藏鐵路路基與涵洞凍害分析及防凍措施

1、青藏鐵路路基與涵洞凍害分析及防凍措施青藏鐵路路基與涵洞凍害分析及防凍措施雷金山，楊秀竹，王星華，徐占軍，徐永勝(中南大學(xué)鐵道校區(qū)土木建筑學(xué)院，湖南長沙410075)摘要：對青藏鐵路凍土路基與涵洞凍害的類型和成因作了較詳細(xì)的分析，并提出了防凍措施，供青藏鐵路設(shè)計(jì)和施工技術(shù)人員參考。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：青藏鐵路；路基；涵洞；凍害；防凍措施青藏高原是我國多年凍土分布較集中的地區(qū)，它是低緯度、高海拔的近代大陸性氣候的產(chǎn)物。由于海拔高，冷期較長，決定了

2、該地區(qū)的大面積凍土的存在與發(fā)育，這里的年平均氣溫達(dá)2C～7C，晝夜溫差大，在該地區(qū)修建鐵路時(shí)必須合理選擇路基和涵洞的結(jié)構(gòu)和形式，并采取切實(shí)可行的防凍措施，以防止和減少因凍融現(xiàn)象的大面積發(fā)生對鐵路的正常運(yùn)營造成的危害。1凍土路基病害類型凍土路基病害類型鐵路凍土路基病害類型主要有：凍脹開裂、基底融化下沉及路基邊坡滑塌。(1)凍脹開裂：凍脹開裂作為一種十分普遍的路基凍害，從外觀形式上可分為縱向裂縫、橫向裂縫兩種，且經(jīng)凍融反復(fù)作用而不斷加寬，使

3、路基面呈破碎狀，從而導(dǎo)致路基融凍期間翻漿冒泥。(2)路基基底的融化下沉：由于原始地表熱狀態(tài)的改變，地表水滲入基底，引起熱交換作用，使基底以下多年凍土層的上限下移，引起路基基底發(fā)生緩慢、持續(xù)、大幅度的下沉，并在基底內(nèi)部形成縱向融化槽形態(tài)，從而引起融解期間路基承載力下降。(3)路基邊坡滑塌：由于基底的富冰凍土層融化，在路基邊坡或坡腳處會(huì)突然發(fā)生滑塌變形。2涵洞凍害破壞類型涵洞凍害破壞類型凍土區(qū)修建的涵洞常常會(huì)由于地基土的反復(fù)凍融作用而遭致破

4、壞，主要破壞類型有：涵洞人口隆起、端翼墻開裂、涵身拔節(jié)及洞身塌腰、錯(cuò)節(jié)。(1)涵洞人口隆起：由于洞口管節(jié)凍脹上抬一般大于中間管節(jié)，會(huì)使涵洞出人口隆起并導(dǎo)致洞口管節(jié)與中間管節(jié)的底部接縫產(chǎn)生拉裂而滲水，這是最常見的凍害現(xiàn)象。(2)端翼墻開裂及涵身拔節(jié)：涵洞管節(jié)特別是洞口管節(jié)向外擠出，融凍后不能復(fù)原。而反復(fù)凍融又加劇了情況的發(fā)生。(3)洞身塌腰、錯(cuò)節(jié)：涵洞地基融沉后使得洞口高而中間低，形成凹形即為塌腰，而錯(cuò)節(jié)則是由于洞身凍脹和融沉的不均勻性所

5、致。塌腰，使得冬季涵洞積冰，減小了有效過水面積，影響排洪功能，春夏又由于錯(cuò)節(jié)而滲水。3凍土工程病害的凍脹機(jī)理、影響因素及凍脹指標(biāo)凍土工程病害的凍脹機(jī)理、影響因素及凍脹指標(biāo)3.13.1凍脹機(jī)理凍脹機(jī)理(1)土液相形成結(jié)晶中心：目前對土體凍脹的解釋普遍采用“結(jié)合水遷移學(xué)說”當(dāng)近地面土層溫度降至負(fù)溫時(shí)，土中的水首先凍結(jié)成冰晶體，隨著溫度的繼續(xù)下降，土顆(粘)粒表面最外層的結(jié)合水也開始凍結(jié)，使冰晶體逐漸擴(kuò)大；這樣使得冰晶體周圍土顆(粘)粒的結(jié)合

