高原冻土区斜坡路基的基本理论及工程处理技术Word文件下载.docx

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2.冻土斜坡路基的发展及研究现状

2.1冻土斜坡路基的研究发展历程

早在16世纪，文献中己出现有关西伯利亚和北美有冻土存在的报告；

M.B罗蒙诺索夫曾发表“冻土地”的形成及其与气候、地形的关系等提出看法；

著名的谢尔金探井（116m深度内）的冻土温度资料就在1925年测得；

苏姆金的《苏联境内永久冻结土壤》专著于1927年出版，标志着冻土学己成为一门独立学科[]。

多年冻土地区斜坡问题作为冻土学及滑坡学的交叉课题是在冻土区经济开发的实践中产生和发展起来的。

随着冻土学的逐步成熟，多年冻土区斜坡研究也取得了进一步的发展。

McRoberts和Morgenstem[]在1973年对冻土斜坡的失稳进行了划分，可分为热融泥流、表层流和双模流。

我国在冻土滑坡分类方面起步较晚，研究资料也十分匮乏，周幼吴在《中国冻土》一书中曾对冻土斜坡失稳现象进行了划分和描述；

近期牛富俊等根据斜坡失稳时所处的温度环境对青藏高原冻土区斜坡失稳类型划分为正冻土滑坡和正融土滑坡；

正冻土滑坡分为崩塌型斜坡和蠕变型斜坡，正融土滑坡分为泥流阶地型、热融滑塌型和表土植被层蠕滑型[]。

牛富俊等就热融滑塌这一冻土地区普遍存在且较难防治的斜坡失稳类型进行了深入研究[]，探究其形成机理及自然消亡条件，认为当斜坡体开挖或受如河流侵蚀后融化土体将在临空面产生坍塌，土体坍塌后厚层地下冰处于半暴露状态或其覆盖层减薄，使得地下冰融化，融化水使塌落土体处于饱和、过饱和状态，而地下冰面又提供了良好的滑动面，饱和、过饱和的土体在聚集在冰面与土层间水的润滑作用下形成滑坡；

滑坡进一步引起斜坡土体的开裂、坍塌和滑动，随着气温的波动，这种坍塌-滑动、再坍塌-再滑动周而复始地持续下去，但滑坡前缘的土体随着排水、固结及地下冰融化面的加深将逐渐趋于稳定。

至于在冻土斜坡路基方面，目前国内外研究较少。

王彩霞对冰冻地区路堑边坡流放进行稳定性验算；

沈宇鹏在分析青藏铁路沼泽化斜坡路基稳定性分析时，依据冻融交界面位置和活动层的地温特征将冻土路基稳定性状态划分为冬季严寒期、春夏融化活动期、夏秋最大融深期及回冻活动期四个不同周期，并计算分析得出夏秋最大融深期的稳定性系数最小；

薛强等分析了安多试验段抛片石通风路基在防护提高斜坡路基稳定性的作用[3]。

2.2冻土斜坡路基的研究现状与问题

冻土斜坡路基的稳定性分析区别于普通路基的分析，也就是增加了地温的影响。

地温的变化，引发了路基内水分状态的变化，导致土体内部水分场的重分布，导致土体内的结构发生改变，同时土体的抗剪强度参数（内聚力、内摩擦角）和变形参数（弹性模量、泊松比等）都是温度的函数，受温度的影响较大。

