青藏铁路典型冻土湿地断面路基稳定性分析

刘 峰

青藏铁路格拉段唐古拉山越岭方案选择了铁路垭口方案,冻土技术问题的特殊性表现在广布的冻土沼泽湿地和陡(斜)坡湿地等不良冻土地段的筑路技术问题和工程稳定性问题。从东北多年冻土地区既有铁路和俄罗斯西伯利亚贝阿铁路的路基主要病害调查显示,沼泽湿地地段所造成的病害占到总病害的60%～70%,严重影响了铁路的正常运营并大大增加了路基的运营养护支出。本文选择唐古拉山越岭地段典型湿地断面,考虑运营荷载、地震和存在软弱层等不同工况下,进行各自的稳定性评价。

1 冻土路基稳定性分析原理

冻土湿地路基稳定性的理论分析为地基处理和路基工程措施的采用提出了主要的技术指导思想,概括的说有以下几点:1)冻土湿地路基稳定性研究分为水平冻土湿地路基和有一定坡度的斜坡冻土湿地路基;2)冻土湿地路基稳定性包括路基整体稳定性和路基本身变形稳定性;3)冻土湿地路基稳定性影响因素有上部荷载、路基几何尺寸、地表面以下季节融化层岩性和水分、填土性质、路基特殊结构类型;4)冻土湿地路基整体稳定的特殊性在于路基结构条件下多年冻土上限变化、多年冻土温度变化的影响。

土体经多次冻融循环作用,含水量逐渐降低并趋于稳定,初始含水量越大,含水量变化率越高。冻融循环过程中,初始干密度较低时,干密度逐渐增大并趋于稳定;初始干密度较高时,干密度逐渐减小并趋于稳定。在列车荷载、轨道及土重量和各种自然力作用下,特别是水文、气候条件的变化,将引起路基土抗剪强度下降,特别是气候变化和外界干扰造成的冻土融化,会引起冻土地区部分土体中含水量增加,引起路基边坡土体滑动,造成路基破坏。

当多年冻土上限位置下降或基本保持不变时,冻土地区的路基整体稳定性分析可以近似的采用瑞典圆弧条分法,进行不同条件下路基稳定性的检算,计算图示见图1。

2 典型冻土湿地断面路基整体性稳定分析

2.1 断面工程地质特点及路基结构形式

DK1405+700断面属富冰冻土区,冻土上限2.34 m,下部土层主要为角砾土。采用工程措施:路基基底为1.2 m倾填片石层,其上为0.2 m厚碎砾石和0.2 m厚中粗砂反滤层;路基两侧各加宽0.4 m预留沉降量;路堤左侧设1.6 m宽、右侧设0.8 m宽碎石护坡,路堤中心高度3.70 m,路堤断面形式见图2。

2.2 路堤整体稳定分析

1)竣工时稳定性检算。将路堤填料和地基土按图2分区,为计算方便,建立如图3所示的坐标系,按稳定分析理论计算路堤的稳定性,破裂面采用圆弧破裂面。计算时采用的初始条件、圆弧搜索的方法见图3和表1。

表1 条分法稳定性计算初始条件

表2 条分法稳定计算结果

计算结果见表2,结果表明,一般情况下,路堤自身稳定性可以满足稳定性要求,故采用一般路堤边坡设计路堤及边坡。考虑地震载荷,地震烈度按7度、8度考虑,相应的路堤稳定系数计算结果见表3。计算结果表明,在考虑地震影响时也能满足稳定要求。

表3 考虑地震条分法稳定性计算结果

2)运营期稳定性检算。考虑列车荷载作用时,换算土柱高度取2.86 m,宽度取3.2 m,计算图式见图4,表4。

表4 列车荷载作用条分法稳定性计算结果

计算结果表明,列车荷载作用时,路堤自身稳定性可以满足稳定性要求。同样地,如果考虑地震载荷,地震烈度按7度、8度考虑,相应的路堤稳定系数计算结果见表5。

表5 运营期考虑地震条分法稳定计算结果

3)多年冻土上限下降时稳定性检算。该断面取深度为2.34 m,即冻土融化后在上限附近形成一软弱土层。如果让破裂面通过软弱土层,则土体破坏形式见图5,其计算结果见表6。

表6 有软弱层时稳定性计算结果

4)考虑最不利情况。最大冻结深度内土体全部融化,由于地基土体中含水量提高,将导致地基土体强度明显下降(摩擦角下降9°,并丧失粘聚力),由于填料为粗粒土,可认为其强度没发生变化。此时路堤路基稳定性计算结果见表7。

表7 有软弱层时稳定性计算结果

在这种条件下,路堤的稳定性明显降低,但尚能满足稳定要求。如果同时考虑地震因素,稳定计算结果见表8。

表8 有软弱层且考虑地震时稳定性计算结果

此时在7度地区,路堤的稳定系数已不能满足稳定要求,必须对地基土进行进一步处理,如将融化的冻结水及时从地基土体中排出,以防土体强度降低太多。

3 结语

考虑运营荷载和冻土人为上限降低的情形下,典型断面仍能够承受8度的地震水平;考虑最不利情形(考虑路基土体摩擦角下降9°,丧失粘聚力),地震烈度为8度时,路基可能会出现不稳定。

致谢:北京交通大学沈宇鹏讲师在本论文撰写过程中提出了许多宝贵意见,在此表示感谢。

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