青藏铁路路基冻胀变形特点的研究

高志华，石 坚，罗丽娟

(长安大学 建筑工程学院，西安 710061)

冻土区的路基病害严重威胁寒区铁路的运营安全，其主要病害形式是冻土区路基的冻胀与融沉。对于冻土的冻胀问题，国内外学者曾做过大量的研究工作，对冻胀受温度、土质成分、土体含水率、土中易溶盐含量、交换阳离子成分、冻结速率的影响、以及冻胀与外部荷载应力的关系作了深入的探讨，提出了许多计算冻胀的方法和公式以及冻土地区工程结构物的破坏特征，并相应地提出一些冻害防治措施［1-4］。但是这些研究多是集中在试验理论及寒区公路工程上，对已经运营的青藏铁路路基冻胀现状的类似研究还未见报道，鉴于此，在青藏铁路多年冻土区和深季节冻土区中随机选择了230处路基断面，取土样621组，分析了土样组分及比例，得出了青藏铁路不同的冻土区段路基冻胀变形分布特点。

1 土样的类别及数量

1.1 土样

鉴于多年冻土区和季节冻土区冻胀特征的不同，分别在青藏铁路高原多年冻土区的西大滩(多年冻土北界 K951+578)～安多(多年冻土南界K1 497+845)段和深季节冻土区的安多(K1 505+000)～那曲(K1 702+300)段随机选择了230处路基断面，进行了621组土样的取样以及相应的含水率、密度、颗粒分析、液限和塑限等试验，所取土样的类别及数量见表1，现场取样位置如图1，由于路基是分层填筑碾压而成的，保证所取土样能代表路基及地基邻近土层的实际情况。

表1 取土样的类别及数量 组

图1 路堤取样点示意(单位:cm)

1.2 土样的类型

根据中华人民共和国行业标准《铁路工程岩土分类标准》(TB10077—2001、J123—2001)的规定，取自于路基近顶部、路基中部和路基坡脚以下地基土样，各类土样的类型及所占的比例分别见表2、表3和表4。

综合表2和表3可以看出，无论多年冻土区、多年冻土区中的融区还是深季节冻土区的路基，其填料绝大多数采用了符合路堤填土要求的卵(碎)石土、圆(角)砾土和砾砂。填土中对冻胀较敏感的粉砂(共2组土样)，仅在路基近顶部和路基中部(两个部位共计有391组土样)的土样中占了约0.5%。

表2 路基近顶部土样中土的类型及比例

表3 路基中部土样中土的类型及比例

表4 地基土样中土的类型及比例

从表4中可以看出，多年冻土区、多年冻土区中融区和深季节冻土区地基土的种类分别为6种、6种和5种，仍以圆(角)砾土和砾砂为主。但其中对冻胀较敏感的粉砂及粉土分别为48组土样(占总土样数170组的28.23%)、7组土样(占总土样数36组的19.45%)和9组土样(占总土样数36组的37.49%)，与路基的填料存在较大差异，说明一些路基地基土工程性质较差，对冻胀较敏感。

2 青藏铁路路基的冻胀变形特征

2.1 多年冻土区路基的冻胀变形

2.1.1 冻胀变形模式

在多年冻土区，寒季初，随着路基周围气温的逐渐降低，路基土体开始冻结。这种冻结的发生是双向的，一方面由路基表层开始，冻结向下逐渐延伸;另一方面，冻结也会从多年冻土这个巨大的冷源的上表面向上延伸，最终冻结过程结束时的状态分析如图2。

