高原寒区路基边坡保温板护坡应用

王 平,李 成

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

在多年冻土区修筑路基工程后,原有的地气热交换条件发生了变化,其结果通常是路基的吸热量增加。路基逐年的热积累使下伏土体温度升高、多年冻土融化,从而引起路基下沉变形[1～2]。青藏铁路格尔木至拉萨段大部分路段通过多年冻土区,由于其热稳定性差,极易造成路基边坡下沉、变形、开裂等病害[3]。因此,冻土地区路基边坡的稳定性及其防护措施的研究具有重要的意义。为了增加路基工程的稳定性,通常以保护多年冻土为原则,即采取各种措施尽量使得路基下伏多年冻土上限不下降。本试验工程采用泡沫玻璃板铺设路堑边坡,利用其低的热导性(热阻)阻止上部热量进入下部土层,从而起到保护多年冻土的作用。

2 保温板护坡试验工程概况

保温板护坡试验工程位于青藏铁路北麓河试验段。本地区属青藏高原干旱气候区,年平均气温为 -3.8℃,冻结期为 9月至次年 5月,天然上限深度为2.0～2.2m,年平均地温为 -0.67～ -0.83℃,属高温不稳定区。该试验工程位于山前缓坡,地表植被稀疏,表层为棕红色粉砂,上部为棕红色黏土,下部以棕红色全风化泥岩为主,局部夹砂岩层。

该工程设置于路基右侧(阳面)路堑坡面上,路堑边坡进行了换填砂砾层保温处理,换填厚度 3.4m,边坡下部设 L型挡墙支撑,坡面上铺设泡沫玻璃保温层,泡沫玻璃的导热系数只有一般融土的 1/20左右,泡沬玻璃板尺寸为 0.4m×0.4m×0.04m,如图1所示。草皮护坡对比试验段路堑边坡同样进行了换填砂砾层处理,换填厚度相同,护坡草皮是在换填层施工完成后从附近移植覆盖到换填层上的。

图1 泡沫玻璃板保温护坡结构示意

3 泡沫玻璃板材热物理性能指标

泡沫玻璃隔热材料的热物理性能测试结果见表1。

表1 泡沫玻璃物理热学性质测试结果

4 地温分析

通过对地温的观测,可以掌握坡面下冻土的冻结状态、人为上限及其温度的变化情况,从而分析泡沫玻璃板护坡的防护效果。测试断面温度观测布设示意如图2所示。

图2 测试断面温度观测布设示意

4.1 保温板坡面孔地温分析

图3是保温板护坡 2001年～2004年坡面纵孔地温。从图3中可以看出,寒季路堑开挖扰动后地温下降,2002年 5月边坡回填完成后地温回升的情况。由于路堑土方是在寒季开挖施工,所以 2001年 10月坡面下部地温明显低于 2002年 10月的观测结果。2002年 5月坡面回填完成后气候进入暖季,加之回填土带来的热量开始对原有冻土加温,2002年人为上限比2001年下降近 1.0m。比较 2002年和 2003年同期坡面下部地温,人为上限相差不大,显示出了施工对浅层地温的影响已基本消除,此时的浅层地温主要受地表年平均温度和地温年较差的影响,而深层地温升温明显,说明原来寒季开挖所储存的“冷量”在施工完成后被支出。2004年边坡下冻土仍存在升温趋势,但升温速率明显降低。

图3 保温板护坡 2001年～2004年坡面孔地温

4.2 边坡浅层地温变化分析

图4为保温板护坡代表断面坡面垂直向下 0.87、1.73、2.60m和 3.47m深度处的地温变化过程。从图4中可以看出,泡沫玻璃保温板铺设后,在冻结期(2002年 9月～2003年 5月),在 2.60、3.47m处地温保持在较高的负温状态,而浅部地温自铺设保温板以来呈现较为规则的正弦波变化态势。在融化初期(2003年 5月),0.87m以下土层基本仍处于冻结状态,温度明显低于铺设泡沫玻璃保温板时(2002年 5月)相同深度处的地温,且融化深度明显小,可见铺设泡沫玻璃板可有效地阻止地气之间的热交换,保护边坡下部的多年冻土。

