青藏铁路多年冻土区块石气冷路堤结构的试验研究

青藏铁路多年冻土区块石气冷路堤结构的试验研究

1青藏铁路采用块石路堤结构的研究清藏铁路穿越500公里长的多年制冻土带，年平均地温1.0的多年制冻土带为275km，高含冰量冻土类型为221km，高含冰量冻土带为124km。在很大程度上，高含冰量冻土带的融化和下沉是解决高原高含冰量问题的重要依据。解决高含冰量问题的主要途径是确保高含冰量的稳定性，不应将冻土的上限或下降，以避免冷土基质硬化和土壤溶合，确保路的稳定。青藏铁路采用冷却方式，积极保护多年制冻土，通过调节错误差、辐射和传导等换热机制有效降低多年制冻土的温度，提高多年制冻土的上限。块石气冷路堤结构是最典型的冷却路基的工程措施,它包括块石路堤、块石护坡路堤和二者综合使用的“U”型路堤(图1).块石气冷路堤结构利用块石层内的冷热空气对流效应来降低下部土体的温度,夏季块石层内空气起隔热作用,冬季进入块石层内冷空气向下,热空气上升,产生冷热空气对流,冬夏两季相当于可控热二极管作用,较好地控制了多年冻土热稳定性.目前,青藏铁路多年冻土区有60%以上的冻土路段采用了块石气冷路堤结构.1969\_1970年,前苏联铁路运输研究院斯科沃罗丁冻土研究试验室根据实测资料提出:用大块碎石修筑的路堤较之用其它类型土修筑的路堤,其基底土的温度大大降低,并用Balch效应解释了这一现象.1973年原中国科学院兰州冰川冻土研究所在青海省热水煤矿的厚层地下冰地段用直径0.3m的块石修筑了高2.7m的试验路堤,观测表明,块石路堤有明显的降低地温的效果.铁道部科学研究院西北分院曾于20世纪60-70年代在青藏高原风火山进行过块石填筑路基的现场试验研究,结果认为,块石层的有效导热系数在冬季和夏季具有明显的区别,块石层的有效导热系数在冬季是夏季的12.2倍.1997年,Rooney介绍了贝阿铁路使用块石路堤的经验.1996—2001年,阿拉斯加大学完成了块石路堤的数值模拟和实体工程试验,监测效果表明,块石路堤5a间使路基下部土体温度降低了4.4℃.我们的室内模型试验和数值结果也表明,这种由块石组成的路堤结构均能不同程度的抬升多年冻土上限,降低地温.综观研究历史,可以确信块石路堤能够降低其下覆土体温度,达到保护冻土的作用.青藏铁路采用块石气冷路堤结构也是以这些研究结果为理论依据的.但是,仔细分析以上的研究结果可发现,他们的结果是基于路堤结构全部为块石层.而青藏铁路采用的块石气冷路堤结构是与素土填料综合使用,即块石路堤结构是块石层上部有不同厚度路堤填料层;块石护坡路堤结构是不同高度的素土路堤边坡铺设一定厚度的块石层;“U”型路堤是块石路堤边坡上再铺设一定厚度的块石层.虽然短期的监测结果表明,青藏铁路这种块石气冷路堤结构可以抬升冻土上限,但是能否有效地降低土体的温度,长期效果如何,不同温度冻土分区中的作用如何等问题是目前青藏铁路块石路基修筑迫切需要回答的.针对这个问题,我们先后在青藏铁路多年冻土区布设了较多的监测断面,以监测块石气冷路堤下温度场的变化.通过不同冻土区监测结果的分析和评价,确定冷却路基的降温效果和趋势,进而评价其长期冷却效果.2高温稳定冻土区icp青藏铁路暂规定以-1.0℃作为高、低温冻土的界限,并将冻土分为4个区,当年平均地温Tcp≥-0.5℃为高温极不稳定冻土区(I区);当-1.0℃≤Tcp<-0.5℃为高温稳定冻土区(II区);当-2.0℃≤Tcp<-1.0℃为低温基本稳定冻土区(III区);当Tcp<-2.0℃为低温稳定冻土区(IV区).本文基于不同的冻土分区,在青藏铁路多年冻土区选择了8个块石气冷路堤监测断面,监测断面位置、路堤结构和断面所处位置的冻土状况如表1所示.