素土填料綜合使用,即塊石路堤結構是塊石層上部有不同厚度路堤填料層;塊石護坡路堤結構是不同高度的素土路堤邊坡鋪設一定厚度的塊石層;“U”型路堤是塊石路堤邊坡上再鋪設一定厚度的塊石層.雖然短期的監(jiān)測結果表明,青藏鐵路這種塊石氣冷路堤結構可以抬升凍土上限,但是能否有效地降低土體的溫度,長期效果如何,不同溫度凍土分區(qū)中的作用如何等問題是目前青藏鐵路塊石路基修筑迫切需要回答的.針對這個問題,我們先后在青藏鐵路多年凍土區(qū)布設了較多的監(jiān)測斷面,以監(jiān)測塊石氣冷路堤下溫度場的變化.通過不同凍土區(qū)監(jiān)測結果的分析和評價,確定冷卻路基的降溫效果和趨勢,進而評價其長期冷卻效果.2高溫穩(wěn)定凍土區(qū)icp青藏鐵路暫規(guī)定以-1.0℃作為高、低溫凍土的界限,并將凍土分為4個區(qū),當年平均地溫Tcp≥-0.5℃為高溫極不穩(wěn)定凍土區(qū)(I區(qū));當-1.0℃≤Tcp<-0.5℃為高溫穩(wěn)定凍土區(qū)(II區(qū));當-2.0℃≤Tcp<-1.0℃為低溫基本穩(wěn)定凍土區(qū)(III區(qū));當Tcp<-2.0℃為低溫穩(wěn)定凍土區(qū)(IV區(qū)).本文基于不同的凍土分區(qū),在青藏鐵路多年凍土區(qū)選擇了8個塊石氣冷路堤監(jiān)測斷面,監(jiān)測斷面位置、路堤結構和斷面所處位置的凍土狀況如表1所示.所有監(jiān)測斷面中,塊石路堤結構中塊石層厚度為1.2m,塊石護坡路堤中塊石層厚度為0.8m,塊石粒徑30～40cm.3監(jiān)控結果和分析3.1凍土上限上升和下地溫上升的變化DK1102+000和DK1160+592為IV區(qū)的兩個監(jiān)測斷面,分別為塊石路堤加塊石護坡路堤(“U”型結構路堤)和塊石路堤,年平均地溫分別為-2.4℃和-2.1℃,路基高度分別為3.6m和6.55m.圖2和圖3分別為“U”型結構路堤和塊石路堤的路中心測孔的溫度分布.由圖2可看到,從2002年到2004年路基中心下的凍土上限從-1.8m抬升到2.1m,上升了3.9m.在上限上升的同時,下部地溫也在逐年升高,如10m處的地溫從2002年9月的-2.79℃上升到2004年的-2.07℃.但是與2003年相比,到2004年地表下10m以下地溫與之持平,而10m以上的地溫呈現(xiàn)出下降的趨勢,如5m處的地溫從2003年9月的-0.84℃下降到2004年的-1.41℃.從圖3可看到,2002年到2004年路基中心下的凍土上限從-1.5m抬升到3.8m,上升了5.3m.在上限上升的同時,下部地溫也在逐年升高,如8m處的地溫從2002年10月的-2.42℃上升到2004年的-2.0℃.但是與2002年相比,到2003年地表下0～6m處的地溫呈現(xiàn)出下降的趨勢;與2003年相比,到2004年地表下10m以下地溫與之持平,而2.5m以上的地溫呈現(xiàn)出下降的趨勢.圖4和圖5分別給出了這兩個監(jiān)測斷面的路堤中心測孔不同深度溫度隨時間的變化.由圖可看到,由于塊石的作用,路堤底部以下不同深度處均出現(xiàn)逐年負溫積累,且積累較大,這有利于凍土降溫.另外,從圖5也注意到,2002年11月-2003年3月間地表以下土體有一次較大的降溫,這是由于11月份塊石施工完成后,放置一個冬季后,上部再填土.這說明了塊石路基上部填土對塊石冷卻效果有很大的影響.3.2路基中凍土上限、下地溫和年際變化DK1053+600和DK1141+374為III區(qū)的兩個監(jiān)測斷面,分別為塊石路堤加塊石護坡(“U”型結構路堤)和塊石護坡路堤,年平均地溫分別為-1.5℃和-1.36℃,路基高度分別為3.3m和4.84m.圖6和圖7分別為“U”型結構路堤和塊石護坡路堤的路中心測孔的溫度分布.由圖6可看到,從2002年到2004年路基中心下的凍土上限從-2.6m抬升到-0.6m,上升了2m.在上限上升的同時,下部地溫也在逐年升高,如8m處的地溫從2002年10月的-1.49℃上升到2004年的-1.28℃.但是與2003年相比,到2004年地表下5m以上的地溫呈現(xiàn)出下降的趨勢,如2m處的地溫從2003年10月的-0.29℃下降到2004年的-0.57℃.由圖7可看到,從2002年到2004年路基中心下的凍土上限從-0.4m抬升到1.2m,上升了1.6m.在上限上升的同時,下部地溫也在逐年升高,如9m處的地溫從2002年10月的-1.4℃上升到2004年的-1.18℃.但是,0～4m處的地溫已逐年下降,如地表下1.5m處的地溫從2002年10月的-0.13℃下降到2003年的-0.29℃再到2004年的-0.43℃.圖8和9分別給出了這兩個監(jiān)測斷面的路堤中心測孔不同深度溫度隨時間的變化,可看到,由于塊石的作用,路堤底部以下不同深度處均出現(xiàn)逐年負溫積累,這有利于凍土降溫.