图2 多年冻土区路基寒季冻结过程中的状态分析

由图2可以看出，多年冻土区路基在寒季冻结过程中，表层土体最先开始冻胀，并且是冻融交替，冻结状态逐渐向下延伸。对于较低的多年冻土路堤，当冻结过程向下延伸，最终达到稳定状态时，整个季节活动层全部冻结，在已冻结的深度内，存在一个强冻胀厚度(本文称之为强冻胀带)。一般情况下，这个强冻胀带约为全部冻深(季节活动层)的 1/3～1/2，可包括70% ～90%的冻胀量，这是由于在冻结的过程中，路堤上部逐渐向下冻结，下部的未冻结部分由于其中的水分向冻结锋面迁移，而造成下部未冻土中水分减少，冻胀减弱;对于路基高度相对较高的多年冻土区路基，当冻结过程向下延伸达到稳定状态时，季节活动层与多年冻土之间可能存在着融化夹层，同时它们对融化夹层形成包裹的状态，外来水分无法进入。由于融化夹层中土的相对高温状态随着时间的延续而逐渐解除，融化夹层最终消失，季节活动层会有所调整，强冻胀带的冻深也会有所变化。根据冻胀量随深度变化的规律，强冻胀带内实现的冻胀量增加值不会太大。所以，对于多年冻土区的路基来讲，只有属于强冻胀带内的部分路基基床土体冻结时产生的冻胀变形才会对路基的冻胀变形产生影响，应重点研究强冻胀带内土体冻结时引起的路基冻胀变形。

2.1.2 冻胀变形分析

多年冻土区路基的冻胀变形来源于路基表层的土体。青藏铁路多年冻土区路基近顶部总共170组土样分别为卵(碎)石土(4组土样，占2.35%)、圆(角)砾土(142组土样，占 83.53%)和砾砂(24组土样，占14.12%)，均为粗颗粒土，故无论在开放系统中还是封闭的系统中，冻胀量都是可以忽略不计的。不过在完全敞开的系统之中，大气降水对其有着至关重要的影响，即使是粗颗粒土(饱和状态下)，其冻胀量也是比较可观的，所以要注意路基表面的排水。

2.2 深季节冻土区(多年冻土区中的融区)路基的冻胀变形

2.2.1 冻胀变形模式

多年冻土区中的融区路基与深季节冻土区路基的情况大致相同。与多年冻土区路基不同的是，深季节冻土区地基土中不存在多年冻土，其冻结过程与多年冻土区路基的冻结过程不同。在寒季初，随着路基周围气温的逐渐降低，路基土体从表层起开始冻结，与多年冻土区路基土体的双向冻结不同，这种冻结是单向的，即由路基表层开始，向下逐渐延伸，最终达到最大冻结深度。图3为深季节冻土区(多年冻土区中的融区)路基寒季冻结过程中的状态分析。

图3 深季节冻土区路基寒季冻结过程中的状态分析

从图3中可以看到，深季节冻土区路基在寒季冻结过程中，其冻结过程是由上而下单向完成的。自上而下的冻结完成后，此时的路基仅在其表层形成了冻结硬壳，冻结硬壳隔断了地表水进入路基土体内的可能，但由于没有下覆多年冻土的存在，路基中尚未冻结的路基土体在其下部仍与没有冻结的地基土体相连接、相贯通，所以无论是细颗粒土还是含有一定粉黏粒的粗颗粒土，只要地下水位埋藏较浅，地下水沿基底土体的毛细水通道可达未冻路基土体中，那么在路基土体冻结时可以源源不断地得到地下水的补充，会产生较大的冻胀变形，严重的还会发生冻胀丘、冰椎之类的不良冻害;但如果地下水位埋藏较深，土体在冻结时得不到地下水的补充，此时的冻胀变形就无法发展。对深季节冻土区的路基，冻胀变形既与路基表层的强冻胀带有关，还与基底土体类型和地下水位埋深有关。