所有监测断面中,块石路堤结构中块石层厚度为1.2m,块石护坡路堤中块石层厚度为0.8m,块石粒径30～40cm.3监控结果和分析3.1冻土上限上升和下地温上升的变化DK1102+000和DK1160+592为IV区的两个监测断面,分别为块石路堤加块石护坡路堤(“U”型结构路堤)和块石路堤,年平均地温分别为-2.4℃和-2.1℃,路基高度分别为3.6m和6.55m.图2和图3分别为“U”型结构路堤和块石路堤的路中心测孔的温度分布.由图2可看到,从2002年到2004年路基中心下的冻土上限从-1.8m抬升到2.1m,上升了3.9m.在上限上升的同时,下部地温也在逐年升高,如10m处的地温从2002年9月的-2.79℃上升到2004年的-2.07℃.但是与2003年相比,到2004年地表下10m以下地温与之持平,而10m以上的地温呈现出下降的趋势,如5m处的地温从2003年9月的-0.84℃下降到2004年的-1.41℃.从图3可看到,2002年到2004年路基中心下的冻土上限从-1.5m抬升到3.8m,上升了5.3m.在上限上升的同时,下部地温也在逐年升高,如8m处的地温从2002年10月的-2.42℃上升到2004年的-2.0℃.但是与2002年相比,到2003年地表下0～6m处的地温呈现出下降的趋势;与2003年相比,到2004年地表下10m以下地温与之持平,而2.5m以上的地温呈现出下降的趋势.图4和图5分别给出了这两个监测断面的路堤中心测孔不同深度温度随时间的变化.由图可看到,由于块石的作用,路堤底部以下不同深度处均出现逐年负温积累,且积累较大,这有利于冻土降温.另外,从图5也注意到,2002年11月-2003年3月间地表以下土体有一次较大的降温,这是由于11月份块石施工完成后,放置一个冬季后,上部再填土.这说明了块石路基上部填土对块石冷却效果有很大的影响.3.2路基中冻土上限、下地温和年际变化DK1053+600和DK1141+374为III区的两个监测断面,分别为块石路堤加块石护坡(“U”型结构路堤)和块石护坡路堤,年平均地温分别为-1.5℃和-1.36℃,路基高度分别为3.3m和4.84m.图6和图7分别为“U”型结构路堤和块石护坡路堤的路中心测孔的温度分布.由图6可看到,从2002年到2004年路基中心下的冻土上限从-2.6m抬升到-0.6m,上升了2m.在上限上升的同时,下部地温也在逐年升高,如8m处的地温从2002年10月的-1.49℃上升到2004年的-1.28℃.但是与2003年相比,到2004年地表下5m以上的地温呈现出下降的趋势,如2m处的地温从2003年10月的-0.29℃下降到2004年的-0.57℃.由图7可看到,从2002年到2004年路基中心下的冻土上限从-0.4m抬升到1.2m,上升了1.6m.在上限上升的同时,下部地温也在逐年升高,如9m处的地温从2002年10月的-1.4℃上升到2004年的-1.18℃.但是,0～4m处的地温已逐年下降,如地表下1.5m处的地温从2002年10月的-0.13℃下降到2003年的-0.29℃再到2004年的-0.43℃.图8和9分别给出了这两个监测断面的路堤中心测孔不同深度温度随时间的变化,可看到,由于块石的作用,路堤底部以下不同深度处均出现逐年负温积累,这有利于冻土降温.而且,“U”型结构路堤下的负温积累要远远大于块石护坡路堤的负温积累.3.3路基中冻土上限的变化DK1191+770和DK1272+120为II区的两个监测断面,分别为块石路堤和块石护坡路堤,年平均地温分别为-0.54℃和-0.8℃,路基高度分别为3.7m和3.6m.图10和图11分别为块石路堤和块石护坡路堤的路中心测孔的温度分布.由图10可看到,从2003年到2004年路基中心下的冻土上限从-1.0m抬升到-0.6m,上升了0.4m,但下部的地温变化不大.由图11可看到,从2002年到2004年路基中心下的冻土上限从-2.8m抬升到-1.5m,上升了1.3m,但是2003年到2004年,上限基本没发生变化.