趙相卿，程 佳，韓龍武，蔡漢成

(1.中鐵西北科學研究院有限公司 技術中心, 甘肅 蘭州730000；2.青海省凍土與環(huán)境工程重點實驗室,青海 格爾木 816000)

青藏鐵路穿越高原多年凍土區(qū)長約547 km，是中、低緯度地帶海拔最高，多年凍土分布面積最廣、厚度最大、溫度較低的地區(qū)，其自然條件惡劣，地質(zhì)條件復雜。青藏鐵路格拉段多年凍土區(qū)路堤運營以來基本保持了一種良好的運營狀態(tài)[1-2]，但是由于全球氣候變暖及青藏高原人為活動增加等因素的影響，近年來青藏高原降雨量逐年增加[3]，部分地段路堤發(fā)生了一定的變形等問題，影響青藏鐵路的安全運營[4-8]。

目前國內(nèi)外關于路堤高度對工程的穩(wěn)定性影響在鐵路和公路方面都有一定研究，但多集中在非多年凍土區(qū)，即一般多在軟土、黃土等特殊土或軟巖地基等地基類型中[9-13]。高原多年凍土區(qū)的路堤具有和普通地區(qū)完全不同的工程地質(zhì)條件，路堤填筑高度導致其熱學穩(wěn)定性發(fā)生變化[14]，從而影響路堤力學穩(wěn)定性。因此本文開展青藏鐵路多年凍土區(qū)路堤高度研究。

1 多年凍土區(qū)路堤合理高度的研究現(xiàn)狀

關于凍土區(qū)路堤合理高度的研究，國內(nèi)外學者從路堤合理高度的角度出發(fā)，給出了路堤合理高度存在的環(huán)境氣溫和上下臨界高度[15-19]。前蘇聯(lián)在20世紀60年代，就開始對多年凍土上路堤最佳高度進行研究。多年凍土上修筑路堤后，如果地基多年凍土的上限能夠上升至基底，則路堤是不會下沉的；如果基底下存在季節(jié)活動層，則季節(jié)活動層的壓縮將使路堤產(chǎn)生下沉。下沉量不超過允許值時，路堤的設計高度便是最佳高度[20]。20世紀70年代，前蘇聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)，在貝阿干線的低溫凍土區(qū)，僅高度小于1.5 m的石質(zhì)土路堤下的多年凍土上限才下降，在用非石質(zhì)土修筑的路堤下，多年凍土上限總是上升的；在高溫多年凍土區(qū)，路堤下多年凍土的上限總是下降的，其下降值為2～4倍天然上限埋深[21]。美國曾于1978年和1982年，在阿拉斯加的巴羅地區(qū)，進行了北極苔原上的路堤臨界高度試驗。觀測結果表明：在阿拉斯加的巴羅地區(qū)，用礫石修筑的路堤，其臨界高度應在1 m左右[22]。

我國關于多年凍土地區(qū)路堤臨界高度的研究始于20世紀60年代。為了研究青藏高原多年凍土地區(qū)路堤的合理高度，鐵路凍土科研工作者從1960年開始就已在青藏高原凍土腹地的風火山北麓地下冰地段建立凍土定位觀測站和路堤試驗場。開展了系統(tǒng)的試驗、觀測和分析研究。在《青藏高原多年凍土地區(qū)鐵路勘測設計細則》中規(guī)定：青藏高原多年凍土區(qū)的腹部地帶，黏性土路堤的臨界高度約為0.5 m。也就是說，高于0.5 m的黏性土路堤，地基多年凍土的天然上限是要抬升的。此外還數(shù)次進行了沿青藏公路的多年凍土路堤調(diào)查、監(jiān)測和解剖[18]。

