青藏铁路多年冻土区冻胀丘发展特征及其对路基稳定性的影响

王 平

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 概述

青藏高原多年冻土区属于高寒大陆性气候，具有寒冷、干旱、空气稀薄、气候多变、生态环境脆弱和冻土环境敏感的特点［1-3]。从19世纪50年代开始，随着西藏经济发展的需求，青藏高原上相继修建了大量的线性工程，其中青藏公路、输油管道、输电线路以及20世纪初修建的青藏铁路等大型工程对脆弱而敏感的冻土环境产生了很大影响。同时在全球气候变暖和青藏高原气温升高的双重效应下［4-6]，青藏高原多年冻土开始退化，年平均地温升高，多年冻土上限下降，融区面积逐年增加［7-9]，冻融现象也呈加剧趋势。

冻胀丘是寒区工程常见的一种次生病害［10-12]，是由于地下水受冻结地面和下部多年冻土层的遏阻，在薄弱地带冻结膨胀，使地表变形隆起，也是青藏高原多年冻土区经常可以看到的一种冻土地貌，青藏铁路沿线的冻胀丘主要以季节性河滩-河床型为主。冻胀丘对路基的破坏主要表现在两个方面，一是冻胀丘对路基的挤压或顶托破坏，二是为冻胀提供水源条件，冻胀丘融化后，融水汇聚或渗进路基，造成路基及其周围土体饱和引起路基冻胀。为了研究冻胀丘对路基的影响，从保护工程安全角度出发，本研究选取青藏铁路K966+746右侧发育的冻胀丘进行监测研究。

2 监测区基本条件

2.1 冻胀丘的形成

该处为斜坡填挖过渡段路基，地势左低右高，路基右侧设置了挡水埝，挡水埝后局部积水，最大积水深度1 m左右，并于融期渗透穿过挡水埝，在挡水埝内侧原堆土处产生冻胀，形成类似于冻胀丘的形态(图1)。丘体规格18.5 m×3.3 m×2.5 m。该丘体表面曾发生过冻胀，并在夏季形成了表面的沉陷、坡面的融化泥流等现象，由于反复的冻胀、融沉，导致在挡水埝坡顶出现长39 m、宽5 cm的裂缝，挡水埝顶面沉降10 cm。该处夏季丘体融水出渗，造成路基右侧积水及下沉，下沉范围22 m×10 m。

图1 发育的冻胀丘及融水导致地面沉陷

2.2 区域气象条件

该区气温波动较大，气候寒冷，年平均气温-2.5℃，最高气温13℃，最低气温-19℃，年降雨量200 mm。每年10月中旬到次年4月中旬为冻结期，冻结指数为37.6℃.月(一年内月平均气温0℃以下值的累计值)，4月中旬到10月中旬为融化期，融化指数为15.3℃·月(一年内月平均气温0℃以上值的累计值)，融冻指数比0.41。

2.3 工程地质条件(图2)

监测区位于昆仑山北侧高山丘陵区处，青藏铁路K966+746路基右侧，海拔4 500～4 800 m，多年冻土厚60～120 m，天然上限0.9～2.3 m，以古冰川、现代冰川及寒冻风化地貌形态为主，冻土不良地质现象发育，主要不良地质现象有融沉、冰椎和冻胀丘等。

该区植被稀少，0～0.3 m草皮层，覆盖度不足10%，0.3～1 m为黄色黏土层，密实、无砂砾，含水量约15%。1.0～8.6 m为砾砂层，其中，1.0～2.5 m为少冰冻土，体积含冰量10%左右，融化后较松散;2.5～4.5 m为饱冰冻土，体积含冰量50%以上，融化后较松散，有大量水渗出;4.5～8.6 m少冰冻土，泥质结构，密实，锤击不易碎，呈塑性。8.6 m以下为页岩沉积层，浅灰色，含少量深灰色砂砾，约10%左右，粒径均小于5 mm，含水量很小，一般都在5%左右，坚硬、密实。

图2 地质剖面(单位:m)

2.4 监测设备布设

于2007年9月钻孔勘察，并布设了地温、水分、地下水位、分层冻胀及地表变形监测点(图3)。

3 结果与分析

3.1 土体含水量

由于挡水埝后积水且穿透挡水埝，对路基右侧土体造成热融和软化影响。表现在土体含水量方面(图4):由于No.1和No.2号孔多年冻土上限下发育含土冰层，1～4 m深度范围的土体总含水量显著高于其他深度，而No.3、4、5号孔尽管相应深度由于含冰量低于No.1、2号孔，含水量也低于 No.1、2号孔。但在No.3、4、5号孔中，1～4 m深度范围的土体总含水量仍然高于其他深度。

3.2 地温变化及对路基稳定性影响

图5为2007年各孔年平均地温图，该图表明，天然条件下测温孔平均地温与经扰动后的路基侧地温存在着显著差异，天然孔不同深度地温最低，而路基坡脚处检测孔(No.5)地温最高。尤其在浅部差异更为显著，其中天然孔0.5 m深度地温低于路基坡脚处No.5号孔相同深度地温2.2℃，15 m深度地温相差近0.5℃。表明地表扰动及路基侧积水对地温产生了显著影响。