因此，地温的变化是其它一切变化的根源。

随着多年冻土地温的周期性变化，路基（土体）的物理力学参数也不断变化，从而导致斜坡路基的稳定性也不断变化。

总的来说，目前冻土斜坡稳定性分析还存在以下问题[3]：

1.由于多年冻土随着气温的变化而不断改变其自身状态，并呈现周期性特征。

而冻土区内常出现冻土纵向裂缝，也是冻土路基破坏的上边界，需要对冻土路基破坏形式进行研究；

2.由于多年冻土的特殊性，导致边坡失稳有别于普通路基；

在冻土边坡中，边坡坡脚小于5°

时也出现破坏，这样的问题不能用通常极限平衡法来进行计算说明；

3.不同季节，冻土路基的地温不同，从而造成路基体内水分状态的不同。

由于冰屑的粘结作用，冻土和融土的强度相差甚远。

因此，冻土斜坡路基的稳定性系数不是恒定不变；

4.其他影响因素（降雨、地震力等）分析及不同工程措施的工作机理的探讨；

5.列车荷载特性具有动力特征，其加载的方式为时而加载时而卸载，因此路基土体的受力特征不断变化。

在这种条件下，冻土路基变形特征就有别有静力作用下的工作状态，需要通过室内外试验进行模型分析。

3.冻土斜坡路基的基本理论研究

本章通过参考查阅不同的文献资料，通过冻土区路基工程的特殊问题、设计原则，以及冻土斜坡路基的稳定性分析、失稳变形影响等方面，从理论上研究学习冻土斜坡路基的相关理论设计要求。

3.1冻土区路基的特殊问题及设计原则

受多年冻土工程地质特性的影响，路基工程将产生不同于一般地区的特殊性问题，主要有以下几个方面[]：

（1）地基融沉：

在多年冻土天然上限附近往往存在厚层地下冰和高含冰量冻土，由于其埋藏浅，受气候、生态、微地貌、水文条件等天然因素和各种人为活动的影响，很容易融化，天然上限下降，融化后的土体在其自重作用下发生融沉，导致路基沉降变形。

（2）路堑边坡溜坍：

多年冻土融化并引起土体溜坍。

路堑挖方对整个温度场产生极为不利的影响，下卧多年冻土的工程性质将发生显著变化，一旦冻土路堑开挖，冻土埋藏深度将变浅或完全暴露在大气当中，冰开始融化，土体饱水，强度急剧下降。

如果处理不当，将会引起路堑边坡开裂、下滑、溜坍。

（3）不同地质条件下结构物不均匀沉降：

不同的结构形式、几何尺寸，对多年冻土温度场产生不同的影响，温度场的差异又反过来影响下卧多年冻土的工程性质，引起路堤与路堑、路堤与桥在交接处附近产生不均匀沉降。

（4）冻胀：

在路基本体内含水量较高时，细颗粒土地基和路基填料由于寒季的冻结作用易产生较大的冻胀变形，导致铁路轨道的不平顺性，对行车速度和安全造成不良影响。

（5）裂缝：

在反复的冻结和融化作用下，最大融化深度范围内的路基土体相应地发生冻胀和融沉变形，导致路基土体强度下降，尤其在冻胀和融沉变形较大的表层，土体强度下降幅度较大。

由于路基阴阳坡受太阳辐射强度差别的影响，导致路基温度场、多年冻土人为上限的横向不对称，产生横向的不均匀沉降。

两方面因素致多年冻土路基易出现纵向裂缝。

裂缝宽度在几毫米甚至几十毫米，长度在几米甚至几十米。

图3-1至图3-3分别为地基融沉、路堑边坡溜坍以及裂缝的冻土路基展示图：

图3-1多年冻土铁路

图3-2多年冻土融化引起边坡溜坍

图3-3冻土区路基裂缝

多年冻土工程地质条件取决于多年冻土地温、含冰量、冻土上限及不良冻土现象等因素，也受包括气候、生态、微地貌、水文条件及人类活动等外部因素的影响。

而路基是跨越各种地质、地貌、冻土环境的长距离带状结构物，具有与大自然接触广的特点，气温、年平均地温、含冰量、太阳辐射、冻结层上水、路基结构形式、路基边坡朝向、施工季节、施工方式等都会影响路基基底下多年冻土地基的热稳定性，应根据综合条件采取相应的工程结构与处理措施。