多年來，結合青藏鐵路的修建，國內(nèi)學者研究了青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)路堤臨界高度存在的條件和計算方法，并提出了青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)路堤最小設計高度的計算方法。長安大學王鐵行[17]等對青藏高原多年凍土上臨界高度進行了研究，研究結果表明：對于年均氣溫-4 ℃，天然上限在1.95～2.95 m的場地進行了計算，其結果近似呈直線分布，得到瀝青路面路堤和砂礫路面路堤上臨界高度。對砂礫路面路堤，計算得到年平均氣溫-4.0 ℃、天然上限2.6 m場地砂礫路面路堤的上臨界高度為2.7 m。

2 青藏鐵路多年凍土區(qū)路堤臨界高度

對于多年凍土區(qū)的普通結構路堤而言，其熱穩(wěn)定性與路堤高度有關，關于路堤的臨界高度問題，已有的研究成果主要考慮如何保證路堤修建后人為上限不下降的問題，主要研究結論有：①年平均氣溫低于-3.1～-3.8 ℃和年平均地溫低于-0.6～-0.7 ℃是青藏高原多年凍土區(qū)路堤臨界高度存在的必要條件；②在青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)粗粒土路堤的最小填筑高度為2.3～3.5 m。

從保護凍土出發(fā)，單純地考慮路堤高度時，熱穩(wěn)定的影響是比較簡單的，因為路堤高度大，意味著從上界面流向地中的熱量傳遞過程中，熱阻增大，堤體的熱儲(熱容和相變熱)也增加。增加路堤高度，有利于熱穩(wěn)定。但是該結論受到2個條件限制：第1個限制是路堤高度不能過低，第2個限制是路堤高度不能過高。亦即習慣稱之“下臨界高度”和“上臨界高度”。

路堤的上臨界高度,是指施工竣工后堤身與基底天然上限在第1個寒季凍結銜接的最大填筑高度,是熱穩(wěn)定性的路堤高度,并非常規(guī)設計規(guī)范所規(guī)定的由填料性質(zhì)、地形(地面橫坡)、構造界限所限的堤高。

路堤高度過低，是因為路堤天然建筑場地受堤體的壓密排水，使天然土層的熱阻減小和熱儲減小，而堤體增加的熱阻和熱儲尚不足以補償前者的減小，因此，反饋影響導致整體的熱穩(wěn)定狀況惡化。

路堤高度過高，是堤體冬令期的冷儲能力超過了環(huán)境氣候?qū)Φ腆w在冬令期內(nèi)可能的冷儲能力，使夏令期施工賦予堤體的總熱儲，在當年的冬令期內(nèi)不能全部消除，在堤體內(nèi)形成殘留融化區(qū)。該融化區(qū)常與堤體下天然季節(jié)層相銜接，以致連續(xù)幾年，甚至多年不能消失，這種狀況是路堤熱穩(wěn)定性所不允許存在的。

路堤的最大填筑高度由區(qū)域凍結能力控制，與施工工藝、施工季節(jié)有十分密切的關系。寒季填筑的路堤，填方高度不受熱工計算要求的控制，主要考慮力學穩(wěn)定問題；暖季施工的路堤，則必須考慮填料帶入堤身的熱量散逸速度。

路堤基底天然上限上升的必要條件是，工程所在地區(qū)氣候凍結能力必須大于融化能力。消耗于季節(jié)融化層凍結銜接后所剩下來的凍結能力，稱為過余(潛在)凍結能力。當區(qū)域氣候的過余凍結能力大時，在該地修筑路堤的上臨界高度也大。在一般情況下，當把融凍深度看作地表積溫的函數(shù)時，可用地表積溫來衡量凍結與融化能力。由于年平均地表溫度t0可用下式表示。

(1)

