王斌

黑龍江鐵路發(fā)展集團(tuán)有限公司，哈爾濱 150000

在多年凍土地區(qū)修建高速鐵路，破壞了多年凍土的賦存狀態(tài)。全球氣候變暖，氣溫逐漸升高，鐵路路基下伏多年凍土逐步開始融化。凍土層厚度減小、凍土上限下降、季節(jié)活動(dòng)層厚度增加等現(xiàn)象是多年凍土退化的主要表現(xiàn)，原本銜接的多年凍土成為不銜接狀態(tài)，多年凍土的退化是路基差異沉降的主要原因，而路基差異沉降又是各種病害發(fā)生的直接原因［1］。島狀多年凍土是不連續(xù)多年凍土，是連續(xù)多年凍土帶的邊緣，呈島狀分布，工程穩(wěn)定性較多年凍土差，對溫度變化敏感。鐵伊高速鐵路位于高緯度島狀多年凍土區(qū)，該地區(qū)島狀多年凍土分布零散，規(guī)模小，厚度變化較大，工程穩(wěn)定性差。研究島狀多年凍土的融沉特性及工程處理措施對高速鐵路的建設(shè)及后期運(yùn)營維護(hù)具有重要意義。

相關(guān)學(xué)者通過室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算等方法對島狀多年凍土工程特性開展了大量研究。Shan 等［2］采用地質(zhì)勘探、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析等方法研究多年凍土力學(xué)性質(zhì)、退化過程等，得出隨著凍土融化巖土力學(xué)指標(biāo)顯著下降，含水率越大，孔隙率越高，力學(xué)指標(biāo)下降幅度越大。張書良［3］通過室內(nèi)試驗(yàn)測定了凍土層的物理、力學(xué)指標(biāo)，從土的固結(jié)壓縮性質(zhì)和彈塑性變形性質(zhì)出發(fā)研究了凍土退化對路基變形及穩(wěn)定性的影響。宇德忠等［4-7］結(jié)合室內(nèi)外試驗(yàn)測定了樁基所在區(qū)域典型土層的天然密度、含水率等物理參數(shù)，在低溫條件下測出了凍土土樣內(nèi)摩擦角、黏聚力等力學(xué)參數(shù)，利用溫度監(jiān)測系統(tǒng)對樁基回凍前后溫度場實(shí)現(xiàn)監(jiān)測，通過靜動(dòng)載試驗(yàn)揭示了高緯度島狀多年凍土橋梁樁基回凍前后承載力特性。常繼峰［8］綜合考慮了凍土上限處土體性質(zhì)、融沉性質(zhì)、地基處理方式等因素，共設(shè)置20個(gè)路基斷面作為試驗(yàn)斷面，通過對島狀多年凍土路基進(jìn)行地溫變化趨勢分析、數(shù)值仿真及現(xiàn)場實(shí)測對比研究，提出較為精確的凍土退化型路基地溫特征數(shù)值計(jì)算模型?；裘鞯龋?］通過現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算分析了清基對東北島狀凍土路基產(chǎn)生的影響，研究了清基對路基融化核形成和發(fā)展的影響以及清基對于路基溫度場的影響特性。邢向達(dá)［10］對博牙高速公路凍土路基鋪筑后的溫度及含水率進(jìn)行跟蹤觀測，從而評價(jià)島狀凍土路基處置效果。張旭東［11］依托大興安嶺南麓地區(qū)某公路的多年凍土段路基處理工程，研究CFG 樁-筏板復(fù)合地基在島狀多年凍土中的承載力特性并進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明復(fù)合地基周圍凍土回凍緩慢，復(fù)合地基的樁端反力占基礎(chǔ)承載力的50%以上，并隨著荷載的增加樁周土承擔(dān)的荷載逐漸增大。張冬［12］通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了凍土的物理力學(xué)特性，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測手段分析了凍土的不同類型，通過工前溫度監(jiān)測分析了地表溫度對凍土工程性能的影響范圍，比選出適合的凍土地基治理方案。

