CN101418565A - 青藏铁路多年冻土湿地地基处理工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种青藏铁路多年冻土湿地地基处理工艺方法。青藏高原是北半球中低纬度带多年冻土面积最广、厚度最大和温度最低的地区，青藏铁路是我国西部大开发的重点基础性工程之一，从多年冻土地区铁路的路基主要病害调查可以知道，湿地地段所造成的病害占到总病害的60～70％，这些病害严重影响了铁路的正常运营并大大增加了路基的运营养护支出。本发明的目的是提供一种保持并提高路基的热稳定性，增加地基承载能力，减少路基融沉变形的青藏铁路多年冻土湿地地基处理工艺方法，其采用抛填片石挤淤、土工格室和渗水土或土工格栅和渗水土方法处理地基，从而保证地基的稳定性，处理后地基承载力明显提高。

Description

青藏铁路多年冻土湿地地基处理工艺方法

技术领域：

本发明涉及多年冻土湿地地基处理技术试验研究领域，具体说是一种青藏铁路多年冻土湿地地基处理工艺方法。

背景技术

我国多年冻土与季节冻土区域面积占国土总面积的70％以上，仅多年冻土面积估计约215×10⁴km²，占全国陆地总面积的22.3％。作为世界上海拔最高、多年冻土分布面积最广的高原，青藏高原是北半球中低纬度带多年冻土面积最广、厚度最大和温度最低的地区。从第三纪末尤其是第四纪以来青藏高原强烈隆起，使其腹地海拔高达4500m以上。其多年冻土面积约150万km²，占我国冻土总面积的70％。

青藏铁路是我国西部大开发的重点基础性工程之一，它的修建结束了西藏境内没有铁路的历史，对于完善西藏和我国的交通运输体系，促进西藏地方和西部地区经济建设，改善西部地区投资环境，增强民族团结，巩固西南边防，维护国家政治和社会的整体稳定、发展以及我国西部大开发战略的实施均具有非常重要的现实意义。

青藏铁路(格拉段)位于青藏高原腹地，纵横青海、西藏两省区，地处北纬29°30′~36°25′，东经90°30′~94°55′之间。线路北起青海省西部重镇格尔木市，大致沿着青藏公路南行，途经纳赤台、昆仑山、五道梁、沱沱河、雁石坪，翻越唐古拉山进入西藏境内后，经安多、那曲、当雄至西藏首府拉萨市，全长约1142km(含格尔木至南山口段30km)，新线建筑长度约1110km。青藏铁路格拉段将穿越约550km多年冻土地段，全线海拔高程大于4000m的地段约965km，在唐古拉山越岭地段，线路最高海拔为5072m，为世界铁路之最。高寒缺氧、多年冻土和环境脆弱是青藏铁路建设的三大难题，其特殊性和复杂性在世界铁路史上独一无二。

由于冻土是一个由固体(矿物骨架)、塑性粘滞体(冰)、液体(未冻水)和气体(水蒸气、气体)所组成的复杂体系，是一种多相体复合材料，具有自身组构的极不均匀性，这是由于土骨架矿物颗粒及土中的冰、未冻水和气体等的相互作用，使冻土内部产生空穴、微裂隙及其他原始缺陷，而它们之间的相互关系不是固定不变的，而是随着外部条件变化，主要是冻土的温度的变化而变化，其次是外荷载的作用。多年冻土是负温条件下的特殊土，控制其工程地质特性的主要因素是冻土的含冰量及其所处的自然温度场。冻土的含冰量是其产生融沉的关键因素，多年冻土所处的自然温度场及变化是工程场地稳定性评价的基础条件。

在多年冻土区，修筑路基会极大地改变多年冻土与大气圈的热交换条件。这些变化包括：换热表面条件的改变，换热面形状的变化，以及由于填料土质不同于基底土和基底土层压缩所造成的热物理性质的改变。高原冻土区的铁路路基是一条形冷生结构物，它紧密地依存于天然土层，并共同接受太阳辐射能对其表面和地中温度的影响。由于路基具有一定的几何断面，与天然地层相比，填土、开挖或设防的结果，又改变了路基土体的限制，因而其冻融过程和温度场与天然地层有着明显的区别，形成了独特的水热变化特征。