式中：∑(+tτ)和∑(-tτ)分別為地表正積溫、負積溫，即1年內(nèi)地表日平均正溫或負溫度值之和(℃·d)；τw為年周期(365 d)。

因此，當|∑(+tτ)|>|∑(-tτ)|時，t0>0 ℃，此時零振幅深度地溫(多年地溫)tcp>0 ℃,無多年凍土層；對于放熱型或穩(wěn)定型的多年凍土地區(qū)(即地表年均溫低于或等于溫度零振幅深度地溫)，當|∑(+tτ)|=|∑(-tτ)|時，t0=0 ℃，tcp≥0 ℃，無多年凍土層，或呈零梯度多年凍土層。以上情況均無法利用過余凍結能力。只有在|∑(+tτ)|<|∑(-tτ)|時，才能考慮過余凍結能力的利用，而且當|∑(+tτ)|?|∑(-tτ)|時，t0?0 ℃，tcp?0 ℃即地表正、負積溫差越大，多年地溫越低，過余凍結能力越大。

當以地表年均溫t0<℃作為多年凍土存在和發(fā)育的前提條件，由于青藏高原不同下墊面下的多年平均地面溫度比年平均氣溫要高2～4 ℃或更大，因而可以認為：當年均氣溫為-2～-4 ℃以上時，才有可能存在過余凍結能力；若年平均氣溫高于或等于-2～-4 ℃，就必須根據(jù)土質(zhì)、含水量、朝向和地形等條件，綜合考慮路堤凍土核問題。青藏高原連續(xù)多年凍土地區(qū)年平均氣溫一般為-4～-6 ℃，正、負積溫差較大(差值1 500～2 400 ℃·d，負積溫是正積溫的3～8倍)，有較充分的過余凍結能力，因此能使一定高度的新填土層凍結并與多年凍土銜接。

當路堤填筑地段的氣候存在過余凍結能力時，如果路堤人為上限hT小于路堤高度H和基底天然上限h0之和，即hT

當凍土核升入堤身后，就存在堤高與凍結能力的平衡問題。由于路堤的斷面形式、填料性質(zhì)、表面狀態(tài)均有利于寒季的散熱，因而雖然存在暖季陽坡水平熱流對堤身的加熱作用，堤身的年際凍深仍然大于天然地層的可能凍深。但由于新填路堤填料帶入堤身的熱量，需消耗一部分過余凍結能力，影響了堤身及其基底的溫度分布。這一部分熱量對路堤凍結狀況的影響，隨路堤高度和施工季節(jié)的不同而變化。

以往的研究結果表明：我國風火山地區(qū)鐵路試驗路堤自上而下的凍深應為4.8～5.7 m?；貎龈叨燃s為整個凍深的36%，則路堤的凍深應為7.5～9.0 m。即當天然上限為1.5 m時，路堤的填筑高度若控制在6.0～7.5 m，則已最大限度地使用了當年區(qū)域氣候的凍結能力和多年凍土層的回凍能力，沒有余力去繼續(xù)冷卻上下零度等溫線銜接區(qū)的高溫凍土區(qū)。經(jīng)試驗工程觀測資料所證實的風火山地區(qū)黏性土填筑的路堤，其Hmax≤7.5 m，為避免在基底附近形成融化夾層，該地暖季路堤的最大填筑高度，應控制在7.5 m以下。

也就是說我國青藏高原風火山地區(qū)用細粒土填筑的試驗路堤，從熱學上說，經(jīng)過1個凍融循環(huán)路堤—地基內(nèi)凍土能夠銜接的最大路堤高度為7.5 m，那么這個研究成果是否能夠用于進行界定青藏鐵路高路堤的臨界高度不得而知。因此，有必要對青藏鐵路路堤工程地溫監(jiān)測的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)展開分析，確定青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)的路堤中是否存在不銜接凍結狀態(tài)即存在融化夾層現(xiàn)象。

3 長期監(jiān)測系統(tǒng)地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

青藏鐵路凍土區(qū)工程長期觀測系統(tǒng)共建設地溫和變形觀測斷面78處，其中路堤穩(wěn)定性地溫和變形觀測斷面66處，橋梁基礎穩(wěn)定性地溫和變形觀測斷面4處，涵洞基礎穩(wěn)定性地溫和變形觀測斷面8處。