2.2.2 冻胀变形分析

对于深季节冻土区路基的冻胀变形，季节冻土区路基的冻胀变形由两部分组成:一部分为强冻胀带内土体冻结时产生的冻胀变形;另一部分为路基基底土体冻结时产生的冻胀变形。若两种冻胀变形均存在，则一般情况下，以路基基底土体冻结时产生的冻胀变形为主。对于强冻胀带内土体，由表2路基近顶部土样中土的组分及比例，可以清楚地看到，总共60组土样中分别有卵(碎)石土(4组土样，占 6.67%)、圆(角)砾土(47组土样，占78.33%)、砾砂(9组土样，占15.00%)共3种类型，同样均为粗颗粒土，与多年冻土区路基的冻胀变形特性相同;对于路基基底土体在冻结时产生的冻胀变形则与土体的类型以及地下水位埋深相关。为了解深季节冻土区各类地基土毛细水上升高度，进而确定地基土层在冻结过程中所处的系统状态，选取了常见的五类地基土样进行了毛细水上升高度试验。对于同一类土，粉黏粒含量对毛细水上升高度影响比较明显，图4为根据试验数据绘制的不同土类粉黏粒含量和毛细水上升高度的关系曲线。

图4 不同土类粉黏粒含量和毛细水上升高度的关系曲线

从图4看出，粉黏粒含量对不同土类毛细水上升高度的影响是不同的。①粉土中粉黏粒含量对毛细水上升高度的影响最小，细砂和粉砂中粉黏粒含量对毛细水上升高度的影响最大。②细砂、粉砂和圆(角)砾土中，随粉黏粒含量的增加，毛细水上升高度并不是一直都增加，而是存在一个明显的拐点，拐点所对应的粉黏粒含量因土质的不同而不同，拐点前后的变化速率也因土质的不同而不同。③砾砂中随粉黏粒含量的增加，毛细水上升高度逐渐减小。④粉土中随粉黏粒含量的增加，毛细水上升高度先逐渐减小后逐渐增大。

根据图4的试验结果，得出青藏铁路深季节冻土区(多年冻土区中融区)从里程K948+862～K1 702+300共60组基底土样的毛细水上升高度，图5为土样的毛细水上升高度和地下水位埋藏深度的比较图。

图5 路基基底土样的毛细水上升高度和地下水位埋藏深度的比较(单位:m)

从图5中可以看出，对于地下水位埋深小于相应基底土的毛细水上升高度的情况，可以分为两段:第一段出现在多年冻土区中的融区中，里程为K1 234+661～K1 316+533;第二段同样出现在多年冻土区中的融区中，里程为K1 384+975～K1 426+396。也就是说，根据目前掌握的资料，可以预计到青藏铁路冻土区中路基的冻胀问题将出现在上述两个段落中，为方便起见，把上述两个段落称之为路基冻胀区域。

3 结论

经过对随机选取的230个断面621组土样的分析，可以认为无论是多年冻土区还是深季节冻土区，路基土体特别是气候剧烈影响带内的填土完全是由粗颗粒填料组成，正常情况下冻胀量很小。但考虑到路基的冻胀是一个随机变量和由于强冻胀带填料近似处于一个敞开的系统中，大气降水对其冻胀有着至关重要的影响，如果在暖季末—寒季初大气降水足够多并且适时的情况下，即使是粗颗粒土(饱和状态下)，仍然会产生较可观的冻胀量。

在里程K1 234+661～K1 316+533和K1 384+975～K1 426+396的多年冻土区中的融区中，敞开系统的条件下，由于基底土体的性质与地下水位埋藏较浅的缘故，推断出会出现路基的冻胀问题。今后在路基维护时应予以重视。提出了多年冻土区和深季节冻土区(多年冻土区中融区)路基土体的不同冻胀变形模式。

［1］钟敏辉，王少斌.季节性冻土路基冻胀性分析及治理措施［J］.铁道建筑，2009(4):96-98.

［2］王春雷，谢强，姜崇喜，等.青藏铁路冻区盐渍土热特性及力学性能分析［J］.岩土力学，2009，30(3):836-839.

［3］童长江，管枫年.土的冻胀与建筑物冻害防治［M］.北京:水利电力出版社，1995:56-60.

［4］马巍，程国栋，吴青柏.多年冻土地区主动冷却地基方法研究［J］.冰川冻土，2002，24(5):579-587.