摘要：在多年凍土區(qū)修筑鐵路，將面臨許多技術(shù)難題。首先是隨氣溫的年際變化而產(chǎn)生的凍脹和融沉問題;其次是工程建設(shè)對(duì)多年凍土地基的熱干擾;最后是鐵路路基周圍水熱環(huán)境的變化以及各種次生不良凍土現(xiàn)象的影響。此外，全球性的氣候變化也將改變多年凍土地基的生存條件，進(jìn)而影響鐵路路基的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵字：凍土區(qū);鐵路路基;工程

1 引言

近40多年來(lái)，全球氣候出現(xiàn)轉(zhuǎn)暖趨勢(shì)，在這種氣候條件影響下，我國(guó)多年凍土也出現(xiàn)了年平均地溫升高，季節(jié)融化層厚度加大，多年凍土產(chǎn)生了不同程度的衰變和退化。多年凍土的這些變化對(duì)鐵路路基工程的穩(wěn)定是極不利的。多年凍土的退化和融化將伴隨鐵路路基的下沉和破壞，而較厚的季節(jié)融化層的凍結(jié)又將出現(xiàn)較大的凍脹變形。

2 影響凍土區(qū)鐵路路基的潛在因素

鐵路路基是承受并傳遞軌道重力及列車動(dòng)態(tài)作用的結(jié)構(gòu)，是軌道的基礎(chǔ)，是保證列車運(yùn)行的重要建筑物。路基是一種土石結(jié)構(gòu)，處于各種地形地貌、地質(zhì)、水文和氣候環(huán)境中，有時(shí)還遭受各種災(zāi)害，如洪水、泥石流、崩塌、地震等。鐵路路基是承受并傳遞軌道重力及列車動(dòng)態(tài)作用的結(jié)構(gòu)，是軌道的基礎(chǔ)，是保證列車運(yùn)行的重要建筑物。路基是一種土石結(jié)構(gòu)，處于各種地形地貌、地質(zhì)、水文和氣候環(huán)境中，有時(shí)還遭受各種災(zāi)害，如洪水、泥石流、崩塌、地震等。

2.1 幾何不對(duì)稱性

修筑于斜坡上的凍土鐵路路基，由于地勢(shì)的限制，路堤兩側(cè)邊坡及天然地表在幾何上表現(xiàn)為強(qiáng)烈的不對(duì)稱，由此導(dǎo)致路堤兩側(cè)受太陽(yáng)直接輻射的面積和與大氣直接接觸的面積均存在很大的差異，鐵路路基溫度場(chǎng)呈強(qiáng)烈的不對(duì)稱。青藏鐵路存在許多這種斜坡路堤，其鐵路路基溫度場(chǎng)的不對(duì)稱狀態(tài)十分典型。根據(jù)過去的研究，路堤在上坡側(cè)的凍土人為上限埋深小于路面中軸線上人為上限的埋深，而路堤在下坡側(cè)的凍土人為上限埋深大于路面中軸線上人為上限的埋深。融化季節(jié)路堤下凍融分界面為一傾斜的滑動(dòng)面，融化狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，這很容易引起路堤滑動(dòng)或突陷。過去的研究工作表明，在年平均氣溫低于-4.5℃的凍土區(qū)，若忽略氣候持續(xù)變暖對(duì)地表及凍土地溫的影響，則計(jì)算所得斜坡不對(duì)稱鐵路路基溫度場(chǎng)逐年變化很小，但當(dāng)氣候變暖時(shí)這種變化將加大，需要通過增加地基冷儲(chǔ)量的方式(如使用遮陽(yáng)棚路基結(jié)構(gòu)，片石氣冷路基結(jié)構(gòu)和熱棒路基結(jié)構(gòu)等，并調(diào)整其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)抵御和防治.

2.2 溫度場(chǎng)

鐵路路基南坡與北坡或東坡與西坡接收太陽(yáng)輻射和傳熱的差異導(dǎo)致路堤兩側(cè)融化深度也存在一定的差異，鐵路路基溫度場(chǎng)表現(xiàn)為明顯的不對(duì)稱。事實(shí)上，任意走向的凍土鐵路路基兩側(cè)表面溫度均存在一定的差異，只是差異的大小不同而己，嚴(yán)格意義上的對(duì)稱鐵路路基是不存在的，對(duì)青藏鐵路已經(jīng)先期施工的試驗(yàn)段路基地溫場(chǎng)的觀測(cè)資料說(shuō)明了這種不對(duì)稱溫度場(chǎng)的存在。當(dāng)鐵路路基溫度場(chǎng)呈強(qiáng)烈的不對(duì)稱時(shí)，冬季由于未凍水的不等量遷移作用，路基陰陽(yáng)坡兩側(cè)的含水量和凍結(jié)深度都將產(chǎn)生差異，使鐵路路基產(chǎn)生明顯的不均勻凍脹，而暖季融化開始時(shí)，凍土路基中將形成傾斜的凍融滑動(dòng)面，在填土荷載作用下(運(yùn)營(yíng)過程中還將受到列車的振動(dòng)荷載作用)下，融化后含水量較大甚至處于飽和狀態(tài)的粘性土易沿凍結(jié)面擠出，造成鐵路路基陽(yáng)坡側(cè)路肩及邊坡開裂、下滑，影響鐵路路基的穩(wěn)定性。為此，工程結(jié)構(gòu)應(yīng)該以增加土層冷儲(chǔ)量、提高凍土上限，減少發(fā)生沉降土層厚度，減少坡向因素造成的橫向變形不均勻(主要由不對(duì)稱溫度場(chǎng)造成)，加強(qiáng)融化深度較深的坡腳處的保護(hù)性措施為主要方向。片石氣冷路基、片石護(hù)坡路基、通風(fēng)管路基、熱棒路基都是這類工程結(jié)構(gòu)。除了上述作用，他們還能夠不同程度地減小土層溫度較差、降低土層溫度、減少水分遷移，從而減少寒凍裂縫的發(fā)生。

