青藏鐵路多年凍土區凍脹丘發展特征及其對路基穩定性的影響

王 平

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

1 概述

青藏高原多年凍土區屬于高寒大陸性氣候，具有寒冷、干旱、空氣稀薄、氣候多變、生態環境脆弱和凍土環境敏感的特點［1-3]。從19世紀50年代開始，隨著西藏經濟發展的需求，青藏高原上相繼修建了大量的線性工程，其中青藏公路、輸油管道、輸電線路以及20世紀初修建的青藏鐵路等大型工程對脆弱而敏感的凍土環境產生了很大影響。同時在全球氣候變暖和青藏高原氣溫升高的雙重效應下［4-6]，青藏高原多年凍土開始退化，年平均地溫升高，多年凍土上限下降，融區面積逐年增加［7-9]，凍融現象也呈加劇趨勢。

凍脹丘是寒區工程常見的一種次生病害［10-12]，是由于地下水受凍結地面和下部多年凍土層的遏阻，在薄弱地帶凍結膨脹，使地表變形隆起，也是青藏高原多年凍土區經常可以看到的一種凍土地貌，青藏鐵路沿線的凍脹丘主要以季節性河灘-河床型為主。凍脹丘對路基的破壞主要表現在兩個方面，一是凍脹丘對路基的擠壓或頂托破壞，二是為凍脹提供水源條件，凍脹丘融化后，融水匯聚或滲進路基，造成路基及其周圍土體飽和引起路基凍脹。為了研究凍脹丘對路基的影響，從保護工程安全角度出發，本研究選取青藏鐵路K966+746右側發育的凍脹丘進行監測研究。

2 監測區基本條件

2.1 凍脹丘的形成

該處為斜坡填挖過渡段路基，地勢左低右高，路基右側設置了擋水埝，擋水埝后局部積水，最大積水深度1 m左右，并于融期滲透穿過擋水埝，在擋水埝內側原堆土處產生凍脹，形成類似于凍脹丘的形態(圖1)。丘體規格18.5 m×3.3 m×2.5 m。該丘體表面曾發生過凍脹，并在夏季形成了表面的沉陷、坡面的融化泥流等現象，由于反復的凍脹、融沉，導致在擋水埝坡頂出現長39 m、寬5 cm的裂縫，擋水埝頂面沉降10 cm。該處夏季丘體融水出滲，造成路基右側積水及下沉，下沉范圍22 m×10 m。

圖1 發育的凍脹丘及融水導致地面沉陷

2.2 區域氣象條件

該區氣溫波動較大，氣候寒冷，年平均氣溫-2.5℃，最高氣溫13℃，最低氣溫-19℃，年降雨量200 mm。每年10月中旬到次年4月中旬為凍結期，凍結指數為37.6℃.月(一年內月平均氣溫0℃以下值的累計值)，4月中旬到10月中旬為融化期，融化指數為15.3℃·月(一年內月平均氣溫0℃以上值的累計值)，融凍指數比0.41。

2.3 工程地質條件(圖2)

監測區位于昆侖山北側高山丘陵區處，青藏鐵路K966+746路基右側，海拔4 500～4 800 m，多年凍土厚60～120 m，天然上限0.9～2.3 m，以古冰川、現代冰川及寒凍風化地貌形態為主，凍土不良地質現象發育，主要不良地質現象有融沉、冰椎和凍脹丘等。

該區植被稀少，0～0.3 m草皮層，覆蓋度不足10%，0.3～1 m為黃色黏土層，密實、無砂礫，含水量約15%。1.0～8.6 m為礫砂層，其中，1.0～2.5 m為少冰凍土，體積含冰量10%左右，融化后較松散;2.5～4.5 m為飽冰凍土，體積含冰量50%以上，融化后較松散，有大量水滲出;4.5～8.6 m少冰凍土，泥質結構，密實，錘擊不易碎，呈塑性。8.6 m以下為頁巖沉積層，淺灰色，含少量深灰色砂礫，約10%左右，粒徑均小于5 mm，含水量很小，一般都在5%左右，堅硬、密實。

圖2 地質剖面(單位:m)

2.4 監測設備布設

于2007年9月鉆孔勘察，并布設了地溫、水分、地下水位、分層凍脹及地表變形監測點(圖3)。

3 結果與分析

3.1 土體含水量

由于擋水埝后積水且穿透擋水埝，對路基右側土體造成熱融和軟化影響。表現在土體含水量方面(圖4):由于No.1和No.2號孔多年凍土上限下發育含土冰層，1～4 m深度范圍的土體總含水量顯著高于其他深度，而No.3、4、5號孔盡管相應深度由于含冰量低于No.1、2號孔，含水量也低于 No.1、2號孔。但在No.3、4、5號孔中，1～4 m深度范圍的土體總含水量仍然高于其他深度。

3.2 地溫變化及對路基穩定性影響

圖5為2007年各孔年平均地溫圖，該圖表明，天然條件下測溫孔平均地溫與經擾動后的路基側地溫存在著顯著差異，天然孔不同深度地溫最低，而路基坡腳處檢測孔(No.5)地溫最高。尤其在淺部差異更為顯著，其中天然孔0.5 m深度地溫低于路基坡腳處No.5號孔相同深度地溫2.2℃，15 m深度地溫相差近0.5℃。表明地表擾動及路基側積水對地溫產生了顯著影響。

