基于凍土特征的青藏公路路基病害分析

次旦多杰

基于凍土特征的青藏公路路基病害分析

次旦多杰1，2

(1.西藏天路股份有限公司，西藏拉薩 850005;2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064)

為分析青藏高原多年凍土特征對(duì)青藏公路路基病害的影響，在對(duì)青藏高原多年凍土特征進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，討論了青藏線路基病害類(lèi)型與形成機(jī)理。研究得出:青藏線路基的主要變形形式為不均勻沉陷變形;地溫對(duì)凍土區(qū)路基縱向裂縫的影響顯著;青藏沿線路基沉陷病害的百分比隨著地溫的降低先增大后降低;翻漿病害的百分比隨著溫度的降低而減小。

青藏公路;多年凍土;路基變形;縱向裂縫

0 引言

青藏高原多年凍土區(qū)是中國(guó)低緯度、高海拔、面積最大的凍土區(qū)，北起昆侖山主脊北側(cè)西大灘，南至唐古拉山南麓23工區(qū)。近年來(lái)，隨著青藏高原多年凍土區(qū)年均地溫的升高，凍土厚度有所降低且多年凍土面積也相應(yīng)減小。550 km左右的青藏公路跨越了該凍土區(qū)域，公路沿線生態(tài)脆弱，施工過(guò)程對(duì)所經(jīng)區(qū)段凍土穩(wěn)定性的影響較為明顯。針對(duì)多年凍土區(qū)路基病害，張寶龍等提出對(duì)路基不均勻變形采取控制措施［1-2］;徐安花對(duì)多年凍土區(qū)青藏公路的路基縱向裂縫在橫斷面上的分布情況展開(kāi)了分析［3］;陳建兵等深入分析了高路基病害的形成機(jī)理，結(jié)果顯示高路基病害受融化盤(pán)、融化夾層、凍結(jié)核等多個(gè)因素的影響［4］。

雖然部分研究學(xué)者采用改變路基高度、在路基中設(shè)置隔熱層增強(qiáng)熱阻或采取熱棒等措施改善青藏公路路基病害，但多年凍土區(qū)道路工程病害類(lèi)型與產(chǎn)生機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。因此，本文在分析青藏公路沿線凍土特征的基礎(chǔ)上，研究青藏線主要路基病害，并探討青藏公路路基病害與凍土含冰量、凍土地溫等凍土特征之間的關(guān)系。

1 青藏公路沿線多年凍土特征

溫度等外界因素對(duì)凍土自身特征的影響較為明顯。青藏公路對(duì)青藏高原多個(gè)連續(xù)多年凍土區(qū)實(shí)現(xiàn)了跨越，且沿線凍土緯度低、海拔高、垂直分帶明顯［5］，如圖1所示。已有研究指出，青藏高原地區(qū)多年凍土在當(dāng)前氣候環(huán)境下呈現(xiàn)退化趨勢(shì)，且青藏線的建設(shè)完成對(duì)沿線原始環(huán)境的水熱分布狀況形成了干擾，對(duì)凍土生存環(huán)境及其熱穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響，最終加速了凍土的退化進(jìn)程。

圖1 青藏公路穿越路線

1．1 凍土分布特征

青藏公路沿線多年凍土的基本分布情況如表1所示［6-7］。

表1 青藏公路沿線多年凍土分布特征

1．2 凍土厚度

青藏線多年凍土區(qū)厚度一般在0～148 m之間，受緯度、海拔、地形地貌與坡向等地理因素的影響，青藏公路多年凍土厚度的分布極不均勻。青藏線部分路段多年凍土區(qū)的凍土厚度如表2所示。

表2 青藏線部分路段多年凍土區(qū)的凍土厚度

1．3 上限與地溫

青藏高原多年凍土區(qū)天然上限深度為1．0～4.8 m，年均地溫為 －4．2℃ ～ －0．5℃。根據(jù)地溫可將青藏公路沿線多年凍土區(qū)劃分為4個(gè)區(qū)，如表3所示。

表3 青藏線多年凍土區(qū)地溫分區(qū)

2 青藏線多年凍土區(qū)路基病害類(lèi)型

穿越多年凍土區(qū)的青藏公路具有病害率高、病害程度嚴(yán)重的特點(diǎn)，且超過(guò)80%的路段發(fā)生結(jié)構(gòu)性病害。通過(guò)對(duì)青藏公路沿線路基、路面病害的調(diào)研以及查閱相關(guān)資料得出其主要的病害類(lèi)型，如圖2所示。

圖2 青藏公路穿越多年凍土區(qū)路基病害分布

由圖2可知，不均勻沉陷變形的病害比例最大，為24%，凍脹融沉翻漿次之，比例為23%，而路基橫向開(kāi)裂發(fā)生的可能性最小，比例僅為9%。青藏公路沿線路基病害發(fā)生率由大到小依次為:不均勻變形沉陷、凍脹融沉翻漿、路基邊坡病害、路基縱向開(kāi)裂、波浪變形、路基橫向裂縫。