青藏铁路安多段分布着大范围的冻土斜坡湿地，该地段冻胀变化大，热融后强度迅速降低，并存积大量的水分，形成沼泽化湿地，而且地基存在横向斜坡，冻结层上水会沿坡向流动，降低潜在滑动面上土的强度，严重影响铁路路基的稳定性。由于路堤的修建可能导致冻土的上限发生变化，也将引起路基稳定性的变化。

从东北多年冻土地区既有铁路和俄罗斯西伯利亚贝阿铁路的路基主要病害调查可以知道，湿地地段所造成的病害占到总病害的60~70％，这些病害严重影响了铁路的正常运营并大大增加了路基的运营养护支出。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术方案的不足，提供一种保持并提高路基的热稳定性，增加地基承载能力，减少路基融沉变形的青藏铁路多年冻土湿地地基处理工艺方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

青藏铁路多年冻土湿地地基处理工艺方法，所述的地基处理工艺方法包括以下方法：

(1)、抛填片石挤淤处理地基：

石料最大粒径不宜超过40cm；个别不平整处，用细石块找平，同时采用25t振动压路机进行碾压，提高地基承载能力；对有明显回弹的地段，处理的方法是再卸一层石料进行碾压，直至达到要求；对含水量过大、深度在2m以内的潮湿土，挖去湿土换填适用的干土或挖方石渣、天然砂砾，并分层压实达到标准；

(2)、土工格室和渗水土处理地基：土工格室是由高强度的HDPE或PP宽带或土工带，经过强力焊接而形成的蜂窝状立体网格结构；它伸缩自如，运输时可缩叠起来，使用时张开并充填土石或混凝土，构成具有强大侧向限制和大刚度的结构体；

(3)、土工格栅和渗水土处理地基：土工格栅铺设位置距地面0.3米处，以0.5米间距铺设两层，单宽抗拉强度为50kN/m，强度参数按室内试验取值。

上述的青藏铁路多年冻土湿地地基处理工艺方法采用碎石桩处理地基，具体方法如下：

(1)施工放样，清理并平整场地，必要路段铺设碎石垫层，振动成桩机就位，校正桩管垂直度≤1.5％，校正桩管长度符合设计桩长；

(2)用振动成桩机将桩管边振动边沉入土层，直至设计深度，稍向上提桩管，使桩管下端的活瓣桩尖打开，桩管及桩尖外壁的真空破坏，这样可以减少起拔摩阻力；

(3)停止振动，立即往管内装入碎石，直至灌满为止；

(4)根据单桩设计碎石用量确定第一次投料的成桩长度，进行多次反插直至桩管内碎石全部投出。

研究成果表明：试验工程采用的三种地基处理措施均能保证地基的稳定性，处理后地基承载力明显提高。但考虑到多年冻土这一特点，建议在进行湿地地基处理时，应优先解决好多年冻土问题，在此基础上进行地基处理。

具体实施方式

按《国际湿地公约》定义，湿地系指不问其为天然或人工、长久或暂时之沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深不超过6米的水域。

冻土层阻碍地表水分下渗，使地表沼泽化。冻土沼泽化湿地只限于多年冻土分布区。我国冻土沼泽化湿地主要分布在唐古拉山以南的岛状冻土区和东北大兴安岭北部大片多年冻土区。

冻土沼泽化湿地包括如下几种类型：①古河道和有热融洞湖的河滩地；②苔藓地与苔藓—青草沼泽地；③分水线上的排水量少的沼泽地；④河谷平缓坡(包括梯地平缓坡)上的沼泽地；⑤深谷隔开的河谷坡地和山坡上的草丘和青草—苔藓沼泽地。

沼泽化软土地基对道路工程的最大危害在于承载力不足和变形过大，处理的目的是提高软弱地基的强度、保证地基的稳定；降低软弱地基的压缩性、减少地基的沉降和不均匀沉降；防止地震时地基土的振动液化；消除区域性土的湿陷性、胀缩性和冻胀性，因此其处理的原则也是紧紧围绕其目的展开的。

考虑到多年冻土湿地的地质特点，从青藏高原的特殊环境出发，结合青藏公路建设和整治方案，大兴安岭林区国道301线k153～k176段的工程实践表明，路基结构及地基处理措施可大致归纳为以下几种：

