季節(jié)性凍土路基變形監(jiān)測及其穩(wěn)定性分析

黃濤，張偉

（1.長安大學公路學院，西安710064；2.重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074）

季節(jié)性凍土路基變形監(jiān)測及其穩(wěn)定性分析

黃濤1，張偉2

（1.長安大學公路學院，西安710064；2.重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074）

季節(jié)性凍土地基具有冬季凍脹、春季融沉的特性，在其上修筑的路基通常產(chǎn)生沉降和滑移變形，最終導致路基失穩(wěn)?；谏鲜鲈?，通過介紹季節(jié)性凍土路基凍脹和融沉產(chǎn)生的機理，以及季節(jié)性凍土路基變形監(jiān)測的原則和內(nèi)容，并結合墨脫公路的監(jiān)測結果對季節(jié)性凍土路基的穩(wěn)定性進行分析評價。該研究對季節(jié)性凍土路基的設計、施工及穩(wěn)定加固具有重要的指導意義。

季節(jié)性凍土路基；凍脹融沉；變形監(jiān)測；穩(wěn)定性分析

我國凍土地區(qū)分布廣泛，約有9S.9%的面積被不同類型的凍土所覆蓋，其中對工程建設影響較大的季節(jié)性凍土區(qū)的面積占全國面積的53.5%［1］。隨著我國公路工程建設的不斷發(fā)展，許多公路必然會穿越季節(jié)性凍土地區(qū)。然而季節(jié)性凍土具有冬季凍脹、春季融沉的特性，這會引起在其上修筑的路基產(chǎn)生沉降變形，嚴重影響公路的行車安全，國內(nèi)研究人員在這方面已做過很多相關研究［2_5］。因此，在公路竣工后采用合理的監(jiān)測技術對季節(jié)性凍土路基變形及其穩(wěn)定性進行跟蹤監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結果對路基的穩(wěn)定性進行分析評價，這具有重要的工程實際意義。

1 季節(jié)性凍土的凍脹和融沉

1.1 凍脹

季節(jié)性凍土的凍脹一般發(fā)生在當年11月中旬至次年2月下旬，路基當?shù)氐牡蜏厥钱a(chǎn)生凍脹的直接原因。在低溫的作用下，路基土體開始凍結，土體內(nèi)的水分開始由四周向凍結鋒面聚集，形成冰晶體或夾冰層。尤其是對黑色的瀝青路面，路中部的導溫性能較兩側路肩要強很多，這就導致路中部下路基土凍結速度及凍結深度較大，在路面下形成凹曲線狀的凍結線。此后，路肩和路基下部土體中的水分向路基中部聚集，使路基中部形成較厚的聚冰層。水分的聚集結冰，會使原來的路基土體積增大到1.09倍，從而導致了凍脹的發(fā)生。凍脹一般會造成路面凸凹不平或產(chǎn)生橫、縱向裂縫，這些都會導致路基失穩(wěn)，影響行車的安全。

1.2 融沉

季節(jié)性凍土的融沉是相對于凍脹的另一種現(xiàn)象，它一般發(fā)生在每年的3月上旬至5月上旬。這段時間，季節(jié)性凍土地區(qū)氣溫開始回升，路基土體開始融化，路中部路基土較兩側路肩處要融化快，因此在路基下會形成凹形殘凍核。由于該凍核不透水，致使其上部已融化土中的水分不能排出，在土體自身重力和上部車輛外荷載的作用下，路基將發(fā)生翻漿、冒泥現(xiàn)象［6］。隨之發(fā)展下去，路面會產(chǎn)生縱向裂縫，嚴重影響道路的穩(wěn)定性及行車安全。

2 季節(jié)性凍土路基變形監(jiān)測

通過上述對季節(jié)性凍土出現(xiàn)冬季凍脹、春季融沉病害現(xiàn)象的分析可知：為了保障道路的穩(wěn)定及行車安全，需要對季節(jié)性凍土路基進行變形監(jiān)測。

2.1 監(jiān)測原則

季節(jié)性凍土路基變形監(jiān)測的基本原則主要包括以下幾點：（1）季節(jié)性凍土路段應每隔一千米設置一個監(jiān)測斷面；（2）每個監(jiān)測斷面上應至少包含3個沉降監(jiān)測點，2個水平位移監(jiān)測點，且沉降監(jiān)測點應在道路中線及兩側路肩均布設有點；（3）監(jiān)測人員應根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)所反映的情況及時做出路基穩(wěn)定性評價分析，并提出相應的處置方案。