2．1 路基的不均勻變形

沉降變形是青藏公路多年凍土區(qū)的典型路基病害，凍土路基下多年凍土融化引起的路基不均勻變形超過(guò)該路段路基變形總量的81%［8］。從路基橫斷面來(lái)看，路基的不均勻變形主要表現(xiàn)為橫向傾斜變形。不均勻變形通常受多種因素的綜合影響，主要包括多年凍土的凍脹融沉、密實(shí)度、路基填土不均勻、路基兩側(cè)積水、施工質(zhì)量與路基自身含水率等。

2．2 凍脹融沉與翻漿

位于季節(jié)性冰凍地區(qū)的路基在冬季溫度很低的情況下熱量不斷下降，當(dāng)路基溫度降至土中水的結(jié)晶點(diǎn)時(shí)，土體凍結(jié)并形成凍脹，最終引起路面開(kāi)裂;在春季溫度回暖時(shí)期，凍結(jié)的路基隨著環(huán)境溫度的升高而融化，冰變水后體積減小，從而使路基出現(xiàn)融沉病害。

通常路面下的上層土體率先融化而下部土體仍處于凍結(jié)狀態(tài)，凍結(jié)土層起到隔水層的作用，使得融化的水不能及時(shí)下滲而積攢在路面與未融化的路基之間，在路基自重與輪載的循環(huán)作用下，路面變得松軟并最終產(chǎn)生翻漿。

2．3 松散與局部沉陷

青藏高原緯度低、海拔高，多年凍土面積大且大氣稀薄，日照時(shí)間長(zhǎng)且輻射強(qiáng)烈。瀝青面層在鋪筑后，強(qiáng)輻射與低溫環(huán)境使得瀝青面層加速老化，在輪載的循環(huán)作用下使面層松散破壞。退化與不穩(wěn)定的多年凍土上層壓縮固結(jié)變形是產(chǎn)生路基沉陷變形的主要原因。各地區(qū)路基沉陷病害率從大到小依次為:過(guò)渡多年凍土帶、年平均氣溫大于深季節(jié)凍土區(qū)、穩(wěn)定多年凍土地區(qū)。其中，路基沉陷病害率隨含冰量增加而增大，當(dāng)含冰量達(dá)到飽和時(shí)，沉陷病害率保持穩(wěn)定。

2．4 縱向裂縫

多年凍土區(qū)的縱向裂縫深度大、裂縫長(zhǎng)且發(fā)展形狀不規(guī)律。從道路縱斷面來(lái)看，不均勻變形分為縱向波浪變形與橫向不均勻變形。含冰量、凍土類(lèi)型與路側(cè)積水是影響縱向裂縫的關(guān)鍵因素?？v向裂縫病害率隨凍土含冰量增加而增大，凍土越穩(wěn)定裂縫越少。路側(cè)積水是導(dǎo)致多年凍土退化的直接原因，路基下多年凍土的變化，特別是凍土上限的變化，直接影響地基土的壓縮沉陷變形。

3 路基變形與凍土特征的關(guān)系

3．1 沉陷病害率與多年凍土地溫和含冰量的關(guān)系

青藏公路沿線路基沉陷病害百分比與多年凍土低溫、含冰量之間的關(guān)系見(jiàn)圖3、4。

圖3 沉陷病害百分比與地溫之間的關(guān)系

圖4 沉陷病害百分比與含冰量之間的關(guān)系

由圖3可知，青藏公路沿線路基沉陷病害百分比隨著地溫的降低先增大后降低。其中，當(dāng)?shù)販胤謪^(qū)溫度在－1．5℃ ～ －0．5℃之間時(shí)，沉陷病害百分比最大，為25%;而沉陷病害百分比最小的地溫分區(qū)溫度在 －5．0℃ ～ －3．0℃之間，僅占9．1%。圖4中，在含冰類(lèi)型為飽和冰的地區(qū)，路基的沉陷病害百分比最大，為27%;少冰地區(qū)則沒(méi)有發(fā)生沉陷病害;含冰類(lèi)型為富冰與含土冰地區(qū)的沉陷病害百分比分別為12%和23%。

3．2 翻漿與凍土特征的關(guān)系

青藏公路沿線路基翻漿病害百分比與多年凍土地溫之間的關(guān)系見(jiàn)圖5。

由圖5可知，當(dāng)?shù)販馗哂?℃時(shí)，翻漿病害百分比高達(dá)80%，且翻漿病害百分比隨著地溫的降低而減小。這是因?yàn)?路基表面在入冬后開(kāi)始凍結(jié)，導(dǎo)致路面開(kāi)裂;春季回暖期間路面與上部路基吸收的熱量較多，凍結(jié)部分融化較快，而路基下部吸收的熱量較少，凍結(jié)層仍處于凍結(jié)狀態(tài)，凍土層里的冰水較多而又無(wú)法排除，導(dǎo)致路基上部處于飽水狀態(tài)，強(qiáng)度降低，在輪載循環(huán)作用下出現(xiàn)破裂冒漿的現(xiàn)象。

