基于水熱變化的青藏公路路基縱向裂縫現(xiàn)場測試及成因分析

毛雪松，陳燕琴，樊宇朔，楊錦鳳

(長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點試驗室，陜西 西安 710064)

在高寒多年凍土地區(qū)修筑道路會受到多年凍土這一特殊的工程地質(zhì)所限制，同時道路的修筑會使得多年凍土升溫與退化，使水、熱成為影響路基工程穩(wěn)定性及耐久性的兩個重要因素。路基中溫度場的改變影響著土體中熱量的傳遞，但溫度本身無法改變土體的工程性質(zhì)，它必將借助于土體中的水分為介質(zhì)來引起土體性質(zhì)發(fā)生改變，土體中的水分在特殊條件氣候條件下，發(fā)生不均勻遷移、凍脹及融化，致使路基強度呈現(xiàn)不均勻分布，引起路基病害，其中縱向裂縫是多年凍土地區(qū)的典型病害形式，近年來該病害愈發(fā)嚴(yán)重[1]。針對凍土工程中水熱變化對路基縱向裂縫的影響問題，我國學(xué)者做了大量系統(tǒng)的研究。毛雪松基于水熱耦合效應(yīng)對凍土路基穩(wěn)定性進行了研究[2]。徐安花研究了路基縱向裂縫在路基橫斷面上的分布規(guī)律[3]。劉超對多年凍土區(qū)路基和塊石路基結(jié)構(gòu)的路基應(yīng)力—應(yīng)變場、沉降變形特征等進行了計算分析[4]。李勇認(rèn)為影響路基穩(wěn)定性的主要因素是凍土路基防護措施的強弱和水熱影響程度[5]。馬歷權(quán)的研究表明路堤邊坡濕度場和溫度場的周期性變化是路堤邊緣縱向裂縫產(chǎn)生的直接原因[6]。雒妞麗基于青藏公路路基現(xiàn)場病害調(diào)查及路基濕度測試，分析了水對凍土路基穩(wěn)定的影響[7]。李明永通過對青藏鐵路路基的溫度及水分測試，認(rèn)為土體0℃趨勢線的存在使水分向凍結(jié)面遷移是水分急劇增大的主因[8]。高軍帥、王立乾等對路基縱向裂縫的形成原因與防治措施進行了研究[9-10]。根據(jù)上述分析，目前從熱角度采用理論模型研究多年凍土路基縱向裂縫病害的較多，但是在水熱綜合效應(yīng)對多年凍土路基縱向裂縫的影響研究方面較少。

水、熱共同作用及相互影響是路基縱向裂縫產(chǎn)生的主要因素。本文以實體工程青藏公路為依托，通過路況調(diào)查分析青藏公路路基病害發(fā)展趨勢，結(jié)合青藏公路五道梁地區(qū)的典型路段的現(xiàn)場測試，分析溫度場、水分場變化特性，在此基礎(chǔ)上從水、熱變化綜合作用的角度分析縱向裂縫的成因。

1 青藏公路典型路段路基病害調(diào)查

為了研究青藏公路路基病害發(fā)展趨勢，探究青藏公路病害發(fā)生原因?qū)η嗖毓返湫吐范沃饕『M行調(diào)查，得到調(diào)查統(tǒng)計情況如圖1所示。由圖1可以看出，路基主要病害為縱向裂縫、路基沉降、不均勻變形，近年來路基縱向裂縫愈發(fā)嚴(yán)重，其中2000年調(diào)查路段未出現(xiàn)縱向裂縫，2004、2005、2007、2009年縱向裂縫分別占主要病害總和的30%、31%、62%、64%。路基縱向裂縫所占比例逐年上升，且調(diào)查表明主要有路面邊緣帶沉陷性弧狀沉陷性裂縫、路肩沉陷性縱向裂縫、路面中間帶張性縱向裂縫這三種[2]。

圖1 青藏公路典型路段路基病害

2 典型路段溫度場及水分場現(xiàn)場測試

路基內(nèi)部土體濕度與溫度是一個動態(tài)變化過程。因此，對路基內(nèi)部水分與溫度進行長期監(jiān)測，是分析路基內(nèi)部濕度與溫度變化特性及其相互影響的基礎(chǔ)，從而為進一步分析路基縱向裂縫形成過程提供參考。