而且,“U”型結構路堤下的負溫積累要遠遠大于塊石護坡路堤的負溫積累.3.3路基中凍土上限的變化DK1191+770和DK1272+120為II區(qū)的兩個監(jiān)測斷面,分別為塊石路堤和塊石護坡路堤,年平均地溫分別為-0.54℃和-0.8℃,路基高度分別為3.7m和3.6m.圖10和圖11分別為塊石路堤和塊石護坡路堤的路中心測孔的溫度分布.由圖10可看到,從2003年到2004年路基中心下的凍土上限從-1.0m抬升到-0.6m,上升了0.4m,但下部的地溫變化不大.由圖11可看到,從2002年到2004年路基中心下的凍土上限從-2.8m抬升到-1.5m,上升了1.3m,但是2003年到2004年,上限基本沒發(fā)生變化.在上限上升的同時,下部地溫也在逐年升高,如6.5m處的地溫從2002年10月的-0.89℃上升到2004年的-0.54℃.2002-2003年間,1.5～3.0m處出現(xiàn)一“零溫帶”.圖12和圖13分別給出了這兩個監(jiān)測斷面的路堤中心測溫孔不同深度溫度隨時間的變化.由圖12可以看到,塊石的作用不明顯,逐年負溫積累變小,不利于下伏凍土降溫,但是負溫積累保持在-0.2℃左右.由圖13可看到,由于塊石的作用,0.5m處存在一定的負溫積累,但0.5m以下幾乎沒有負溫積累,這不利于凍土降溫,但是負溫積累保持在-0℃左右,這對路基穩(wěn)定性來講,是比較危險的.3.4路基中凍土溫的變化DK1273+455和DK1297+930為I區(qū)的兩個監(jiān)測斷面,分別為塊石護坡路堤和塊石路堤加塊石護坡(“U”型結構路堤),年平均地溫分別為-0.5℃和-0.46℃,路基高度分別為4.0m和5.7m.圖14和15分別為塊石護坡路堤和“U”型結構路堤的路中心測孔的溫度分布.由圖14可以看到,從2002年到2004年路基中心下的凍土上限從-2.8m抬升到-1.0m,上升了1.8m.在上限上升的同時,下部地溫也在逐年升高,如6.5m處的地溫從2002年10月的-0.48℃上升到2004年的-0.4℃.2002\_2003年間,1.0～2.5m處出現(xiàn)一“零溫帶”.由圖15可看到,從2002年到2004年路基中心下的凍土上限從-2.2m抬升到-0.4m,上升了1.8m.在上限上升的同時,除0～6m段變化略大一些外,下部地溫變化不大.2003\_2004年間,地溫變化很小.圖16和圖17分別給出了這兩個監(jiān)測斷面的路堤中心測孔不同深度溫度隨時間的變化.由圖16可看到,由于塊石的作用,0～1.0m處存在2003年上半年存在很少的負溫積累,但以后幾乎與外界沒有熱交換,負溫積累很少.由圖17可看到,塊石作用下幾乎與外界沒有熱交換,沒有負溫積累.兩種狀況下路堤基地下凍土溫度均在0℃附近波動,這很不利于下部凍土降溫.而且對路基穩(wěn)定性來講,是比較危險的.4不同種類塊石路堤結構對凍土溫度的影響塊石路堤結構(塊石路基、塊石護坡、塊石路基加塊石護坡)是青藏鐵路凍土區(qū)的主要措施,要判斷它們的降溫效果不僅要注意上限的抬升情況,而且更要關注其下部地溫是否有負溫積累.由前面的各圖和表2可看到,塊石結構路堤下凍土上限已抬升了1.4～5.3m,這說明在4種不同分區(qū)的多年凍土地段,塊石路堤結構均起到了積極調節(jié)下部凍土的作用.但是也看到了,在上限抬升的同時,其下部的凍土地溫也在升高,但是這種過程已逐漸被塊石路堤結構的降溫所抑制,而這種抑制程度受控于不同的凍土區(qū)域.在不同的凍土分區(qū)中,無論是何種形式的塊石路堤結構,其降溫趨勢是不同的,IV和III區(qū)塊石路堤基底的負溫積累比較明顯,而I和II區(qū)的較弱.這從理論上比較容易解釋,由于塊石路堤結構降低下伏凍土地溫的原理是基于外界的強迫對流和內(nèi)部的自然對流,當外界氣溫與路基中土體溫度差值較大時,可通過對流降低下部土體溫度,但隨著內(nèi)外溫度差值的減小,對流減弱,因而會造成逐年降溫幅度的減小.圖12、13、16、17也明顯反映了這一過程,路堤基底溫度在初始階段降溫幅度很大,而后逐漸減小.如果隨著全球氣候升溫的加劇,IV和III區(qū)中的塊石路堤結構也將會演化為I和II區(qū)的變化趨勢.圖18匯總了不同地區(qū)的塊石氣冷路堤中心測溫孔原凍土上限處溫度隨時間的變化曲線,可看到,多年凍土上限附近溫度變化明顯地劃分出了3個層次,第一層次是低溫極穩(wěn)定型多年凍土,上限溫度降溫趨勢最強,其次是低溫基本穩(wěn)定型多年凍土,最后是高溫不穩(wěn)定型多年凍土.說明年平均地溫越低降溫趨勢越顯著,多年凍土上限附近“冷量”積累最大,隨著年平均地溫升高,多年凍土上限附近“冷量”基本無積累過程,也就是說I區(qū)的凍土降溫效果最弱,這也就是我們在I區(qū)的高含冰量地段選用“旱橋”的原因.總之,塊石路堤結構是一種有效的降低凍土地溫的措施,它有利于凍土路基的穩(wěn)定性.5不同種類塊石路堤的降溫特性(1)塊