岩土工程论文

1、PAGE PAGE 15岩土工程 青藏铁路冻冻土区地地基处理理摘要：青藏藏铁路是是目前世世界上海海拔最高高、横跨跨冻土区区最长的的铁路，地地基处理理是建设设铁路过过程中的的一大挑挑战，这这其中涉涉及到多多种地基基处理技技术。本文重点描描述青藏藏铁路的的多年冻冻土的工工程分类类、主要要病害类类型及路路基设计计原则，重重点介绍绍了高含含冰量冻冻土地段段路基处处理的各各种技术术措施。关键词 青青藏铁路路 多年年冻土 技术措措施一.青藏铁铁路概况况青藏铁路由由青海省省西宁市市至西藏藏自治区区拉萨市市，全长长19556公里里，其中中，西宁宁至格尔尔木段8814公公里，119844年建成成运营。新新开工修

2、修建的格格尔木至至拉萨段段，自青青海省格格尔木市市起，沿沿青藏公公路南行行，经纳纳赤台、五五道梁、沱沱沱河、雁雁石坪，翻翻越唐古古拉山，再再经西藏藏自治区区安多、那那曲、当当雄，羊羊八井，进进入拉萨萨市，全全长11142公公里（新新建11110公公里，格格尔木至至南山口口既有线线改造332公里里）。建建设工期期为6年年。设计计年输送送能力为为客车88对，货货流密度度5000万吨。新新线于220011年6月月29日日开工，220022年开始始从南山山口向南南铺轨，220044年在安安多同时时向南北北两个方方向铺轨轨，20005年年铺轨通通过唐古古拉山，并并提前实实现全线线铺通。220066年7月

3、月将投入入试运营营。 青藏铁路是是世界上上海拔最最高、线线路最长长的高原原铁路。青青藏铁路路格拉段段自格尔尔木(高高程2 8288 m)溯格尔尔木河南南上，经经西大滩滩，翻昆昆仑山垭垭口(44 7772 mm)，跨跨楚玛尔尔河，越越可可西西里山、风风火山，跨跨沱沱河河，翻开开心岭，过过温泉翻翻越唐古古拉山垭垭口(55 0772 mm)进入入西藏自自治区，经经安多、那那曲，翻翻过羊八八岭垭口口(4 6000 m)，至拉拉萨(33 6441 mm)，全全长1 1422 kmm(图11)。是是世界上上海拔最最高，跨跨越高原原多年冻冻土地段段最长的的铁路，经经过海拔拔4 0000 m以上上地段长长96

4、00 kmm。西大大滩至安安多间，连连续多年年冻土区区54664 km，岛岛状多年年冻土区区82 km。沿线地地质复杂杂，滑坡坡、泥石石流、地地震、雷雷击等灾灾害严重重，多年年冻土、高高寒缺氧氧、生态态脆弱是是青藏铁铁路建设设的“三大难难题”。二.青藏铁铁路多年年冻土区区特点及及危害1冻土概概念及特特点冻土是指零零摄氏度度以下，并并含有冰冰的各种种岩石和和土壤。一一般可分分为短时时冻土（数数小时/数日以以至半月月）/季季节冻土土（半月月至数月月）以及及多年冻冻土（数数年至数数万年以以上）。地地球上多多年冻土土/季节节冻土和和短时冻冻土区的的面积约约占陆地地面积的的50%，其中中，多年年冻土面面

5、积占陆陆地面积积的255%。冻冻土是一一种对温温度极为为敏感的的土体介介质，含含有丰富富的地下下冰。因因此，冻冻土具有有流变性性，其长长期强度度远低于于瞬时强强度特征征。正由由于这些些特征，在在冻土区区修筑工工程构筑筑物就必必须面临临两大危危险：冻冻胀和融融沉。随随着气候候变暖，冻冻土在不不断退化化。2青藏高高原地貌貌及冻土土分布青藏高原多多年冻土土区是世世界中低低纬度地地带海拔拔最高(平均海海拔440000m)、面面积最大大的多年年冻土区区，约占占我国多多年冻土土面积的的70。青藏藏高原的的地形西西北部高高，东南南部低；气候特特点是西西北部严严寒干旱旱，东南南部温暖暖湿润；自然地地带分异异是