(1)应用传热理论的方法确定出计算防冻厚度，在此基础上考虑软土的承载能力确定换填的厚度，经过试验路基的验证，证明此种方法在确定冻土湿地软土地基处理换填厚度时是可行的。

(2)当冻土湿地软弱土层较浅时，可以采用换填的方法。换填砂砾、素土、粉煤灰、石灰土都是可行的。但通过试验表明，素土的沉降要比其他处理方法大一些，承载力经过一个冻融循环下降也相对较大。从沉降考虑，处理效果依次为石灰土、粉煤灰、砂砾、素土。从承载力考虑依次为石灰土、砂砾、粉煤灰、素土。

(3)应用抛石挤淤处理浅层的淤泥有着很好的效果。特别是应用挤淤法和反压护道的联合处理方法，地基的承载力得以改善，减小了冻土湿地的沉降，是一种较为经济合理的处理方案。

抛石挤淤处理地基的方法。石料最大粒径不宜超过40cm。个别不平整处，用细石块找平，同时采用25t振动压路机进行碾压，提高地基承载能力；对有明显回弹的地段，处理的方法是再卸一层石料进行碾压，直至达到要求。对含水量过大、深度在2m以内的潮湿土，挖去湿土换填适用的干土或挖方石渣、天然砂砾等，并分层压实达到标准。

(4)排水设施及填料控制。处理好填挖交界处的边沟，为了防止雨水浸淹路基基底，做好排水设施十分重要。用强度满足路基要求且水稳性良好的材料填筑，30cm一层，分层碾压，压实度达到93％以上，再进行下层填筑。

(5)当软弱土层较厚时，也可采用砂石桩、碎石桩、石灰桩是可供选择的方案。从处理效果来看，石灰桩在地下水位较高时，表现出了明显的优越性。采用成桩法进行处理的软基和换土相比，沉降相对较小，承载力的提高也比较显著。砂石桩和碎石桩的处理效果相差较小，石灰桩在承载力方面表现出某些优越性，它们之间的沉降相差较小。

20世纪70年代末，前苏联修建的贝阿铁路，该线全长3500km，通过多年冻土2500km。在冻土沼泽湿地段，路基变形是不连续和局部性的，路堤发生沉陷。为了研究路堤沉陷，全苏联铁路运输科学研究院安排了三个试验地段。经过四年的观察期，得出如下结论：造成沼泽地区路堤长期沉陷和位移的原因是路堤下面地基土液化并被挤出地面。不管地基粘土层是何种沉陷等级的土层，其发生变形的性质都是相同的。在试验的基础上建议：在路堤边坡坡脚区用泡沫塑料层隔热，同时用土工织布覆盖，以及用废木料或泥炭土衬垫；用轨枕覆盖路基边坡；用渗水土更换护道边界的地基土，并用挖出的土筑堤；使用能模拟沼泽地区热交换条件的薄膜覆盖层；护道要建造在用填土回填的河流或水库上，以及在土层不断固结时，护道建造在不坚固的地基上。最后根据三个单独获得的参数(变形、温度、强度)，认证了泡沫塑料隔热层对抑制路堤急剧沉陷的使用效果。

在位于安多试验段(起讫里程DK1449+500~DK1450+000)。通过选取DK1449+540、DK1449+600两个土工格栅断面；DK1449+680、DK1449+740两个抛填片石断面和DK1449+840、DK1449+900两个土工格室断面，三种处理措施、六个测试断面，进行室内材料的强度试验、地温测试、现场地基的承载力和变形观测。

工程采用土工格室+渗水土、土工格栅+渗水土和抛填片石三种地基处理方式进行地基加固，通过地温、变形、承载力测试进行分析和评价。

(1)试验段地基土的物理性质参数为：土粒比重为2.66，在重型击实试验下，其最优含水量为7.2％，最大干密度为2.19g/cm³，通过颗粒分析试验，属粉砂的分类范围。