2.2 監(jiān)測內(nèi)容

季節(jié)性凍土路基變形監(jiān)測的主要內(nèi)容包括地表豎向沉降和土體深部水平偏移。

（1）地表豎向沉降

地表豎向沉降一般用水準儀測量，在路基和路面上布置沉降監(jiān)測點，然后通過觀測各監(jiān)測點的累計沉降量變化情況來分析路基的沉降穩(wěn)定性。為了消除其它因素的影響干擾而反映監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，應在路基沉降和滑動范圍外布置沉降基準點，通過監(jiān)測點和沉降基準點監(jiān)測數(shù)據(jù)的比較來分析地表的沉降情況。

（2）土體深部水平偏移

土體深部水平偏移一般用測斜儀測量，在路基和路面上埋設測斜管，然后通過量測各測斜管的累積偏移量變化情況分析路基的滑移穩(wěn)定性。測斜儀的工作原理是：當測頭在測斜管內(nèi)由上往下以一定間隔滑動時，測頭內(nèi)部的傳感器通過測量測斜管在每一深度處變化的傾斜角從而得到測斜管每段的水平位移增量，最后將每段水平位移增量逐段累加，得到不同深度及孔口的總位移。測斜儀是沿測斜孔兩個正交方向來進行測量的，能夠描述測斜管沿深度的位移全貌，從而可準確地確定發(fā)生位移的部位，以及位移的大小與方向［7］。與地表豎向沉降一樣，為了消除外界因素的影響，通常取孔口下0.5 m或1 m處水平位移為分析對象。

3 季節(jié)性凍土路基穩(wěn)定性實例分析

通過監(jiān)測路基地表豎向沉降和土體深部水平偏移的變化情況就可以分析評價季節(jié)性凍土路基的穩(wěn)定情況。

3.1 工程概況

墨脫公路位于西藏波密縣和墨脫縣兩縣境內(nèi)，項目里程117.245 km，起點位于波密縣咋木鎮(zhèn)31S國道與老墨脫公路的交叉點，利用扎木大橋，向南經(jīng)嘎隆寺，以隧道穿越嘎隆拉雪山進入墨脫境岡戎勒，之后路線沿噶弄曲右岸原始森林行進，經(jīng)打爾曲、波弄貢，在10SK跨越金珠藏布，然后沿金珠藏布左岸半坡布線至113K，經(jīng)米日、馬迪，跨西莫河，到達墨脫縣城蓮花廣場。墨脫公路所處區(qū)域屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，冬季干旱少雨，夏季雨水較多，年平均氣溫1S℃，最冷1月均溫S.4℃，最熱7月均溫22.2℃。每年11～1月為低溫旱季，均以降雪為主，2～4月為春季回暖期，雨水相對也較少。

3.2 監(jiān)測方案

為了研究分析上述公路工程已竣工路段路基變形及其穩(wěn)定性情況，在每個斷面布置5個沉降監(jiān)測點和4個測斜管，各監(jiān)測斷面沉降監(jiān)測點及測斜管埋設情況如圖1所示，監(jiān)測時間為2012年11月上旬至2013年5月中旬。地表豎向沉降采用高精密水準儀測量，其型號為DS1，監(jiān)測頻率為1次/10 d。土體深部水平偏移采用便攜式測斜儀來測量，其型號為SY47_BGK_6100/6115，監(jiān)測頻率為1次/15 d。

圖1變形觀測點布置圖

3.3 監(jiān)測成果與分析

通過近六個月的連續(xù)跟蹤監(jiān)測，然后對監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總并作出動態(tài)變化圖。由于監(jiān)測斷面及數(shù)據(jù)較多，現(xiàn)只選取已竣工路段內(nèi)中心樁號為K55+034監(jiān)測斷面監(jiān)測成果進行分析。

K55+034監(jiān)測斷面的地表豎向沉降和土體深部水平偏移隨時間變化情況分別如圖2和圖3所示。

圖2累計沉降量隨時間變化圖

圖3累計偏移量隨時間變化圖

從圖2和圖3中可以看出，K55+034監(jiān)測斷面累計沉降量呈現(xiàn)先增大后減小的形狀，且后期沉降減小的速率較前期增大速率大，上部監(jiān)測點累計沉降量較坡腳處大；累計偏移量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，且后期增大速率較前期大，上部側斜管累計偏移量較坡腳處大。