6、“以羌塘塘高原北北部和昆昆仑山为为中心，向向周围地地区倾斜斜散开”。青藏藏高原多多年冻土土正是以以青南藏藏北高原原为中心心向周边边分布展展开。青青藏铁路路经过的的正是多多年冻土土最发育育的地区区，基本本上呈连连续或大大片分布布，温度度低，地地下冰厚厚。向周周边地区区，随地地面海拔拔降低，地地温逐渐渐升高，过过渡为岛岛状多年年冻土。青藏铁路从从西大滩滩至安多多在544644 kmm长的地地段内除除局部存存在河流流、构造造地热、地地下水等等形成的的融区外外，多年年冻土基基本上是是连续分分布的。在在昆仑山山北麓西西大滩附附近多年年冻土的的下界为为海拔44150042500 m，而而南坡的的多年冻冻土

7、下界界为海拔拔4 445045600 m，由由于山地地起伏大大，这里里的岛状状冻土南南北宽仅仅几公里里。唐古古拉山南南麓的安安多往南南大800km范围围，多年年冻土只只在局部部地段零零星分布布。这里里的多年年冻土下下界为海海拔4 600047000 m。青藏高原既既是我国国地貌的的第三台台阶，又又是欧亚亚大陆上上最高最最大的地地貌台阶阶，南北北跨越110111个纬纬度，东东西穿越越30多多个经度度。青藏藏高原既既高又大大的特征征，不仅仅决定着着高原多多年冻土土分布温温度及厚厚度具有有垂直分分带性，同同时又使使上述冻冻土特征征具有明明显的纬纬向变化化规律。青青藏公路路可视为为纵贯青青藏高原原南北

8、的的剖面，其其上的冻冻土分布布及南、北北冻土下下界变化化亦反映映了上述述规律。青青藏公路路由格尔尔木至拉拉萨1 1500 kmm，由西西大滩的的6061道道班之间间至两道道河以南南的12241125道道班之间间，长约约6500 kmm左右为为高原冻冻土区。其其中由昆昆仑山垭垭口至安安多北山山(1116道班班一带)为大片片多年冻冻土，长长约55505560kkm。 由600611道班之之间至昆昆仑山垭垭口和安安多北山山至12241125道道班之间间，分别别为青藏藏公路北北、南段段岛状冻冻土区，北北段冻土土分布下下界为海海拔4 15004 2500 m；南段冻冻土分布布下界为为海拔44 64404

9、46800m，自自南而北北大致纬纬度升高高1NN、冻土土下界降降低8001000 mm。上述述青藏公公路南、北北岛状冻冻土区的的同时存存在，以以及冻土土分布下下界随纬纬度的变变化也是是受海拔拔高度和和纬度控控制的，也也是高原原多年冻冻土空间间分布格格局高度度带性和和纬度地地带性规规律的集集中表现现。此外外，巨大大的高原原及其东东西部地地势和气气候的差差异，也也会带来来多年冻冻土在经经向上的的变化3.青藏高高原多年年冻土的的特点：(1)热稳稳定性差差。青藏藏铁路通通过的多多年冻土土大多属属于高温温不稳定定区(长长74.55km)和和高温极极不稳定定区(长长1999.7kmm)，约约占多年年冻土区

10、区总长的的50。(2)厚层层地下冰冰和高含含冰量冻冻土占的的比重大大。且多多位于上上限附近近，更易易受自然然和人为为影响融融化而产产生较大大的融沉沉。高含含冰量冻冻土段累累计长2223kkm，其其中厚层层地下冰冰和含土土冰层累累计长557.22km。(3)在全全球气候候转暖的的背景下下，青藏藏高原升升温值将将高于全全球升温温平均值值。勘察察时与220世纪纪70年年代相比比，青藏藏公路通通过的多多年冻土土北界缩缩短2 km，南南界缩116kmm。(4)青藏藏高原活活动性断断裂规模模大、分分布密集集、水热热活动强强烈，成成为制约约和影响响多年冻冻土分布布发育的的重要因因素之一一，使高高原多年年冻土