(2)通过压缩试验得到其压缩在最优含水率下或高含水量条件下，土样都属于中等压缩性土。

(3)通过土的三轴试验，在最优含水率下，以0.9的压实系数成样，加筋后土的强度参数

和c值提高幅度都较大，加筋作用比较明显。

(4)土样浸水后，随着含水率的增大，土样的强度大幅下降，但加筋土的强度仍然高于素土。总体上加筋土强度高于素土，加筋作用十分明显。尤其是高含水量条件下更能体现出加筋土的优越性。

(5)不铺设和铺设加筋材料的路基结构形式，其稳定性均能保证，即F>F_s＝1.15，且铺设加筋材料后更安全。护道对稳定安全系数的提高作用不大。

(7)试验工程所采用的处理措施(土工格栅、土工格室、抛填片石)是有效的，处理后的地基承载力均较处理前有所提高，提高了1.5~2.0倍。本报告所提出的承载力公式(式3-2-2)可以作为该试验点地基承载力的计算式。

(8)三种地基处理措施沉降趋势基本一致，总体上表现出冬天沉降小，夏季沉降大，且年度的沉降累积变形趋于减小，说明路基变形已趋于稳定。路基中心平均沉降在6cm左右，最大沉降达12cm。

(9)沿基床横断面变形总体而言以沉降为主。横断面变形不均匀，且阳坡明显大于阴坡。一方面路基横断面因为阴阳坡的关系，说明温度、辐照的不同对路基沉降影响较大。另一方面，路基横断面属于倾斜地基，软弱地基厚薄的不均匀性和路堤填筑高度的不同均对路基断面变形的不均匀产生了重大影响。阳坡沉降明显大于阴坡的现象还可以从地温测试中最大融深的变化现象中得到，即阳坡坡脚的最大融深普遍大于阴坡，最大可超过2.0m。

(10)从水分或湿度分布曲线可以看出，地基含水量总体上分布较均匀。抛填片石(含水量)<土工格室(含水量)<土工格栅(含水量)，且随时间推移，地基含水量有下降趋势。可以看出，路基施工质量和排水措施是得到保证的。

(11)经过两个冻融循环可以看出，路基的最大融化深度都有所抬升，说明了路基总的趋势是散热量大于吸热量，三种地基处理措施条件下的路基热稳定性是能够满足的，表明三种地基处理措施都是有效的。

(12)从路基填筑后的人为上限看，抛填片石对保护冻土有积极的作用。抛填片石地基处理措施较其它两种措施(土工格栅、土工格室)的效果要好。

Claims (2)

1、青藏铁路多年冻土湿地地基处理工艺方法，其特征在于：所述的地基处理工艺方法包括以下方法：

(1)、抛填片石挤淤处理地基：

石料最大粒径不宜超过40cm；个别不平整处，用细石块找平，同时采用25t振动压路机进行碾压，提高地基承载能力；对有明显回弹的地段，处理的方法是再卸一层石料进行碾压，直至达到要求；对含水量过大、深度在2m以内的潮湿土，挖去湿土换填适用的干土或挖方石渣、天然砂砾，并分层压实达到标准；

(2)、土工格室和渗水土处理地基：土工格室是由高强度的HDPE或PP宽带或土工带，经过强力焊接而形成的蜂窝状立体网格结构；它伸缩自如，运输时可缩叠起来，使用时张开并充填土石或混凝土，构成具有强大侧向限制和大刚度的结构体；

(3)、土工格栅和渗水土处理地基：土工格栅铺设位置距地面0.3米处，以0.5米间距铺设两层，单宽抗拉强度为50kN/m，强度参数按室内试验取值。

2、根据权利要求1所述的青藏铁路多年冻土湿地地基处理工艺方法，其特征在于：所述的地基处理方法采用碎石桩，具体方法如下：

(1)施工放样，清理并平整场地，必要路段铺设碎石垫层，振动成桩机就位，校正桩管垂直度≤1.5％，校正桩管长度符合设计桩长；

(2)用振动成桩机将桩管边振动边沉入土层，直至设计深度，稍向上提桩管，使桩管下端的活瓣桩尖打开，桩管及桩尖外壁的真空破坏，这样可以减少起拔摩阻力；

(3)停止振动，立即往管内装入碎石，直至灌满为止；

(4)根据单桩设计碎石用量确定第一次投料的成桩长度，进行多次反插直至桩管内碎石全部投出。