為了弄清多年凍土區(qū)路堤自上而下的凍結深度問題，從長期監(jiān)測系統(tǒng)中選擇其中的融區(qū)監(jiān)測斷面來進行路堤的凍結深度實測數(shù)據(jù)分析，其中為普通路堤結構形式且數(shù)據(jù)鏈完整的共有4個，里程分別為K954+185，K1 190+650，K1 431+480，K1 497+845。

在這4個監(jiān)測斷面中，左、右路肩下路堤凍結過程曲線如圖1—圖4所示。從圖中可以看出，線路走向?qū)β芳绲膬鼋Y過程有較大影響，整體來說陰坡側路肩下路堤凍結深度均比陽坡側大，凍結持續(xù)時間更長。其路肩凍結深度特征見表1。

從表1可以看出，路堤的凍結深度和其所處地段氣候環(huán)境有一定相關性，與多年凍土一樣，其路肩下的凍結深度和海拔高度、緯度、路堤高度和太陽輻射等有一定的相關性影響。

從這4個路堤的凍結過程曲線圖結合其工程環(huán)境特征中可以得到的主要結論如下。

(1)在青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)中的融區(qū)普通路堤結構，其左右路肩的凍結深度為2.8～6.8 m之間，其中陽坡側路肩下凍結深度在2.8～6.5 m之間，陰坡側路肩的凍結深度在3.3～6.8 m之間。

(2)左右路肩下凍結深度的陰陽坡效應明顯，受線路走向的影響，陰坡路肩下凍結深度均大于陽坡路肩，線路走向越趨于東西向，兩側路肩下凍結深度差異越大，陰坡側凍結深度是陽坡側的1.04～1.71倍。

(3)從監(jiān)測到的數(shù)據(jù)來看，唐古拉山埡口附近的K1 341+480監(jiān)測斷面海拔最高，其路堤自上而下的凍結深度達到最大，兩側路肩分別為6.5和6.8 m，其余地段相對凍結深度相對較小。

因此，在目前的青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)中，普通路堤結構的自上而下的凍結深度影響范圍在2.8～6.8 m之間，最大不超過6.8 m。反過來如果說路堤填筑高度超過6.8 m，那么可以推斷，6.8 m以下的路堤及地基必然以消耗多年凍土層中的冷量為代價形成新的穩(wěn)定的路堤地溫場，使其多年凍土淺層地溫升高成為必然，這樣會給多年凍土區(qū)高溫高含冰量路堤的穩(wěn)定性帶來不利的影響。

圖1 K954+185路堤凍結過程曲線

圖2 K1 190+650路堤凍結過程曲線

圖3 K1 431+480路堤凍結過程曲線

圖4 K1 497+845路堤凍結過程曲線

表1 長期觀測系統(tǒng)融區(qū)路堤監(jiān)測斷面路肩凍結深度表

注：黑體數(shù)字為陰坡側路肩下凍結深度。

4 多年凍土區(qū)路基地溫變化特征

在長期監(jiān)測系統(tǒng)的共計66個路堤監(jiān)測斷面中的多年凍土區(qū)路堤共計55個，其中填筑高度(路堤中心高度)大多在2～4 m。

由于長期監(jiān)測系統(tǒng)于2006年年底全部建成，因此通過建設完成至2007年底數(shù)據(jù)分析其上限變化和是否存在融化夾層，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得到存在融化夾層的監(jiān)測斷面有3個，即K1 156+650，K1 480+150，K1 496+751的監(jiān)測斷面存在融化夾層，其中后2個監(jiān)測斷面路堤高度分別為2.7和5.8 m，均未超過6 m且為凍結層上水過水斷面，由于受到凍結層上水的熱侵蝕較為嚴重從而導致人為上限不斷下降，高含冰量凍土融化導致路堤沉降變形，這種情況以K1 496+750路堤監(jiān)測斷面代表，如圖5所示。

圖5 K1 496+750路堤斷面地基多年凍土變化情況(單位：cm)