图4 保温板护坡代表断面边坡浅层地温变化

4.3 边坡深层地温变化分析

图5为保温板护坡代表断面坡面垂直向下 6.00 m和 8.68m深度处的地温变化过程。从图中可以看出,泡沫玻璃护坡于 2002年 5月回填完成后,受高温回填土和气温回升的影响,深部土层冻土温度经历了一个迅速上升的阶段,2002年暖季(2002年 5月～2002年 9月),坡面 6.00m深度处升温约为 1.0℃左右,8.68m深度处升温也达 0.3℃。同浅层地温不同,2002年 9月～2003年 9月,受施工扰动以及高温回填土层的影响,深层土温度仍处在一个缓慢上升渐趋稳定的状态,6.00m和 8.68m地温平行发展,说明深层地温在本时段内基本趋于稳定。2004年后,深层冻土地温进入比较稳定的状态,表明施工对护坡下地温的影响已基本消除。护坡浅 0.87m左右;且其下深部冻土温度更低,表明2002年 5月铺设泡沫玻璃板后,有效地阻止了地气之间的热交换,保护了边坡下部的多年冻土,从保护冻土角度而言,泡沫玻璃板护坡优于草皮护坡。

图5 保温板护坡代表断面边坡深层地温变化

图6 2003年 9月 19日各断面坡面孔地温

图7 2004年 9月 29日各断面坡面孔地温

5 泡沫玻璃板护坡与草皮护坡效果对比

表2是泡沫玻璃板护坡与草皮护坡下多年冻土人为上限的变化情况。从表2中可以看出,泡沫玻璃板护坡下多年冻土人为上限年均下降速率小于草皮护坡下人为上限年均下降速率,说明泡沫玻璃板护坡在保温效果及延缓多年冻土退化方面优于草皮护坡。

表2 护坡下多年冻土人为上限的变化 m

表3是泡沫玻璃板护坡与草皮护坡下 2.17m深度处积温及年平均温度。从表3中可以看出,泡沫玻璃板护坡下积温明显低于草皮护坡下积温,且草皮护坡下积温为正值;泡沫玻璃板护坡和草皮护坡下的年平均温度都有上升,相比而言,草皮护坡的升温速率更大。

表3 坡面下2.17m深度处积温和年平均温度

图6和图7分别是 2003年 9月 19日和 2004年 9月 29日泡沫玻璃板护坡(DK1137+830)和草皮护坡(DK1138+000)代表断面坡面孔地温。从图6、图7可以看出,泡沫玻璃板护坡融化深度基本保持不变,而草皮护坡融化深度相对 2003年下降了 0.4m左右;2004年 9月 29日泡沫玻璃板护坡的融化深度较草皮

表4是泡沫玻璃板护坡与草皮护坡坡面下表层温度统计特征。从表4中可以看出,泡沫玻璃板下表层温度年变幅远小于草皮层下表层温度年变幅,约为草皮护坡下年变幅的一半;泡沫玻璃板下表层年平均温度也比草皮下表层年平均温度低。

表4 护坡坡面下表层温度统计特征 ℃

综上所述,从泡沫玻璃板护坡与草皮护坡下表层平均温度、积温、护坡下温度变化幅度及护坡下多年冻土人为上限的变化等方面均可以看出,泡沫玻璃板护坡在保温效果及延缓多年冻土退化方面优于草皮护坡。

6 结 论

本试验工程采用泡沫玻璃板铺设路堑边坡,利用其低的热导性(热阻),有效地阻止了地气之间的热交换,从而起到保护多年冻土的作用。从泡沫玻璃板护坡与草皮护坡下表层平均温度、积温、护坡下温度变化幅度及护坡下多年冻土人为上限的变化等方面分析,泡沫玻璃板护坡在保温效果及延缓多年冻土退化方面均优于草皮护坡。

[1]马 巍,程国栋,吴青柏.青藏铁路建设中动态设计思路及其应用研究[J].岩土工程学报,2004,26(4):537-540.

[2]中国科学院兰州冰川冻土研究所.冻土路基工程[M].兰州:兰州大学出版社,1988.

[3]中铁第一勘察设计院集团有限公司.青藏铁路多年冻土区路基工程技术[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2007.