6、水減薄，而水膜減薄時(shí)的粘粒表面電荷沒有全部平衡因而對它下面相鄰粘粒表面上的結(jié)合水產(chǎn)生了吸附引力；在這種作用下就發(fā)生了未凍結(jié)區(qū)粘粒表面上被吸附的結(jié)合水向凍均大于洞身中間部分。而一般的洞口管節(jié)上部填土厚度也小于洞身中間部分，故在凍脹時(shí)表現(xiàn)為洞口凍脹上抬，同時(shí)也導(dǎo)致端翼墻開裂，和涵洞管節(jié)接頭脫開。(2)由于作用于洞口管節(jié)的水平切向凍脹力和作用于端墻側(cè)向水平法向凍脹力的影響，使得涵洞管節(jié)特別是洞口管節(jié)向外擠出而導(dǎo)至洞身拔節(jié)而破壞，融凍后不能復(fù)原

7、而造成的端翼墻開裂及涵身拔節(jié)。(3)涵洞地基土質(zhì)土層的不均勻性和反復(fù)融凍作用，又加劇了關(guān)節(jié)的接縫脫離、錯(cuò)位和擋墻端翼墻的開裂，雖然這些都不會(huì)直接造成涵洞的破壞，但為涵洞的滲透和淘刷破壞，雍水阻水創(chuàng)造了條件，最終導(dǎo)至涵洞的破壞。5青藏鐵路合理防凍措施的選擇青藏鐵路合理防凍措施的選擇為了修建高原鐵路，就必須了解青藏高原多年凍土的特性和研究路基與涵洞的防凍措施，并合理的進(jìn)行選擇。(1)在多年凍土地區(qū)修建鐵路，為保證其正常使用，對路基和涵洞有一

8、些基本的防凍要求：①路堤最小設(shè)計(jì)高度要求：路堤臨界高度是最有效的綜合保溫防凍措施之一，它能有效地控制人為上限的深度，保護(hù)路基下的多年凍土不被融化，確保路基的穩(wěn)定。一般可根據(jù)臨界高度的K倍確定最小設(shè)計(jì)高度為，K取1.o～1.3，青藏高原多年凍土地區(qū)鐵路路堤的最小設(shè)計(jì)高度可按表1取值。表1青藏高原多年凍土地區(qū)鐵路路堤的最小設(shè)計(jì)高度青藏高原多年凍土地區(qū)鐵路路堤的最小設(shè)計(jì)高度多年凍土區(qū)低溫穩(wěn)定區(qū)低溫基本穩(wěn)定區(qū)高溫不穩(wěn)定區(qū)高溫極不穩(wěn)定區(qū)凍土平均地

9、溫℃≤2.02.0～1.01.0～0.50.5～0最小設(shè)計(jì)高度m1.501.902.30≥2.50②路基基床填土土質(zhì)及壓實(shí)度和含水量的控制：從凍害的分析可知地基的凍脹與地基土的礦物成分，顆粒級(jí)配有關(guān)，一般以滲水性較好的粗顆粒填料填筑，要求細(xì)粒土粒徑為0.02mm的含址≤10％為宜。要防止和減小凍脹的發(fā)生，必須做好壓實(shí)度和含水扯的控制，一般要求土體壓實(shí)后容重要小于土體凍脹臨界容重γ。③路基的隔水排水措施；加強(qiáng)地表排水，近距離設(shè)置大面積排水

10、溝，不使路基坡腳積水。以保證地表水不再滲人基地，消除了熱源。適當(dāng)增加路基高度，最小≥15m。保護(hù)地基天然狀態(tài)包括植被、水被。排除坡腳積水，保護(hù)地表植被。(2)在凍脹性強(qiáng)的地區(qū)采用換填的方法，用粗顆粒土換填整個(gè)地段的細(xì)顆土，但應(yīng)根據(jù)不同情況控制不同的換填深度。①路基換填深度要求：對路基而言，應(yīng)根據(jù)土質(zhì)、地下水位及凍結(jié)深度綜合考慮，一般可根據(jù)表2采用表2多年凍土地區(qū)鐵路路基換填深度多年凍土地區(qū)鐵路路基換填深度(建議值建議值)凍結(jié)深度cm換填