長期監(jiān)測系統(tǒng)中，填高超過7.0 m的凍土路堤監(jiān)測斷面只有K1 156+650，路堤中心填筑高度達到了10 m，填筑高度超過了既有研究成果中的上臨界高度。

K1 156+650監(jiān)測斷面所處的地貌單元屬風火山區(qū)，位于風火山南坡，地形起伏較大，地勢右高左低(如圖6所示)，地面高程范圍約4 790～4 805 m，該段天然場地年平均地溫為-1.1 ℃，天然上限為1.22 m。該段路堤中心高度為10 m，2007年6月該段路堤邊坡增設片石護坡，即由普通路堤改為片石護坡路堤。

如圖7所示，K1 156+650監(jiān)測斷面天然測溫孔天然上限為1.22 m，年平均地溫在-1.1 ℃，根據(jù)天然孔地溫結合地質(zhì)資料判斷，本段路堤處于低溫低含冰量基本穩(wěn)定多年凍土區(qū)。

圖7 K1 156+650監(jiān)測斷面天然測溫孔年平均地溫曲線

2006年7月—2008年6月共計2年來，K1 156+650路堤的左、右路肩下年平均地溫變化曲線如圖8所示。從圖8可以看出：(1)左路肩(陽坡側)下多年凍土上限深度已經(jīng)深達16 m，地溫曲類型線為吸熱型，即深處的年平均地溫比淺層高，地基多年凍土處于退化狀態(tài)；(2)右路肩(陰坡側)下年平均地溫曲線類型為放熱型，即深處年平均地溫大于淺層地溫。受鋪設片石護坡的影響，右路肩下2007年—2008年度年平均地溫比2006年—2007年度地溫低，地基土年平均溫度在逐步降低。

圖8 K1 156+650處路堤左右路肩下年平均地溫特征曲線

討論路堤的熱平衡狀態(tài)可以從其淺層積溫的變化進行分析。2006—2008年K1 156+650處天然監(jiān)測孔和路肩監(jiān)測孔的淺層(0.5，1.0和1.5 m)地溫積溫見表2。

從監(jiān)測斷面正、負積溫差值來看：(1)左路肩(陽坡側)0.5～1.5 m內(nèi)積溫差值為正，也就是說陽坡側路肩下正積溫大于負積溫，外界帶來的熱量大于冷量，對路堤及其地基土有升溫作用，導致下伏多年凍土處于升溫退化狀態(tài)。(2)右路肩(陰坡側)0.5～1.5 m內(nèi)積溫差值為負，其絕對值大于同深度天然孔的數(shù)據(jù)，也就是說陰坡側路肩下外界帶來的冷量大于熱量，對路堤有降溫作用。(3)在鋪設片石護坡后，路堤兩側傳入路堤中的熱量均有降低，其中陰坡側降低較為明顯有利于降低和保護地基多年凍土。

表2 K1 156+650路堤斷面淺層積溫

另外，從圖9—圖11所示的K1 156+650處路堤右路肩(陰坡側)2006年—2008年不同深度的地溫變化來看，2007年年中鋪設片石護坡以來，右側路肩下地溫在逐漸降低，且10～13 m深度處地溫由正轉負，融化夾層消失多年凍土上限抬升。人為上限從13 m以下(測溫孔深13 m，且13 m深度處地溫接近0 ℃)上升至5 m。

圖9 K1 156+650處路堤右路肩測溫孔地溫曲線

從圖12所示K1 156+650處路堤左路肩(陽坡側)2006年—2008年左路肩下多年凍土地溫變化曲線來看：增設片石護坡后，不同深度地基土溫度有所降低，且在地基多年凍土地溫也在降低，人為上限從16 m升至14 m。