11、的的分布特特征和热热稳定性性更加复复杂。(5)青藏藏高原的的太阳辐辐射强烈烈，致使使山坡坡坡向对冻冻土的影影响增强强，路基基坡向对对多年冻冻土的影影响成为为工程建建设必须须应对的的重要问问题。4.青藏铁铁路冻土土区主要要危害青藏铁路多多年冻土土地质条条件复杂杂，必须须充分考考虑全球球气温升升高、运运营期间间的人为为活动和和由于环环境变化化形成的的次生病病害等不不良影响响，此外外，面对对敏感、脆脆弱的高高原生态态环境要要充分满满足环境境保护的的要求，在在高原严严酷的自自然环境境下还应应尽可能能地做到到运营期期间免维维修或少少维修。在在多年冻冻土区修修建工程程的主要要问题有有融沉、冻冻胀和其其它不

12、良良冻土现现象。 eq oac(,1)融融沉在多年冻土土上限附附近的细细粒土和和有一定定量细粒粒土充填填的粗颗颗粒土中中往往存存在厚层层地下冰冰和高含含冰量冻冻土。因因其埋藏藏浅，很很容易受受天然因因素和人人为活动动的影响响而融化化。因融融化而产产生的融融沉是多多年冻土土区路基基变形和和破坏的的主要原原因。 eq oac(,2)冻冻胀冻胀是造成成冻土区区工程变变形和破破坏的另另一个重重要原因因。在低低温冻土土区，活活动层厚厚度一般般较小，且且存在双双向冻结结，冻结结速度较较快，故故冻胀相相对较轻轻。而在在高温冻冻土区，活活动层厚厚度一般般较大，冻冻结速度度较低，如如存在细细颗粒土土和足够够的水

13、分分则冻胀胀严重。 eq oac(,3)不不良冻土土现象不良冻土现现象主要要有：冰冰椎和冻冻胀丘、融融冻泥流流和热融融滑塌、热热融湖塘塘和冻土土湿地。三.多年冻冻土区路路基处理理措施依据冻土地地质条件件的复杂杂程度，确确定工程程类别设设置，并并针对不不同工程程类型提提出了解解决冻土土问题的的关键控控制因素素。针对对冻土年年平均地地温、含含冰量、不不良冻土土现象和和水文及及水文地地质等多多年冻土土工程地地质条件件控制因因素，考考虑全球球气温升升高的影影响，青青藏铁路路冻土区区采取的的工程对对策主要要有：在在不宜修修筑路基基的高温温极不稳稳定、高高含冰量量冻土厚厚度大埋埋藏浅的的细颗粒粒土地段段和

14、高含含冰量冻冻土斜坡坡地段，水水文及水水文地质质条件复复杂地段段，修建建小跨单单排双柱柱墩低桥桥跨越通通过。其其他则依依据冻土土地质条条件的复复杂程度度采用了了片石气气冷、碎碎石(片片石)护护坡或护护道、通通风管、热热棒、遮遮阳棚、隔隔热保温温、基底底换填、合合理路堤堤高度等等工程处处理措施施。片石气冷路路基。片石气冷路路基是在在路基垫垫层之上上设置一一定厚度度和空隙隙度的片片石层，因因片石层层上下界界面间存存在温度度梯度，引引起片石石层内空空气的对对流，热热交换作作用以对对流为主主导，利利用高原原冻土区区负积温温量值大大于正积积温量值值的气候候特点，加加快了路路基基底底地层的的散热，取取得降