通过阅读文献[8]，我总结了下列几条针对冻土路基的设计原则：

1.必须考虑冻土路基工程的长期稳定性。

在全球气候转暖的大背景下，必须考虑多年冻土对路基工程长期稳定性的影响。

根据对青藏高原未来气候变化的预测研究，采取的工程结构与处理措施应确保未来50年气温升高1℃的情况下路基工程稳定，在此基础上进一步提高路基工程抵御升温的能力。

2.路基不宜选取在高含冰量冻土，在工程地质复杂地段、水文及水文地质条件复杂地段、与融区交界的地段。

这些地段，无论采取何种保护多年冻土的措施或延缓多年冻土融化速率的措施，路基融沉、开裂、沉降都比较严重，因此不宜以路基通过。

3.应根据综合条件采取相应的工程结构与处理措施。

而路基是跨越各种地质、地貌、冻土环境的长距离带状结构物，具有与大自然接触广的特点，气温、年平均地温、含冰量、太阳辐射、冻结层上水、路基结构形式、路基边坡朝向、施工季节、施工方式等都会影响路基基底下多年冻土地基的热稳定性，应此该根据综合条件采取相应的工程结构与处理措施。

3.2斜坡路基的稳定性分析

如果坡体土（岩）内部某个面上的滑动力超过了土（岩）体抵抗力的能力，边坡将产生滑动，即失去稳定；

如果滑动力小于抵抗力，则认为边坡是稳定的。

边坡稳定性分析方法较多，主要有定性分析法（图解法、类比法）、定量分析法（极限平衡法、数值分析法）和非确定性分析法（模糊分析评判法、可靠性分析法）。

下面以定量分析法中的极限平衡法为例，介绍斜坡路基的稳定性的分析[]。

建立在极限平衡原理基础上的边坡稳定分析方法包含以下几条基本原则：

（1）安全系数的定义

土坡沿着某一滑裂面的安全系数F是这样定义的，将土的抗剪强度指标降低为c'

/F和tanφ'

/F，则土体沿着此滑裂面处处达到极限平衡，即：

τ=c'

e+σ'

etanφ'

e（3-1）

其中，c'

e=c'

/F，tanφ'

e=tanφ'

/F

上述将强度指标的储备作为安全系数定义的方法是经过多年的实践被工程界广泛承认的一种做法。

采用这一定义会在数值计算方面增加一些迭代、收敛的问题。

（2）摩尔—库伦强度准则

设土体的一部分沿着某一滑裂面滑动。

在这个滑裂面上土体处处达到极限平衡，满足摩尔—库伦强度准则。

设土条底的法向力和切向力分别为ΔN和ΔT，则有：

ΔT=c'

eΔxsecα+（ΔN-uΔxsecα）tanφ'

e（3-2）

式中，α为土条底面倾角，u为空隙水压力。

（3）静力平衡条件

将滑动土体分成若干土条，每个土条和整个滑动土体都要满足力和力矩平衡条件（图3-4）。

在静力平衡方程组中，未知数的数目超过了方程式的数目，解决这一静不定问题的方法是对多余未知力作假定，使剩下的未知数和方程数量相等，从而解出安全系数的值。

关于未知力的不同假设形成了不同的边坡稳定评价方法。

图3-4边坡稳定分析中的土条

至于边坡稳定的评价方法有瑞典条分法、毕肖普（Bishop）法、滑楔法等方法，各有其优缺点，这里便不针对各评价方法一一列举分析了。

3.3多年冻土斜坡路基失稳变形影响

文献[10]在青藏铁路多年冻土斜坡路基失稳变形特性的初步研究基础上，以青藏铁路风火山试验段冻土斜坡路基为依托，采用离心模型试验，从力学相似性角度建立处于最大融化深度状态下阳坡一侧半幅多年冻土斜坡路基模型，进一步系统地研究路基土层力学性质、路基高度和地基坡度等对多年冻土斜坡路基稳定性的影响规律，以及路基变形失稳特性、失稳变形机制及模式，对比分析冻土斜坡片石路基和普通路基的变形规律，得出了如下结论[]：

（1）土层力学参数对多年冻土斜坡路基的稳定性影响显著，路基从稳定状态到开裂直至严重破坏，说明路基面雨水的下渗对多年冻土斜坡路基的稳定性具有显著的影响。

（2）从力学稳定的角度，路基高度和地基坡度对路基稳定性影响较大。

冻土斜坡路基的变形随路堤中心高度和地基坡度增大而增大，路基稳定性也随之变差。

（3）由于冻土斜坡路基人为上限分布的不对称性，各土层分布的不均匀性，在上部荷载作用下，冻土斜坡路基的沉降和横向变形都表现出较大的不均匀性，最大变形位置并不在路基中心，而是在路肩，主要是由于路基中心融深向阳坡偏移的结果。