2.1 試驗路段自然環(huán)境

青藏公路K3020+200處位于連續(xù)分布多年凍土區(qū)的五道梁地區(qū)，其海拔在4 600 m以上，年平均氣溫-5.6 ℃，全年凍結(jié)期是11～12月(翌年1～2月)。年降水量 265 mm，年最大積雪深度為14 cm。公路沿線的高降雨量時段多集中于 5～9 月，其中最大降雨量為87 mm。太陽總輻射量最大三個月為5月至7月，其中最大輻射量為24 MJ(m2·d)-1，太陽有效輻射量最大三個月為3月、4月、10月，其中最大輻射量為10 MJ(m2·d)-1。地形上處于低洼地帶，道路兩側(cè)匯水面積較大，路側(cè)常常出現(xiàn)季節(jié)性積水，植被稀少。多年凍土類型以連續(xù)為主，有局部融區(qū)，多年凍土厚度達40 m至60 m；最大季節(jié)融化深度為1.5 m至2.8 m，凍土構(gòu)造為水平層狀，凍土現(xiàn)象為冰椎、凍脹丘等。

2.2 典型斷面觀測及現(xiàn)場溫度、水分傳感器埋設(shè)

K3020+200 的道路橫斷面如圖 2 所示，路基填土高度為4.5 m，路基頂面寬為10 m，邊坡坡度為1∶1.5。該斷面兩側(cè)自然環(huán)境基本類似，因此溫度傳感器和水分傳感器僅埋設(shè)半幅路基內(nèi)。共埋設(shè)9層溫度傳感器與水分傳感器，共75只溫度傳感器和75只水分傳感器。傳感器的埋設(shè)位置如圖3所示,其中傳感器垂直間距、水平間距分別為0.5 m、1 m。傳感器最深埋設(shè)為天然地表以下1.5 m。測溫元件采用高精度熱敏電阻，其測溫精度為0.01℃,標(biāo)定范圍為-50℃～50℃，熱敏電阻采用非線性元件，其標(biāo)定區(qū)間的最大值為0.5℃。水分傳感器探頭為平面三叉形,長度為5 cm，其數(shù)據(jù)測試原理為能量脈沖原理。

圖2 試驗路段橫斷面示意簡圖

圖3 傳感器布置方案圖

3 溫度場變化特性分析

3.1 路基溫度隨深度變化規(guī)律

從路肩和路中溫度隨深度變化曲線(圖4)可看出，深度在3 m以內(nèi)的路基土體溫度隨時間波動大，主要受大氣溫度的影響；而3 m以下路基土體溫度隨時間變化波動小，受當(dāng)?shù)貧夂蜃兓绊戄^小。5月份時，大氣溫度為0℃以上，路基內(nèi)部溫度隨深度增加而基本呈下降趨勢，說明其內(nèi)部溫度滯后于大氣溫度時間越長；同時路肩溫度梯度變化比路中溫度梯度變化小，這主要是由于路面吸收太陽輻射能向下傳遞使路中升溫快，而路肩受風(fēng)對邊坡蒸發(fā)散熱的影響升溫慢。9月份時，隨深度增加而路基溫度呈下降趨勢，路肩下深度3 m以內(nèi)土體處于融化狀態(tài)，溫度最高為7℃左右，路中3.5 m以內(nèi)處于融化狀態(tài)，最高溫度為14℃。2010年9月及2011年9月的路基內(nèi)部溫度隨深度變化特性基本一致，即路基內(nèi)部溫度隨大氣溫度而周期性變化。

3.2 路基溫度橫向變化特征

對比圖4(a)、(b)可以看出，5月與9月的路基內(nèi)部溫度橫向分布基本一致。5月份時，深度為0.5 m至2.5 m以內(nèi)，路中溫度大于路肩溫度，2.5 m深度以下，路肩溫度高于路中溫度，主要是由大氣降雨或路側(cè)積水入滲路肩帶來熱量所致。路基頂面以下2.5 m范圍以內(nèi)，路中與路肩的溫度梯度較大，當(dāng)路基深度大于 2.5 m時，隨深度的增加，路中與路肩的土體溫度差呈減小趨勢。主要原因：靠近路基頂面，路肩與路中受氣溫、太陽輻射,蒸發(fā)、大氣降水及路面熱量傳遞的影響差異較大。隨深度的增加，路肩與路中受外界環(huán)境的干擾減小。9月份時，路基頂面以下3.5 m以內(nèi)，土體溫度為正溫，路中溫度大于路肩溫度；3.5 m以下，土體處于凍結(jié)狀態(tài)，路中溫度總體大于路肩溫度，路基溫度梯度隨深度增加呈現(xiàn)遞減趨勢，溫度隨深度逐漸降低。