15、低低地温、保保护冻土土的效果果。通过过室内摸摸拟试验验和试验验段工程程测试分分析，探探索出片片石气冷冷路基的的合理结结构形式式、设计计参数和和施工工工艺。确确定路基基垫层厚厚度不小小于0.3米，片片石层设设计厚度度不小于于1米，一一般可在在1.55米，粒粒径0.20.44米，强强度不小小于300兆帕，片片石层上上铺厚度度不小于于0.33米的碎碎石层，并并加设一一层土工工布。这这一措施施已在沿沿线1117公里里的高温温不稳定定冻土区区加以应应用。经经三个冻冻融循环环的观测测分析，起起到了降降低路基基基底地地温和增增加地层层冷储量量的作用用，路基基沉降变变形明显显减小并并基本趋趋于稳定定。这是是主

16、动降降温、保保护冻土土的一种种有效工工程措施施。(2) 在在路基一一侧或两两侧堆填填碎石或或片石，形形成护坡坡或护道道。在多年冻土土区修筑筑公路工工程，块块石护坡坡路基和和碎石路路基是保保护冻土土的有效效方法之之一，属属于主动动保护冻冻土的方方法。块块石层在在寒季的的当量导导热系数数是的55l00倍甚至至更多，因因此，块块石层可可有效地地提高路路基下地地基的蓄蓄冷量，保保护冻土土效果明明显优于于导热系系数不随随温度变变化的各各类保温温材料。块块石护坡坡路基由由于其孔孔隙性大大，空气气可在其其中自由由流动或或受迫流流动。当当暖季表表面受热热后，热热空气上上升，块块石中仍仍能维持持较低温温度，块块

17、石中的的对流换换热向上上。因此此，传入入地中的的热量较较少。寒寒季时，冷冷空气沿沿孔隙下下渗，对对流换热热向下，较较多的冷冷量可以以传人地地基中。块块石的热热传导量量在寒季季和暖季季可能大大体相等等，但导导热在整整个热传传输过程程中占的的比重较较小，而而对流传传热占主主要成分分，所以以块石护护坡路基基的综合合效果是是冷量输输入大干干热量输输入。另另外，块块石护坡坡路基内内以其比比较大的的空隙和和较强的的自由对对流使得得冬夏冷冷热空气气由于空空气密度度差异而而不断发发生冷量量交换和和热量屏屏蔽，其其结果有有利于保保护多年年冻土。碎碎石路基基以碎石石作为路路基填料料，和块块石护坡坡路基降降温基本本

18、原理一一样，是是基于多多孔介质质中空气气自然对对流原理理，利用用天然冷冷源使碎碎石路基基温度场场持续降降低，从从而达到到多年冻冻土区路路基稳定定。（3）通风风管措施施。在路基内横横向埋设设水平通通风管，冬冬季冷空空气在管管内对流流，加强强了路基基填土的的散热，降降低基底底地温，提提高冻土土的稳定定性。青青藏铁路路使用钢钢筋混凝凝土管和和PVCC管。现现场试验验研究表表明，通通风管宜宜设置在在路基下下部，距距地表不不小于00.7米米，其净净距一般般不超过过1.00米，管管径为00.30.44米。通通风管的的降温效效果受管管径、风风向及管管内积雪雪、积沙沙的影响响，特别别是夏季季热空气气在管内内的

19、对流流对冻土土有负面面影响。为为解决这这一问题题，现场场做了在在管口设设置自动动控制风风门的试试验。当当外界气气温低时时风门开开启，以以利冷空空气进入入管内；当外界界气温高高时风门门关闭，以以防热空空气进入入管内。通风管路基基主要由由路基土土体和通通风管构构成。埋埋置于路路基土体体中的通通风管应应与当地地风向的的主导方方向一致致，距地地面的高高度不能能过小。通通风路基基是一积积极保护护冻土的的工程措措施，其其工作原原理是在在寒冷季季节，冷冷空气有有较大的的密度，在在自重和和风的作作用下将将管中的的热空气气挤出，并并不断将将周围土土体中的的热量带带走，达达到保护护地基土土冻结状状态的目目的。通通