綜上所述，在東北島狀多年凍土區(qū)，凍土地基受到不同程度工程擾動(dòng)后，其工程穩(wěn)定性必將受到影響。鐵伊高速鐵路是世界上第一條穿越島狀多年凍土區(qū)的高速鐵路，島狀多年凍土的工程穩(wěn)定性是保障高速鐵路列車安全運(yùn)營的重要保障。本文結(jié)合鐵伊高速鐵路通過島狀多年凍土融沉特性試驗(yàn)，探明島狀多年凍土的融沉特性，研究分析相應(yīng)的工程處理措施，研究成果將為高寒高緯度島狀多年凍土區(qū)高速鐵路建設(shè)提供技術(shù)參考。

1 工程概況

鐵伊高速鐵路地處我國東北高緯度深季節(jié)凍土區(qū)，穿越大片不連續(xù)且處于持續(xù)退化狀態(tài)的島狀多年凍土，線路沿線土質(zhì)含冰量高，有機(jī)質(zhì)豐富。目前對飽冰、富冰多年凍土路段，設(shè)計(jì)采用挖除換填的工程措施進(jìn)行處理，以節(jié)省旱橋等措施所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)成本。鐵伊高速鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速250 km，是構(gòu)建哈爾濱2 h 經(jīng)濟(jì)圈之哈伊客運(yùn)系統(tǒng)的組成部分。該線位于黑龍江省中部偏北，呈近南北走向，線路南起黑龍江省鐵力市，經(jīng)綏化市慶安縣、伊春市翠巒區(qū)，北迄于伊春市烏馬河區(qū)，線路全長112.299 km，線路走向如圖1所示。線路位于小興安嶺南段的低山丘陵及沖洪積平原區(qū)，沿線主要出露白堊系砂泥巖，侏羅系凝灰質(zhì)砂巖、凝灰熔巖、凝灰?guī)r，華力西期和燕山期花崗巖等。島狀多年凍土是線路主要地質(zhì)問題之一。

圖1 鐵伊高速鐵路地理位置

2 沿線島狀多年凍土分布特征

通過工程地質(zhì)調(diào)繪、工程地質(zhì)遙感、物探等措施，得出鐵伊高速鐵路多年凍土上限深度和下限深度一般分別在1.5～2.6、6.0～11.8 m；大部分厚度3～6 m，最大處達(dá)9.5 m。鐵伊高速鐵路多年凍土在平面上連續(xù)性差，呈島狀零星分布，且段落長度較?。欢嗄陜鐾撂烊簧舷掭^小，厚度變化較大，為中心厚邊緣薄，剖面多呈梯形或透鏡狀。根據(jù)鉆探與取樣結(jié)果，驗(yàn)證了物探成果的準(zhǔn)確性，揭示了鐵伊高速鐵路多年凍土的主要類型為多冰、富冰、飽冰凍土和含土冰層多年凍土。其中多冰、富冰多年凍土多為粗顆土，飽冰凍土和含土冰層多為粉質(zhì)黏土和泥炭化凍土。對于細(xì)粒土而言，多年凍土類型主要為富冰凍土、飽冰凍土及含土冰層；對于砂類土而言，多年凍土類型主要為多冰凍土和富冰凍土；而對于碎石類土而言，多年凍土類型主要為少冰凍土、多冰凍土和富冰凍土。

3 島狀多年凍土融沉特性試驗(yàn)

3.1 多年凍土的物理組成

1）固體土骨架

固體土骨架結(jié)構(gòu)是決定凍土性質(zhì)的主要因素。土顆粒之間相互作用對土骨架結(jié)構(gòu)影響較大。此外，土顆粒尺寸大小、形狀結(jié)構(gòu)及土顆粒表面離子交換量都會(huì)對土骨架結(jié)構(gòu)、凍結(jié)水分遷移等產(chǎn)生影響。

2）冰

含冰量是多年凍土類型劃分的重要指標(biāo)，冰與凍土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、融沉特性及力學(xué)性能密切相關(guān)。

3）未凍水

土的凍結(jié)作用是隨時(shí)間發(fā)生的復(fù)雜過程。土體發(fā)生凍結(jié)時(shí)，并不是所有的水都凍結(jié)成冰，由于土顆粒表面的吸附作用等，部分水會(huì)保持未凍結(jié)狀態(tài)，這部分水就是未凍水。在一定負(fù)溫下，未凍水含量與負(fù)溫條件不相關(guān)，即一部分水與冰處于共存的不凍結(jié)狀態(tài)。