圖4 路基土體溫度隨深度變化曲線

4 路基水分場變化特性分析

路基中水分的變化特性指的是土體中的液態(tài)水(亦即未凍水)隨季節(jié)、外界環(huán)境條件及路基深度的變化過程。

4.1 路基土體含水率隨深度變化特性

從含水率隨深度變化曲線(圖5)可看出，路肩與路中含水率隨深度變化趨勢大致相同。5月份時，氣溫為正值，在深度為1.0 m以內(nèi)，路基土體開始融化，隨深度增加，路肩土體含水率不斷增大，深度為1 m至4.0 m的土體基本處于凍結(jié)狀態(tài)，其含水率隨深度變化出現(xiàn)波動。相同深度下，9月份時的土體含水率要遠大于5月份的，這是由于：①9月份時，路基土體處于融化狀態(tài)，未凍水含量大，受溫度影響，水分遵循從高勢能向低勢能遷移，即水分向凍結(jié)冰峰面遷移，含水率增大；②9月是集中降雨期，大氣降水通過邊坡滲入路基及路側(cè)積水橫向滲入路基所致。9月份時，3 m深處的路基土體含水率達到飽和狀態(tài)，主要是地下水位上升及向上遷移導(dǎo)致的。

圖5 路基土體含水率隨深度變化曲線

4.2 路基土體含水率橫向分布特性

對比圖5(a)、(b)可看出，路基內(nèi)部含水率橫向差異明顯，在路基深度3 m以內(nèi)，路肩含水率明顯大于路中含水率。路基內(nèi)部含水率的變化會影響水分運移參數(shù)的改變，使路基土體在不同土層內(nèi)發(fā)生不均勻遷移[11]。5月份時，路基土體開始進入融化狀態(tài)，由于路肩下土體受氣溫影響大，凍土融化速率快，使得3 m深度以內(nèi)的路中含水率小于路肩含水率；當(dāng)深度大于3 m時，路中含水率明顯大于路肩含水率，主要原因是溫度梯度使路肩水分向路中遷移。9月份時，該地區(qū)是集中降雨期，大氣降水造成路側(cè)積水或大氣降水滲入邊坡橫向遷移，致使路基深度3 m以內(nèi)的路肩含水率明顯大于路中含水率；當(dāng)深度大于3 m時，路中的含水率大于路肩的。

4.3 路基溫度場對水分場的影響

溫度對水分遷移的影響主要是通過改變水在土中的存在狀態(tài)而實現(xiàn)的，水在負溫條件下發(fā)生凍結(jié)，改變了土體中的水分梯度，使水從含量多的地方向含量少的地方運動。圖6為5月份及9月份土體溫度與水分分布圖。

圖6 5月份及9月份土體溫度與水分分布圖

由圖6可看出，在5月份和9月份時，路基深度為3.5 m以內(nèi)部分，土體處于正溫狀態(tài)，隨深度增加溫度降低，土中的水分向上遷移，使上層土體中水分充分富集。距路基頂面3.5 m范圍內(nèi)土體已處于正溫，路基內(nèi)部含水率隨深度增加有增大也有減小趨勢；在2 m至3.5 m之間，受大氣降水及地表水重力入滲的影響，加之溫度梯度的作用，水分向0℃線集聚明顯，致使距路基頂面2 m至2.5 m范圍含水率增大，在2.5 m處達到最大；隨著溫度降低至0℃以下，未凍水含量集聚減小，2.5 m至3.5 m以內(nèi)，含水率急劇下降，主要原因是3.5 m附近存在溫度0℃趨勢線，致使 3.5 m以上水分不能往下遷移，3.5 m以下水分由于土體處于凍結(jié)狀態(tài)不能向上遷移，致使周圍含水率降低。

綜合上述分析可知，路基內(nèi)部的水分與溫度場是緊密相連的，路基中熱量的差異和改變引起水分的遷移和轉(zhuǎn)換。路基內(nèi)部由于溫度勢(凍結(jié))作用產(chǎn)生的遷移量大于融化過程中的重力勢遷移量，致使路基內(nèi)部水分持續(xù)增大，水分由溫度高處向溫度低處遷移，有向0 ℃線遷移的趨勢，致使水分在凍土上限附近集聚。

5 基于水、熱變化的縱向裂縫成因分析

通過現(xiàn)場測試結(jié)果可知，水、熱變化能造成路基產(chǎn)生縱向裂縫主要原因是：隨著溫度場的變化會導(dǎo)致水分場的變化，進而使土體水分發(fā)生不均勻遷移，從而造成路基土體產(chǎn)生凍脹或融沉，再加上水熱變化是隨季節(jié)的周期性變化，土體的凍融循環(huán)加劇及路基土體力學(xué)性質(zhì)變化引起路基縱向裂縫的產(chǎn)生。