20、风管路路基在某某铁路上上已铺筑筑了试验验段，而而某公路路在整治治过程中中因没有有将原有有路基挖挖除，因因此尚未未铺筑试试验段，室室内试验验已进行行，其中中包括采采风口设设计试验验等，由由于通风风路基的的良好降降温效果果，在以以后多年年冻土新新建公路路中将是是一种很很有使用用前途的的路基型型式。需需要指出出的是，通通风管在在设置高高度上要要高出地地面一定定距离，如如果高度度过低将将会使水水流进入入通风管管，影响响降温性性能，并并导致一一定的沉沉降变形形。同时时在通风风管路基基设计时时，可将将通风管管进风口口和出风风口设置置不同高高度，以以便让自自然冷气气或制冷冷空气易易于流动动，达到到较好的的制

21、冷效效果。通通风管路路基在冬冬季有大大量冷空空气流通通，起到到降低路路基温度度、为冻冻土路基基储藏冷冷量的效效果。可可到了夏夏季，通通风管也也成了热热空气的的流通通通道，这这样对保保护冻土土非常不不利。因因此需要要在通风风管两侧侧设置空空气开关关，在冬冬季的时时候，由由于热胀胀冷缩原原理，开开关自动动打开，冷冷空气可可在管内内自由流流动，而而到了夏夏季，通通风管关关闭，阻阻止外部部热空气气进入管管内。（4）热棒棒措施。热棒是一种种汽液两两相对流流循环的的热导系系统，它它实际上上是一根根密封的的管，里里面充以以工质(如氨、氟氟利昂、丙丙烷、CCO，等等)，管管的上端端为冷凝凝器(由由散热片片组成

22、)，下端端为蒸发发器，中中间为绝绝热段。当当冷凝器器和蒸发发器之间间存在温温差时，即即冷凝器器温度低低于蒸发发器的温温度时，蒸蒸发器中中的液体体工质吸吸收热量量，蒸发发成汽体体工质，在在压差作作用下，蒸蒸汽上升升至冷凝凝端，放放出汽化化潜热，再再通过冷冷凝器的的散热片片散出。为为了观测测地温及及变形，分分别在路路中心、左左路肩、左左侧路基基坡脚、右右路肩、右右侧路基基坡脚设设置观测测元件，同同时为了了研究热热棒工作作的有效效半径，在在两根热热棒间的的土路肩肩上设置置测温孔孔。通过过目前的的观测数数据来看看，热棒棒的短期期冷却路路基效果果是非常常明显的的，在技技术和理理论上都都是可行行的，它它不

23、但可可降低土土体的温温度，提提高冻土土本身强强度，而而且也可可以有效效地防止止冻胀和和融沉。不不过，热热棒的使使用性能能也受到到众多因因素的影影响，特特别是冻冻研究报报告结期长短对对其影响响显著，若若冻结期期短，融融化期长长，热棒棒形成的的冻结核核尚未在在一个冬冬季来临临之前就就全部融融化，那那么就失失去了热热棒的应应用价值值，一般般来说，在在寒冷的的某高原原，热棒棒的应用用有着重重要意义义。如要要对热棒棒冷却路路基进行行模拟、分分析和评评价，还还需建立立在长期期观测数数据基础础上进行行，因此此相信通通过几年年后的现现场观测测，许多多研究工工作将会会得到顺顺利开展展。（5）遮阳阳棚措施施。在路

24、基上部部或边坡坡设置遮遮阳棚，可可有效减减少太阳阳辐射对对路基的的影响，减减少传入入冻土地地基的热热量。我我们在风风火山试试验基础础上，又又在唐古古拉山越越岭地段段设置了了一处钢钢结构遮遮阳棚。现现场测试试表明，遮遮阳棚效效果明显显，降低低了路基基基底的的地温，提提高了多多年冻土土的稳定定性。这这种措施施可在一一定条件件下使用用。（6）隔热热保温措措施。当路基高度度达不到到最小设设计高度度时，为为减少地地表热量量向地基基传递，采采用挤塑塑聚苯乙乙烯等隔隔热材料料，可起起到当量量路基填填土高度度同样的的保温效效果。实实践表明明，路基基工程宜宜在地表表以上00.5米米处铺设设隔热材材料，铺铺设时间