4）水汽

多年凍土孔隙結(jié)構(gòu)中會(huì)有部分水汽存在，水汽狀態(tài)變化對凍土的相變有重要影響。水汽是凍土凍結(jié)過程中水分向凍結(jié)前緣遷移的主要因素。

3.2 融沉試驗(yàn)方法

根據(jù)GB∕T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的試驗(yàn)方法進(jìn)行試樣制備及試驗(yàn)操作，測試島狀多年凍土在自重、不同荷載作用下的融沉與融化壓縮值，分析不同種類島狀多年凍土體的融沉特性。

3.3 融沉試驗(yàn)結(jié)果分析

多年凍土的融沉是熱融沉陷和壓縮沉降共同作用的結(jié)果，工程設(shè)計(jì)計(jì)算地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時(shí)，需要考慮多年凍土的融沉系數(shù)α0和融化壓縮系數(shù)mv。一般凍土的融沉系數(shù)和融化壓縮系數(shù)通過試驗(yàn)確定，本文通過現(xiàn)場取樣和室內(nèi)試驗(yàn)對融沉壓縮試驗(yàn)的融沉系數(shù)與融化壓縮系數(shù)的主要影響因素進(jìn)行分析。

3.3.1 多年凍土的融沉系數(shù)

多年凍土的含冰量是評價(jià)凍土融化的重要指標(biāo)，體積含冰量與土體的組合關(guān)系決定了凍土的融化壓縮沉降量。通過相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研可知多年凍土的融沉系數(shù)主要取決于凍土密度和含水率。

1）含水率與融沉系數(shù)的相關(guān)性

多年凍土融化過程導(dǎo)致冰水相變發(fā)生，土顆粒產(chǎn)生相對移動(dòng)，進(jìn)而引起路基結(jié)構(gòu)變形。細(xì)圓礫土、黏性土、泥炭質(zhì)土3 類土的含水率與融沉系數(shù)的關(guān)系見圖2。可知，3類土的融沉系數(shù)都隨含水率的增加而增大，黏性土的融沉系數(shù)最大，泥炭次之，礫砂最小。多年凍土凍土的總含水率與起始融沉含水率的差值，是引起多年凍土融沉的關(guān)鍵影響因素。由于所取黏性土試樣多數(shù)含或微含細(xì)圓礫、砂土（礫砂、粗砂、中砂、細(xì)砂及粉砂），影響了黏性土的α0-W回歸擬合效果，相關(guān)系數(shù)為0.731。今后的研究中應(yīng)細(xì)化黏性土土體分類，提高黏性土融沉系數(shù)公式的準(zhǔn)確性。

圖2 各類土含水率與融沉系數(shù)的關(guān)系

2）干密度與融沉系數(shù)的相關(guān)性

多年凍土融沉?xí)?dǎo)致土骨架間孔隙不斷變小。水到冰的相變會(huì)引起土骨架結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張，即凍脹融沉特性。當(dāng)土體孔隙比小于某個(gè)數(shù)值后，多年凍土融沉量顯著降低，接近較穩(wěn)定狀態(tài)。

各類土的干密度與融沉系數(shù)的關(guān)系見圖3?？芍?，土顆粒變細(xì)、塑性增強(qiáng)和有機(jī)質(zhì)含量增加會(huì)使土體的密度變小，隨著土樣的干密度逐漸降低，其融化下沉系數(shù)逐漸增大。

圖3 各類土干密度與融沉系數(shù)的關(guān)系

3.3.2 多年凍土融化壓縮系數(shù)

融化壓縮系數(shù)與干密度密切相關(guān)。用二次多項(xiàng)式對細(xì)圓礫土、黏性土和泥炭土土樣融化壓縮試驗(yàn)所得融化壓縮系數(shù)與干密度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見圖4。可知，在一定試驗(yàn)荷載范圍內(nèi)，融化壓縮系數(shù)不是穩(wěn)定不變的，而是隨著荷載的增大逐漸減小。