圖10 K1 156+650處路堤右路肩測溫孔地溫曲線

圖11 K1 156+650處路堤右路肩下融化進程曲線

圖12 K1 156+650處路堤左路肩測溫孔地溫曲線

綜上所述，K1 156+650監(jiān)測斷面的人為上限變化過程(如圖13所示)數(shù)據(jù)分析可以得出以下結論：(1)由于路堤填高較大(中心填高大于10 m)，截至2007年6月，兩側路肩下地基多年凍土人為上限和天然上限相比下降，地溫升高，因線路走向近東西向，陽坡側(左路肩)人為上限下降4.5 m左右，陰坡側(右路肩)人為上限下降3 m左右且在10～13 m存在融化夾層；(2)2007年6月增設片石護坡后，經(jīng)過1個寒季至2008年6月，左側路肩下人為上限(負溫區(qū))上升了2 m，右側路肩融化夾層消失，人為上限抬升至路肩下5.0 m左右。

圖13 K1 156+650處路堤人為上限(單位：cm)

新形成的人為上限位置附近凍土溫度較高(接近0 ℃)由于高溫凍土具有較強的流變特性，所以其力學穩(wěn)定性較差，因此上限抬升并不能保證該路堤穩(wěn)定不變形，如在上限抬升的2008年，其左路肩變形量仍有16 mm(見表3)。由于該斷面位于少冰凍土區(qū)，其地基多年凍土升溫或融化后變形較小。

基于上述分析，將青藏鐵路多年凍土區(qū)上臨界高度的定義為：經(jīng)過1個凍融循環(huán)，自上而下的凍結能力不能凍透的路堤高度，此類路堤下的地基土活動層完全以消化多年凍土的冷量來完成回凍。

表3 K1 156+650監(jiān)測斷面左右路肩變形

根據(jù)此定義，沿線路堤的臨界高度是不一致的，在多年凍土區(qū)腹地的越嶺地段(昆侖山、風火山、唐古拉山)，其年平均氣溫和地溫均較低，凍土環(huán)境相似，路堤的臨界高度為7 m左右，在地勢相對較低，氣溫、地溫相對較高的其他地貌單元中，路堤臨界高度則相對較低。

在穿越多年凍土區(qū)的15個地貌單元中，在地勢相對較為平坦的高平原、斷陷盆地及谷地中，路堤高度相對較小，一般為2～4 m，這種高度的路堤無論從熱學上還是普通地區(qū)路堤的力學概念上都不能稱之為高路堤。

由于受到線路設計縱坡的影響，在鐵路穿越一些山區(qū)中斜坡和溝谷微地貌單元時，青藏鐵路路堤工程不可避免地出現(xiàn)了一些填方大于7.0 m的路堤臨界高度以上段落，主要分布于昆侖山、風火山、唐古拉山等地貌單元中。

5 結 論

(1)通過對沿線多年凍土區(qū)中融區(qū)路堤凍結深度和凍土區(qū)路堤監(jiān)測斷面實測地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得到了青藏鐵路多年凍土區(qū)臨界高度：在多年凍土區(qū)，經(jīng)過1個寒季—暖季的凍融循環(huán)，將自上而下的凍結能力不能凍透的路堤高度作為上臨界值，青藏鐵路多年凍土區(qū)路堤上臨界值在7 m左右，地勢相對較低、氣溫、地溫相對較高的其他地貌單元中，路堤臨界高度則相對較低。青藏鐵路多年凍土區(qū)上大于臨界高度的路堤主要分布于昆侖山、風火山、唐古拉山等山區(qū)地貌單元中。

(2)填筑高度高于上臨界值的路堤，地基土活動層完全以消化多年凍土的冷量來完成回凍，從而引起地基多年凍土溫度升高，上限下移，凍土融化，導致多年凍土區(qū)路堤產(chǎn)生不均勻變形，為線路安全運營帶來隱患。

(3)由于青藏鐵路多年凍土區(qū)路堤變形是一個緩慢、漸進式的過程，因此建議在以后的工作中繼續(xù)對多年凍土區(qū)大于上臨界高度的路堤穩(wěn)定性給予關注。