（4）路基水平变形主要集中在冻融交界面之上的融土层，骤变点在冻融交界面附近，路基失稳变形破坏的最主要原因是软弱带抗剪强度不足。

（5）按裂缝特征及破坏严重程度，多年冻土斜坡路基的破坏模式可分为浅层开裂、深层开裂、整体滑移破坏3种。

从滑裂面特征看，3种破坏模式在路基面上的开裂位置均在阳坡一侧的荷载板边缘，对于深层开裂和整体滑移破坏模式，裂缝贯通路堤融土后，顺着软弱带滑动。

（6）在同样土层力学参数、路堤高度和地基坡度下，处于最大融深状态下的普通路基发生严重的破坏，而对于片石路基，虽然软弱带变形较大，但片石层之上路堤本体内的相对变形较小，具有较好的整体稳定性。

图3-5路基破坏图

4.冻土斜坡路基的工程处理技术（稳定性防护）

在青藏高原的斜坡地段修建路基，由于地势的限制，填挖方较大，为确保富冰!

多冰冻土段斜坡路基的稳定性，采用一些调控地温的技术手段去保护多年冻土显得十分必要。

青藏铁路主动保护冻土的工程措施有:

热棒、铺设保温材料遮阳板、通风路基等结构，在斜坡地带采用这些技术，可以有效的保护多年冻土，减缓阳破坡脚冻土的退化，减小路基地温场阴阳坡差异，从而提高斜坡路基的稳定性，确保铁路运营的安全长久。

（1）热棒

用于保护多年冻土路基的热棒是一种依靠重力而不需要外力的主动冷却系统。

在纯主动形式下，只要单元的上部比下部冷，循环就会重复进行。

它可以将冷量有效地传递贮存于地下，又可有效地阻止热量向下传递，是一种可控热量传递的高效热导装置[]。

热棒是一种两相液汽对流循环热传导系统，它实际上是由一根密封的管组成，里面充以工质，管的上部接冷凝器，下部为蒸发器（如图3-6）。

当冷凝器与蒸发器之间存在温差（冷凝器温度低于蒸发器温度时），蒸发器中的液体工质吸收热量蒸发成汽体工质，在压差作用下，至冷凝器；

与较冷的冷凝器管壁接触，放出汽化潜热，冷凝成液体，在重力作用下，液体工质沿管壁流回蒸发器再蒸发。

如此往复循环，将热量传出。

只要冷凝器与蒸发器之间存在着温差（据试验，温差0.1℃便可启动工作），这种循环便可持续进行下去。

图4-1热棒工作原理图

（2）保温材料

保温法就是在路基内加铺一层保温材料，利用保温材料的低热导性（热阻）阻止上部热量进入下部土层，从而起到保护多年冻土作用的一种方法。

对于道路工程，表面热交换条件的改变所引起的路基内的热积累会导致多年冻土上限的下降，当铺设保温层后，则有可能补偿着这部分上限下降，保持多年冻土上限稳定，甚至抬升。

保温材料的导热系数越小，其效果就越佳。

保温层之所以可抬升多年冻土的上限是因为它的热阻效应所致，这种热阻效应在阻止上部热量的向下传输的同时也阻止了冷季多年冻土向外部的散热。

它可以改变进入多年冻土的热周转量，但是不能改变进出多年冻土热量平衡的趋势。

修筑道路后路基内通常呈热积累发展趋势，因此保温层的效果也只是减弱热积累的发展，延缓多年冻土的升温，而不能扭转这种热积累的趋势[]。

（3）遮阳棚

遮阳棚技术从传热理论上讲，属于调控辐射以有效控制路基温度场，主要优点是它既能遮蔽太阳对路面和路基边坡的辐射，又能有效地防止夏季降水渗入路基和冬季降雪覆盖路面，并且能够保证路基的整个横断面利用年平均负温的外部空气进行自然和均匀的通风。