凍土區(qū)鐵路路基工程狀態(tài)變化是一個(gè)綜合的熱學(xué)和力學(xué)過程，凍土區(qū)工程施工和運(yùn)營(yíng)的不同階段，鐵路路基和多年凍土之間的熱交換特征和熱平衡結(jié)果都有各自不同的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)影響著鐵路路基工程狀態(tài)的發(fā)生發(fā)展過程并影響其最終結(jié)果。鐵路路基工程狀態(tài)發(fā)展的主要因素:首先是由鐵路路基結(jié)構(gòu)形式(主動(dòng)降溫或被動(dòng)保溫)和多年凍土年平均地溫主導(dǎo)的冷生過程及其冷生結(jié)果(鐵路路基凍融交界面形態(tài)和多年凍土上限形態(tài));其次是拉動(dòng)裂縫發(fā)展的鐵路路基周圍水熱環(huán)境。

3 凍土鐵路路基破壞原理

區(qū)域氣候特點(diǎn)影響下的淺層土體地溫和較差，填土性質(zhì)和含水量;對(duì)典型地段所作的填土力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和對(duì)比鐵路路基工程狀態(tài)變化說(shuō)明，無(wú)論是由于鐵路路基橫向融沉變形不均勻造成的錯(cuò)位剪切力，還是因?yàn)楹畠鲲L(fēng)化產(chǎn)生的張拉力，都通過填土施加，因此填土的性質(zhì)尤其是抗剪、抗張拉力學(xué)強(qiáng)度性質(zhì)成為一定條件下的決定性因素。

氣溫升高將對(duì)上述病害產(chǎn)生起到催化、加劇的作用。年平均氣溫反映了各地區(qū)地表輻射、熱量平衡和大氣環(huán)流的特點(diǎn)，是影響土體溫度的主要因素，當(dāng)前在溫室氣體的影響下全球氣溫正在升高已是不爭(zhēng)的事實(shí)。據(jù)IPCC估計(jì)，21世紀(jì)全球平均氣溫將增加約2.5℃，可能的變化范圍為1.4-5.8℃。

凍土鐵路路基穩(wěn)定狀態(tài)的破壞與凍土本身的溫度、含冰量性質(zhì)有關(guān)。地下冰最為集中分布在多年凍土上限附近，修筑路堤后引起多年凍土上限變化，其結(jié)果就會(huì)造成地下冰融化，導(dǎo)致路堤產(chǎn)生融化下沉破壞。由于地下冰受多因素控制，在空間上形成不均勻的和不同的含冰狀態(tài)。這種不同的含冰狀態(tài)直接影響著凍土鐵路路基的穩(wěn)定，而富冰、飽冰凍土和含土冰層一旦融化就會(huì)對(duì)工程產(chǎn)生巨大的破壞。對(duì)于其他類型工程建筑物(比如橋涵、路塹、高邊坡等)來(lái)說(shuō)，高含冰量?jī)鐾恋挠绊懲瑯邮菢O為關(guān)鍵的問題。

在鐵路路基穩(wěn)定性方面，還必須同時(shí)面臨凍融災(zāi)害問題，即不良凍土現(xiàn)象。這些與凍融過程有關(guān)的不良地質(zhì)現(xiàn)象，當(dāng)它們威脅到鐵路安全運(yùn)營(yíng)和工程穩(wěn)定性時(shí)，就演變?yōu)橐环N工程災(zāi)害。這種工程災(zāi)害主要與地下冰、凍融過程和凍土溫度有關(guān)。特別是在高含冰量、高溫多年凍土的斜坡地段，微弱的工程熱擾動(dòng)可能就會(huì)引起凍土區(qū)斜坡穩(wěn)定性變化，對(duì)于這樣一些地表敏感性極強(qiáng)的多年凍土地段，工程勘測(cè)、設(shè)計(jì)和施工都應(yīng)給予極大的重視。對(duì)于斜坡地段出現(xiàn)的冰椎、凍脹丘，對(duì)工程的危害非常大，常會(huì)導(dǎo)致鐵路的破壞和運(yùn)營(yíng)的中斷。對(duì)于鐵路路基附近出現(xiàn)的冰椎、凍脹丘，常會(huì)引起鐵路路基產(chǎn)生凍脹問題，也應(yīng)對(duì)其予以足夠的重視，并針對(duì)具體情況給出其防治措施.

參考文獻(xiàn)

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