25、间选择在在寒季末末为好。隔隔热保温温层在暖暖季减少少了向地地基传递递的热量量，但在在冬季也也减少了了向地基基传递的的冷量，属属于被动动型保温温措施。所所以，青青藏铁路路仅在低低路堤和和部分路路堑采用用。（7）基底底换填措措施。为避免和减减轻多年年冻土对对路基稳稳定的影影响，在在挖方地地段或填填土厚度度达不到到最小设设计高度度的低路路堤，基基底采用用了换填填粗粒土土措施，防防止冻胀胀融沉，确确保路基基稳定。当当基底为为高含冰冰量冻土土层时，换换填厚度度为1.31.44倍天然然上限深深度。为为防止地地表水下下渗，换换填时设设置了复复合土工工膜防渗渗层。（8）路基基排水措措施。研究和实践践都证明明，

26、水是是冻土病病害的最最大根源源。排水水不良将将造成多多年冻土土路基严严重病害害。青藏藏铁路设设计统筹筹考虑了了多年冻冻土区的的防排水水措施。合合理布设设桥涵，设设置挡水水埝、排排水沟、截截水沟等等工程，以以保证排排水畅通通。防止止路基两两侧积水水造成冻冻融变形形或引发发不良冻冻土现象象。（9）合理理路基高高度措施施。在低温多年年冻土区区，路基基设计高高度应在在合理范范围内。路路基达到到一定填填筑高度度后，在在一定的的气温、地地温条件件下多年年冻土上上限可以以保持基基本稳定定。但随随着路基基高度增增加，边边坡受热热面增大大，由边边坡传入入地基的的热量增增加，太太高的路路基不利利于稳定定。根据据不

27、同的的地温分分区，多多年冻土土路基合合理设计计高度为为2.555.00米。若若不能满满足这个个条件时时，需采采取其它它工程措措施。（10）路路桥过渡渡段措施施。为减少多年年冻土区区路桥过过渡段的的不均匀匀沉降，台台后不小小于200米范围围内，按按倒梯形形分层填填筑卵砾砾石土或或碎砾石石土，分分层碾压压夯实。桥桥台基坑坑采用碎碎石分层层填筑压压实，其其上填筑筑片石、碎碎石、碎碎石土。经经工程列列车运营营检测，没没有发现现明显的的变形，路路桥过渡渡段处于于稳定状状态。（11）桥桥涵基础础措施。为减少桥梁梁工程施施工对多多年冻土土的扰动动，我们们对冻土土区桥梁梁钻孔灌灌注桩、钻钻孔打入入桩和钻钻孔插

28、入入桩等三三种桩基基形式开开展了现现场对比比试验。钻钻孔打入入桩在冻冻土层中中打入困困难，钻钻孔插入入桩桩周周围回填填质量难难以控制制。钻孔孔灌注桩桩具有承承载力大大、抗冻冻拔能力力强的明明确优点点。在使使用旋挖挖钻机施施工速度度快、质质量好、对对冻土扰扰动小，因因此在全全线绝大大多数非非坚硬岩岩石地基基的桥梁梁都采用用了旋挖挖钻机成成孔的灌灌注桩基基础。对对涵洞工工程进行行研究比比较后，选选用了矩矩形拼装装式钢筋筋混凝土土结构。这这种涵洞洞采用明明挖基坑坑拼装或或混凝土土基础，在在寒季施施工对冻冻土的热热扰动小小，基底底冻土回回冻时间间短，易易于控制制施工质质量。在不宜修筑筑路基的的厚层地地下冰地地段、不不良冻土土现象发发育地段段及地质质复杂的的高含冰冰量冻