在正常有序地排除地表水和地下水的情况下，若路堤及基底附近无积雪和太阳辐射，就可以完全消除路堤变形的主要根源——路堤基底多年冻土层退化，进而消除路堤产生的变形。

当车辆通过搭建有遮阳棚的线路时，其下面的路堤受到大气自由和强制通风的影响，会增大涡流热交换和路面的蒸发作用，因而对土体起到冷却作用。

采用遮阳棚这一方法措施来给路基土降温，是利用遮阳棚来预防路堤堤身与基底土免受直接的太阳辐射和雨雪水的影响，因为这些都是造成路基底冻土层退化和线路沉陷的主要原因。

实质上，遮阳棚对路堤堤身和基底土的冷却作用，类似于多年冻土地基上的房屋和建筑物地下室利用室外空气自然通风对地基实施冷却作用。

为了提高遮阳棚对太阳辐射的反射率，增加遮阳棚防辐射效果，在遮阳棚外表面涂上具有高反射性质的涂料油漆，如涂上白色或银白色油漆材料，效果会更佳[12]。

（4）碎石护坡+片石路基

碎（片）石护坡调节路基温度是一个长期的过程。

首先通过在路基边坡上增设片石、碎石层，依靠内部孔隙中空气对流降温机理及片石、碎石层的遮阳作用，改变路基边坡温度边界条件，最终影响路基内部温度的变化；

同时根据路基坡向不同，碎石厚度也不同，以此调节温度场的对称性，减少路基横向变形差异。

片石路堤是指空气可以在路堤片石层内流动的路堤结构，通过路堤内人为造成的孔隙来改变一般填筑路基的传热方式，将单一的导热散热方式变为导热和对流两种散热方式，加强了对流换热，促进堤身热量的散发;

同时片石通风路堤利用片石层的热开关效应，减少传人地基多年冻土中的热量，维护墓底多年冻土的稳定，从而提高路堤的稳定性。

由于青藏高原严酷的自然条件对路基边坡的破坏，进而加剧路基变形，而碎石护坡可以很好的防止这种破坏作用，因此在青藏铁路的建设实践中，结合片石路基能够有效增加路基蓄冷能力，碎石护坡能够防止边坡破坏并且在一定程度上可以起到冷却土体的优点，创造性的提出了这种路基底部铺设块石层，边坡铺设碎石的复合型路基结构形式，并且取得了较好的工程效果，这种复合结构路基已经在青藏铁路多年冻土区推广应用[]。

5.总结

本读书报告以青藏铁路为主要对象，对高原冻土区的斜坡路基相关基本理论和工程处理技术进行了文献的查阅和资料的阅读学习。

通过搜集相关冻土斜坡路基的研究文献及资料，对冻土斜坡路基的研究状况有了一定的了解及较为系统的认识，具体收获如下：

（1）了解了冻土路基的区别于普通路基的特殊问题；

（2）对斜坡路基的稳定性分析有了初步的认识，认识了用极限平衡原理分析斜坡的稳定性；

（3）系统地认识了对冻土斜坡路基失稳变形影响；

（4）对冻土斜坡路基对一些常规工程处理技术有了大致的了解。

在对文献的学习与分析中，我觉得对冻土斜坡路基分析研究方面还可做进一步的补充和完善：

（1）试验数据是最真实的反映和最有力的证据，在试验设备允许的情况下应充分结合现场试验，并在试验中改善加载系统等设备使之尽可能真实模拟冻土路基的实际受力条件，如列车荷载、地震荷载、风速风向改变、日照时间、太阳辐射等重要影响因素的施加或改变；

（2）路基病害并不全是短时间发生的现象，很多病害都是长时间变化产生的，因此对路基土体样品或数据的提取应以长期监测的资料和数据为准，并及时校对一些参数的变化；

（3）应考虑多场耦合，冻土介质中渗流场、应力场、温度场三者的耦合才是最真实的状态，一些文献中仅对温度场或应力场单向耦合的角度对冻土斜坡路基稳定性进行了分析。

总的来说，在这次读书报告中，我对冻土斜坡路基这个课题的认识上，有了较为初步的概念和认识，这是在课堂之外能学到知识的更为有效的办法之一，在不断查阅文献中，能积累学习一些知识。

在以后的学习中，我会更好地运用这一种学习方法，提高自己的自学能力。

参考文献