1)凍脹與融沉

在寒季時，大氣的負冷量增大，在土體含水率增大時，土體中的水分凍結(jié)成冰而體積膨脹導(dǎo)致凍脹作用越強，使已凍土體產(chǎn)生拉應(yīng)力與土體自重應(yīng)力之和大于土體的抗拉強度，產(chǎn)生拉裂破壞；在暖季時，大氣溫度高，太陽輻射量大，降雨量大，一方面，在太陽輻射作用下，路基內(nèi)部溫度升高，凍土層開始融化，路基內(nèi)部含水量不斷增大，造成路基整體強度降低，在自重及荷載反復(fù)作用下，路基產(chǎn)生沉陷，進而致使沉陷裂縫的產(chǎn)生。另一方面，在低洼路段或排水不暢路段路基外積水滲入路基內(nèi)部，滲入將給多年凍土帶入較大熱能，使凍土溫度升高發(fā)生融沉，造成位于其上的部分路基產(chǎn)生沉陷變形，路基局部沉陷變形使路基土體內(nèi)產(chǎn)生近于垂直方向的剪切應(yīng)力，剪應(yīng)力達到一定程度則出現(xiàn)開裂破壞導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。

2)水分的遷移

路基中單獨溫度場的變化是無法誘發(fā)路基病害，只有當(dāng)溫度場的變化引起土體水分的不均勻遷移，才會引起路基病害的產(chǎn)生。土體凍結(jié)時，土體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，出現(xiàn)了凍結(jié)鋒面及冰晶體，破壞了土中的水量平衡，導(dǎo)致水分產(chǎn)生遷移。在溫度作用下，水分由溫度高處向溫度低處遷移，有向0℃線遷移的趨勢，在土體接近于范圍內(nèi)含水率有增大趨勢，隨著含水率的增大土體空隙間水分增多，增大了土體之間的潤滑作用，使土體回彈模量急劇衰減，使土體強度降低，使路基強度不均勻分布，而凍結(jié)區(qū)未凍水的繼續(xù)凍結(jié)將產(chǎn)生凍結(jié)膨脹壓力，導(dǎo)致土體受壓變形，產(chǎn)生沉陷，最終導(dǎo)致縱向裂縫的生成。

3)凍融疏松

修筑完工的路基暴露在大氣環(huán)境中，在溫度周期變化、大氣降水、地表水和地下水的影響下，土體經(jīng)歷著干濕和凍融循環(huán)作用，其土顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)與排列方式發(fā)生改變，土體凍結(jié)時，冰晶體擴大能使土顆粒破裂，解凍后，土體變得比較疏松，進而使得路基土體密度及力學(xué)特性發(fā)生了變化，路基土體變得松軟，路基整體強度下降，致使路基承載能力降低。當(dāng)路基土層豎向變形不均勻時，且行車荷載在路面上造成的應(yīng)力大于路面抗彎拉強度時，便產(chǎn)生縱向裂縫。

6 結(jié) 語

1)現(xiàn)場調(diào)查表明縱向裂縫為青藏公路典型病害類型，且主要有路面邊緣帶沉陷性弧狀沉陷性裂縫、路肩沉陷性縱向裂縫、路面中間帶張性縱向裂縫這三種。

2)選擇K3020+200作為典型橫斷面埋設(shè)溫度傳感器及水分傳感器，動態(tài)監(jiān)測了路基內(nèi)部水分和溫度的變化過程。揭示了凍土路基內(nèi)部溫度場、水分場變化的特性：路基內(nèi)部溫度變化滯后于路基表面，并隨深度增加呈下降趨勢，隨大氣溫度而呈季節(jié)性周期變化，溫度梯度隨深度增加而遞減；5月、9月水溫分布圖表明，受大氣降水及地表水重力入滲的影響，加之溫度梯度的作用，水分向0℃線集聚明顯，致使距路基頂面2 m至3.5 m范圍含水率增大；隨著溫度降低至0℃以下，未凍水含量集聚減小，2.5 m至3.5 m以內(nèi)，含水率急劇下降。

3)現(xiàn)場測試結(jié)果表明，水、熱變化能引起路基縱向裂縫產(chǎn)生的原因在于隨著溫度場的變化會導(dǎo)致水分場的不均勻遷移，路基產(chǎn)生凍脹或融沉，凍融循環(huán)引發(fā)的凍融疏松等，從而引發(fā)路基土體性能發(fā)生改變引起路基縱向裂縫產(chǎn)生。

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