圖3 監測設備平面布置(單位:m)

圖4 各地溫孔土體總含水量隨深度分布

圖5 2007年年平均地溫曲線

圖6 2007年多年凍土上限深度

在上述溫度差異的影響下，不同位置孔中多年凍土上限埋深也表現出了顯著差異。圖6表明，天然條件下的多年凍土上限為0.75 m，隨著向路基方向的靠近，多年凍土人為上限逐漸加深，至路基坡腳附近上限深度變化至2.3 m。因此，工程活動不僅對地溫造成了影響，也進一步影響到多年凍土上限的分布。在監測場地，擋水埝后水體的滲流也是導致地溫升高和上限深度增加的重要因素。其對工程的危害表現在對路基熱穩定性造成影響，并會通過路基附近土體的逐年沉陷誘發路基穩定性的降低。

3.3 土體含水量變化及對路基穩定性的影響

圖7為丘體不同深度含水量變化情況，表明不同深度的含水量變化趨勢與氣溫變化相一致，融化期間含水量普遍較高，最高達25%;凍結期開始后，土體含水量急劇降低，并在氣溫小于-5℃后土體含水量接近于0%。由于水分探頭無法測量到土體的未凍水含量，所得接近0%含水量的結果表明土體已經完全凍結。土體中水分的變化是導致凍脹和融沉的根本因素，土體完全凍結后基本沒有水分遷移的發生，從而凍脹也會基本停止。

圖7 不同深度水分隨時間變化曲線

圖8 路基側不同深度水分隨時間變化曲線

圖8為靠近路基的路側地面積水、下沉區域土體含水量變化情況。監測顯示，該處土體含水量顯著高于丘體土體，融化期間最大達60%。后期由于探頭在水中的長期浸泡或其他原因，未能得到準確的數據，但初期的數據反映了該處土體處于飽和、過飽和狀態。土體的這種水分狀態對于下伏多年凍土及地面的凍脹和融沉造成了顯著影響，直接的表現為土體溫度的升高和多年凍土上限的下降，并可能在沉降、積水范圍的擴大的情況下，通過側向熱侵蝕對路基穩定性形成危害。

3.4 地面變形及對路基穩定性影響

監測場地地面變形通過定期測量監測斷面布設的7個凍脹板的相對高程變化來確定。自2008年1月至2010年4月期間的變形監測結果如圖9所示。圖中變形點變形與時間關系曲線表明:整體上各點都表現出了冷季的凍脹和暖季的下沉;斷面深層變形相對穩定(No.1、2、7)，淺層變形相對劇烈，尤其在路基側的沉陷區域，以No.6凍脹監測為例，2007～2008年冷季，地面凍脹33 mm，2008年暖季，地面下沉82 mm，2008～2009冷季，地面凍脹33 mm，2009年暖季，地面下沉89 mm，2009～2010年冷季，地面凍脹29 mm。最大凍脹與最大融沉導致地面存在約10 cm的變形。其原因可能是該處為路基右側積水坑，夏季凍脹丘融水匯聚于這里，融化層基本處于飽和或過飽和狀態，所以有較大的融沉量。地面凍結之前，土體含水量仍然較高，所以產生了較大的凍脹量。地面的頻繁上漲和下沉可能會造成路基一定的變形，也可能由凍脹產生的凍脹力側向擠壓路基。

圖9 地面變形監測曲線

3.5 水位水溫監測

圖10是路基坡腳處水位孔水位和水溫隨時間變化情況。從圖中可以看出，路基坡腳處8月初水位比較高，約為-0.15 m，從8月初開始水位波動下降，但在當年9月底，水位重新出現一個高值，之后再次持續下降，當水溫為0℃時水位約為-1.6 m，時間是11月上旬。這一水位變化趨勢是與春季擋水埝后的水體解凍、滲流及夏季降水密切相關的，整體上由于該處一直有水源補給，地下水位較高，不但對下伏多年凍土具有熱影響，也對于其側的路基具有不良影響。表明該處的路基側排水措施需要進一步改進、完善。

4 結論與討論

圖10 路基坡腳水位/水溫隨時間變化曲線

(1)凍脹丘是多年凍土區普遍存在的凍脹現象之一。由于修筑路基可能壓實了地基下的含水層，阻礙了地下水的通道，并且擋水埝等排水設施破壞，在路基高側產生了凍脹丘。

(2)凍脹丘所產生凍脹與融沉的根本原因在于溫度變化導致的土體中的冰-水轉化，結合到工程地質和水文條件，由于土體具有弱凍脹性，擋水埝后積聚的水體滲穿堰體后提供了連續的水源，導致了路基側多年凍土的熱狀況變化，并在周期性的氣溫正負變化過程中導致了地面的凍脹與融沉，在此兩方面的長期影響下，將會對路基的熱穩定性、力學穩定性產生危害。

(3)路基坡腳處水位較高，應加強排水措施截斷地下水，并保持擋水埝排水暢通，阻止地下水流向路基，同時以滲水土填筑路基防止凍脹。

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