圖4 各類土干密度與融化壓縮系數(shù)的關(guān)系

4 工程對策

對小興安嶺地區(qū)既有工程調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，多年凍土區(qū)鐵路工程病害多發(fā)生于路基工程段落，對橋梁地段基本上影響較小。目前鐵路路基工程中多年凍土的處理措施主要為保護(hù)或破壞方式。在保護(hù)凍土方面，通過增設(shè)熱棒、片石層等措施減緩多年凍土退化速度，提升多年凍土上限，減小融沉變形，預(yù)防多年凍土路基工程病害，適用于凍土上限較大，凍土層厚度較深情況；在破壞凍土方面，采取的措施主要有預(yù)融或挖除凍土后換填粗顆粒填料，適用于凍土層較薄、凍土上限較小情況。鐵伊高速鐵路沿線島狀多年凍土多為高溫極不穩(wěn)定多年凍土，凍土上限較小，所以設(shè)計(jì)采用的是破壞多年凍土的措施，主要包括挖除換填、挖除換填+預(yù)融、螺桿樁及素混凝土樁等措施。

1）挖除換填

飽冰凍土或富冰凍土厚度小于6 m 時(shí)，全部挖除飽冰、富冰多年凍土，并換填凍脹不敏感A、B 組填料。挖除應(yīng)選擇冬季施工，以保證開挖換填基坑邊坡穩(wěn)定并減少地表水對基坑內(nèi)地基的影響，挖除換填范圍至排水溝外3 m（無排水溝時(shí)，至坡腳外）。

2）挖除換填+預(yù)融

粗粒土及全風(fēng)化基巖多年凍土，上限埋深小于3 m且多年凍土厚度小于3 m時(shí)，挖除上限以下細(xì)粒土（粉質(zhì)黏土、黏土等）多年凍土（飽冰凍土、富冰凍土），換填凍脹不敏感A、B 組填料。下層粗粒土或全風(fēng)化基巖的多冰凍土及少冰凍土融沉系數(shù)較小，采取預(yù)融的方式處理。挖除時(shí)應(yīng)選擇春季施工，挖除換填范圍至排水溝外3 m（無排水溝時(shí)，至坡腳外3 m），并將挖除的棄土堆至基坑邊緣形成臨時(shí)圍堰，防止晾曬期間地表水的侵入，對基坑內(nèi)的積水及時(shí)抽除。待多年凍土完全融沉后，各相關(guān)單位驗(yàn)槽確認(rèn)后方可回填。

3）樁基加固

下限埋深大于6 m 的多年凍土地基，采用螺桿樁或素混凝土復(fù)合地基處理，樁采用正方形布置，樁徑0.5 m，樁間距為2.2 m。

5 結(jié)論

1）鐵伊高速鐵路沿線多年凍土的土體類別主要為礫砂、黏性土和泥炭化土，其中黏性土的融沉系數(shù)最大，泥炭土次之，礫砂最小，礫砂土是良好的凍土地基。

2）島狀多年凍土的融沉系數(shù)隨其含水率的增加而增大；凍土的總含水率與起始融沉含水率的差值是引起凍土融沉的含水率。土顆粒變細(xì)、塑性增強(qiáng)、有機(jī)質(zhì)含量增加等因素變化會(huì)導(dǎo)致干密度逐漸變?。粛u狀多年凍土的融化下沉系數(shù)與干密度負(fù)相關(guān)。

3）島狀多年凍土的融化壓縮系數(shù)在試驗(yàn)荷載范圍是不斷變化的，隨著試驗(yàn)荷載的增大而逐漸減小，實(shí)際壓力對融化壓縮系數(shù)影響較大。

4）多年凍土地基處理措施主要有保護(hù)和破壞兩種方式，鐵伊高速鐵路沿線島狀多年凍土為高溫極不穩(wěn)定型，工程措施采用破壞的方式。當(dāng)凍土類型為融沉系數(shù)較大的飽冰或者富冰凍土，且埋深較淺時(shí)，采用挖除換填措施；當(dāng)凍土類型為融沉系數(shù)較小的多冰或者少冰凍土?xí)r，采用挖除換填+預(yù)融處理措施；當(dāng)多年凍土埋深較大時(shí)，采用樁基礎(chǔ)加固，確保路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。