图3 监测设备平面布置(单位:m)

图4 各地温孔土体总含水量随深度分布

图5 2007年年平均地温曲线

图6 2007年多年冻土上限深度

在上述温度差异的影响下，不同位置孔中多年冻土上限埋深也表现出了显著差异。图6表明，天然条件下的多年冻土上限为0.75 m，随着向路基方向的靠近，多年冻土人为上限逐渐加深，至路基坡脚附近上限深度变化至2.3 m。因此，工程活动不仅对地温造成了影响，也进一步影响到多年冻土上限的分布。在监测场地，挡水埝后水体的渗流也是导致地温升高和上限深度增加的重要因素。其对工程的危害表现在对路基热稳定性造成影响，并会通过路基附近土体的逐年沉陷诱发路基稳定性的降低。

3.3 土体含水量变化及对路基稳定性的影响

图7为丘体不同深度含水量变化情况，表明不同深度的含水量变化趋势与气温变化相一致，融化期间含水量普遍较高，最高达25%;冻结期开始后，土体含水量急剧降低，并在气温小于-5℃后土体含水量接近于0%。由于水分探头无法测量到土体的未冻水含量，所得接近0%含水量的结果表明土体已经完全冻结。土体中水分的变化是导致冻胀和融沉的根本因素，土体完全冻结后基本没有水分迁移的发生，从而冻胀也会基本停止。

图7 不同深度水分随时间变化曲线

图8 路基侧不同深度水分随时间变化曲线

图8为靠近路基的路侧地面积水、下沉区域土体含水量变化情况。监测显示，该处土体含水量显著高于丘体土体，融化期间最大达60%。后期由于探头在水中的长期浸泡或其他原因，未能得到准确的数据，但初期的数据反映了该处土体处于饱和、过饱和状态。土体的这种水分状态对于下伏多年冻土及地面的冻胀和融沉造成了显著影响，直接的表现为土体温度的升高和多年冻土上限的下降，并可能在沉降、积水范围的扩大的情况下，通过侧向热侵蚀对路基稳定性形成危害。

3.4 地面变形及对路基稳定性影响

监测场地地面变形通过定期测量监测断面布设的7个冻胀板的相对高程变化来确定。自2008年1月至2010年4月期间的变形监测结果如图9所示。图中变形点变形与时间关系曲线表明:整体上各点都表现出了冷季的冻胀和暖季的下沉;断面深层变形相对稳定(No.1、2、7)，浅层变形相对剧烈，尤其在路基侧的沉陷区域，以No.6冻胀监测为例，2007～2008年冷季，地面冻胀33 mm，2008年暖季，地面下沉82 mm，2008～2009冷季，地面冻胀33 mm，2009年暖季，地面下沉89 mm，2009～2010年冷季，地面冻胀29 mm。最大冻胀与最大融沉导致地面存在约10 cm的变形。其原因可能是该处为路基右侧积水坑，夏季冻胀丘融水汇聚于这里，融化层基本处于饱和或过饱和状态，所以有较大的融沉量。地面冻结之前，土体含水量仍然较高，所以产生了较大的冻胀量。地面的频繁上涨和下沉可能会造成路基一定的变形，也可能由冻胀产生的冻胀力侧向挤压路基。

图9 地面变形监测曲线

3.5 水位水温监测

图10是路基坡脚处水位孔水位和水温随时间变化情况。从图中可以看出，路基坡脚处8月初水位比较高，约为-0.15 m，从8月初开始水位波动下降，但在当年9月底，水位重新出现一个高值，之后再次持续下降，当水温为0℃时水位约为-1.6 m，时间是11月上旬。这一水位变化趋势是与春季挡水埝后的水体解冻、渗流及夏季降水密切相关的，整体上由于该处一直有水源补给，地下水位较高，不但对下伏多年冻土具有热影响，也对于其侧的路基具有不良影响。表明该处的路基侧排水措施需要进一步改进、完善。

4 结论与讨论

图10 路基坡脚水位/水温随时间变化曲线

(1)冻胀丘是多年冻土区普遍存在的冻胀现象之一。由于修筑路基可能压实了地基下的含水层，阻碍了地下水的通道，并且挡水埝等排水设施破坏，在路基高侧产生了冻胀丘。

(2)冻胀丘所产生冻胀与融沉的根本原因在于温度变化导致的土体中的冰-水转化，结合到工程地质和水文条件，由于土体具有弱冻胀性，挡水埝后积聚的水体渗穿堰体后提供了连续的水源，导致了路基侧多年冻土的热状况变化，并在周期性的气温正负变化过程中导致了地面的冻胀与融沉，在此两方面的长期影响下，将会对路基的热稳定性、力学稳定性产生危害。

(3)路基坡脚处水位较高，应加强排水措施截断地下水，并保持挡水埝排水畅通，阻止地下水流向路基，同时以渗水土填筑路基防止冻胀。

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