在上限上升的同时,下部地温也在逐年升高,如6.5m处的地温从2002年10月的-0.89℃上升到2004年的-0.54℃.2002-2003年间,1.5～3.0m处出现一“零温带”.图12和图13分别给出了这两个监测断面的路堤中心测温孔不同深度温度随时间的变化.由图12可以看到,块石的作用不明显,逐年负温积累变小,不利于下伏冻土降温,但是负温积累保持在-0.2℃左右.由图13可看到,由于块石的作用,0.5m处存在一定的负温积累,但0.5m以下几乎没有负温积累,这不利于冻土降温,但是负温积累保持在-0℃左右,这对路基稳定性来讲,是比较危险的.3.4路基中冻土温的变化DK1273+455和DK1297+930为I区的两个监测断面,分别为块石护坡路堤和块石路堤加块石护坡(“U”型结构路堤),年平均地温分别为-0.5℃和-0.46℃,路基高度分别为4.0m和5.7m.图14和15分别为块石护坡路堤和“U”型结构路堤的路中心测孔的温度分布.由图14可以看到,从2002年到2004年路基中心下的冻土上限从-2.8m抬升到-1.0m,上升了1.8m.在上限上升的同时,下部地温也在逐年升高,如6.5m处的地温从2002年10月的-0.48℃上升到2004年的-0.4℃.2002\_2003年间,1.0～2.5m处出现一“零温带”.由图15可看到,从2002年到2004年路基中心下的冻土上限从-2.2m抬升到-0.4m,上升了1.8m.在上限上升的同时,除0～6m段变化略大一些外,下部地温变化不大.2003\_2004年间,地温变化很小.图16和图17分别给出了这两个监测断面的路堤中心测孔不同深度温度随时间的变化.由图16可看到,由于块石的作用,0～1.0m处存在2003年上半年存在很少的负温积累,但以后几乎与外界没有热交换,负温积累很少.由图17可看到,块石作用下几乎与外界没有热交换,没有负温积累.两种状况下路堤基地下冻土温度均在0℃附近波动,这很不利于下部冻土降温.而且对路基稳定性来讲,是比较危险的.4不同种类块石路堤结构对冻土温度的影响块石路堤结构(块石路基、块石护坡、块石路基加块石护坡)是青藏铁路冻土区的主要措施,要判断它们的降温效果不仅要注意上限的抬升情况,而且更要关注其下部地温是否有负温积累.由前面的各图和表2可看到,块石结构路堤下冻土上限已抬升了1.4～5.3m,这说明在4种不同分区的多年冻土地段,块石路堤结构均起到了积极调节下部冻土的作用.但是也看到了,在上限抬升的同时,其下部的冻土地温也在升高,但是这种过程已逐渐被块石路堤结构的降温所抑制,而这种抑制程度受控于不同的冻土区域.在不同的冻土分区中,无论是何种形式的块石路堤结构,其降温趋势是不同的,IV和III区块石路堤基底的负温积累比较明显,而I和II区的较弱.这从理论上比较容易解释,由于块石路堤结构降低下伏冻土地温的原理是基于外界的强迫对流和内部的自然对流,当外界气温与路基中土体温度差值较大时,可通过对流降低下部土体温度,但随着内外温度差值的减小,对流减弱,因而会造成逐年降温幅度的减小.图12、13、16、17也明显反映了这一过程,路堤基底温度在初始阶段降温幅度很大,而后逐渐减小.如果随着全球气候升温的加剧,IV和III区中的块石路堤结构也将会演化为I和II区的变化趋势.图18汇总了不同地区的块石气冷路堤中心测温孔原冻土上限处温度随时间的变化曲线,可看到,多年冻土上限附近温度变化明显地划分出了3个层次,第一层次是低温极稳定型多年冻土,上限温度降温趋势最强,其次是低温基本稳定型多年冻土,最后是高温不稳定型多年冻土.说明年平均地温越低降温趋势越显著,多年冻土上限附近“冷量”积累最大,随着年平均地温升高,多年冻土上限附近“冷量”基本无积累过程,也就是说I区的冻土降温效果最弱,这也就是我们在I区的高含冰量地段选用“旱桥”的原因.总之,块石路堤结构是一种有效的降低冻土地温的措施,它有利于冻土路基的稳定性.5不同种类块石路堤的降温特性(1)块