該地區(qū)進入冬季后，氣溫逐漸降低，這時路基內(nèi)土體開始出現(xiàn)凍脹。這導致路基及路面地表向上凸起，且道路中線處凸起較多，同時這期間，累計偏移量變化較小，反映于圖2和圖3前130天。通過現(xiàn)場調(diào)研觀察，監(jiān)測斷面處路面多處出現(xiàn)凸凹不平現(xiàn)象，在道路中線及兩側路肩處出現(xiàn)橫、縱向裂縫，且中線同兩側路肩相比縱向裂縫寬度稍大，但路基邊坡穩(wěn)定性較好，未出現(xiàn)滑塌。

當該地區(qū)從第二年3月進入春季后，氣溫逐漸回升，這時路基內(nèi)部發(fā)生融沉。這就導致地表沉降，同時在上部車輛荷載的附加作用下，兩側路肩處累計偏移量迅速增大，反映于圖2和圖3后60天。通過現(xiàn)場調(diào)研觀察，監(jiān)測斷面兩側路肩處縱向裂縫寬度較大，且道路右側（陽面）較左側（陰面）裂縫寬度大，同時路基邊坡出現(xiàn)少許滑塌。

通過對K55+034監(jiān)測斷面監(jiān)測結果的分析，可以得出如下結論：季節(jié)性凍土地區(qū)冬季凍脹雖然引起道路表面豎向高程上升，并導致路面出現(xiàn)裂縫，但并未引起較大的路基深部水平偏移變化，即路基仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，只需對路面進行填縫處理保證行車安全，同時應設置隔水層防止地表水和地下水侵入路基加劇凍脹作用。春季融沉使得道路路肩處深部水平偏移較大，路基邊坡逐漸向外傾斜，路基穩(wěn)定性較差，因此應對路基采取相應的加固措施以保證路基的穩(wěn)定及行車安全。

4 結束語

國家公路網(wǎng)的建設是關系到國家經(jīng)濟民生的重要舉措，但季節(jié)性凍土地區(qū)路基在冬季凍脹和春季融沉反復的作用下，會嚴重地影響道路的穩(wěn)定及行車安全，故對該地區(qū)路基的維護和加固應引起足夠的重視。通過對墨脫公路跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，春季融沉比冬季凍脹更容易使道路路基產(chǎn)生滑塌失穩(wěn)，因此在春季更應加強對道路路基穩(wěn)定情況的定期巡查。對出現(xiàn)路基滑塌不穩(wěn)定區(qū)域，及時采取合理有效的加固處理措施，盡量將損失降低到最小值。

［1]徐學祖，王家澄，張立新.凍土物理學［M].北京:科學出版社，2001.

［2]孔令奇.季節(jié)性凍土地區(qū)路基穩(wěn)定性的數(shù)值分析［D].成都:西南交通大學，2005.

［3]田亞護，溫立光，劉建坤.季節(jié)性凍土區(qū)鐵路路基變形監(jiān)測及凍害原因分析［J].鐵道建筑，2010(7):104_ 107.

［4]劉詩平.川藏線康定段季節(jié)性凍土路基溫度場分布規(guī)律及路基變形研究［D].西安:長安大學，2011.

［5]鐘閩輝，王少斌.季節(jié)性凍土路基凍脹性分析及治理措施［J].鐵道建筑，2009(4):96_98.

［6]張文，宋琿.季節(jié)性凍土路基融沉時的穩(wěn)定性分析［J].路基工程，2008(3):55_56.

［7]胡勇.改擴建軟土路基的變形分析與控制對策［J].水文地質工程地質，2011，38(6):74_78.

Deformation Monitoring and Stability Analysis of Seasonal Frozen Soil Subgrade

HUANG Tao1，ZHANGWei2
（1.School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，China；2.School of Civil Engineering and Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

The seasonal frozen soil ground has characteristics of frost heaving in winter and thawing settlement in sPring，which Produce settlement and sliPPage deformation that lead to subgrade instability in the last.Based on above reasons，the mechanism of the seasonal frozen soil subgrade's frost heaving and thawing settlement，and the PrinciPle and content of its deformation monitoring are introduced，then its stability is analysed and evaluated by combiningwith themonitoring results of the Mo_tuo highway.This study has an imPortant guiding significance to the seasonal frozen soil subgrade's design，construc_ tion and stable reinforcement.

seasonal frozen soil subgrade；frost heaving and thawing settlement；deformationmonitoring；stability analysis

U416.1

A

1673_1549(2014)02_0070_03

10.11863/j.suse.2014.02.15

2013_11_20

黃濤（19SS_），男，湖北鄂州人，碩士生，主要從事公路與巖土工程方面的研究（E_mail）victorhuang1S74@163.com