圖5 翻漿病害百分比與地溫分區(qū)之間的關(guān)系

3．3 縱向裂縫與凍土特征的關(guān)系

青藏公路沿線縱向裂縫病害百分比與多年凍土地溫、含冰量之間的關(guān)系見(jiàn)圖6、7。

圖6 路基縱向裂縫病害百分比與地溫之間的關(guān)系

圖7 路基縱向裂縫病害百分比與含冰量之間的關(guān)系

由圖6可知，地溫對(duì)凍土區(qū)路基縱向裂縫影響顯著，地溫分區(qū)在 －3．0℃ ～ －1．5℃之間的路基縱向裂縫病害百分比最大，高達(dá)37%，而地溫分區(qū)溫度高于0℃的地區(qū)，路基縱向裂縫病害百分比最小，僅為3%。這可能是因?yàn)?隨著氣溫的急劇下降，青藏多年凍土區(qū)路基與道床具有保溫護(hù)道的作用，引起道床下路基與路基兩側(cè)的基床土體產(chǎn)生不均勻凍結(jié)收縮，造成路肩、道床坡腳與道床軌枕頭處縱向開(kāi)放性開(kāi)裂。對(duì)于不同的含冰量區(qū)域，路基縱向裂縫病害百分比從高到低依次為:飽和冰區(qū)、含土冰區(qū)、富冰區(qū)、多冰區(qū)、少冰區(qū)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)青藏公路沿線多年凍土區(qū)厚度主要介于0～148 m，凍土區(qū)天然上限深度為 1．0 ～4．8 m，年平均地溫為－4．2℃ ～ －0．5℃;青藏線地下冰的深度多超過(guò)20 m且主要位于多年凍土上限以下0．5～2．9 m 范圍內(nèi)。

(2)青藏公路沿線各類(lèi)路基病害發(fā)生率從高到低依次為:不均勻變形沉陷、凍脹融沉翻漿、路基邊坡病害、路基縱向開(kāi)裂、波浪變形、路基橫向裂縫。

(3)青藏公路沿線路基沉陷病害百分比隨著地溫的降低先增大后降低;當(dāng)溫度高于0℃時(shí)，翻漿病害百分比高達(dá)80%，且翻漿病害百分比隨著溫度的降低而減小;地溫對(duì)凍土區(qū)路基縱向裂縫影響顯著。

［1］ 張寶龍．島狀凍土地區(qū)路基不均勻變形控制措施［J］．筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2016，33(12):49-52．

［2］ 張紹成，楊 錚．“綜合法”利用高液限土填筑路基的施工控制方法［J］．筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2016，33(1):118-120．

［3］ 徐安花．多年凍土地區(qū)公路路基縱向裂縫與路基走向關(guān)系的探討［J］．冰川凍土，2010，32(1):121-125．

［4］ 陳建兵，汪雙杰，章金釗，等．青藏公路高路基病害的形成及其機(jī)理［J］．長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，28(6):30-35．

［5］ 馬君毅，符 進(jìn)，章金釗．多年凍土地區(qū)公路修筑技術(shù)在青藏公路改建完善工程中推廣應(yīng)用［J］．公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)版，2008(S1):287-290．

［6］ 蔡漢成，李 勇，楊勇鵬，等．青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)氣溫和多年凍土變化特征［J］．巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，35(7):1134-1444．

［7］ 肖 璇，杜 棪．青藏公路沿線多年凍土的分布特點(diǎn)及發(fā)育特征［J］．黑龍江交通科技，2012(8):10-12．

［8］ 鄭 憲，李明寶，閻夢(mèng)睛，等．季節(jié)性冰凍地區(qū)公路路基凍脹融沉過(guò)程規(guī)律研究［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2016(3):239-244．

Analysis of Subgrade Diseases of Qinghai-Tibet Highway Based on Features of Permafrost

CIDAN Duojie1，2
(1．Tibet Tianlu Co．，Ltd．，Lhasa 850005，Tibet，China;2．School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China)

In order to investigate the influence of the features of permafrost on the subgrade of Qinghai-Tibet highway，the distresses and their formation mechanism were discussed based on the study of the features of the permafrost on the Qinghai-Tibet plateau．It is found out that the main deformation form of the subgrade of Qinghai-Tibet highway is uneven subsidence;the effect of ground temperature on the longitudinal cracks in the permafrost zone is significant;the percentage of subgrade subsidence along the Qinghai-Tibet highway increases first and then decreases with the dropping of ground temperature;the percentage of frost boil decreases following the dropping of ground temperature．

Qinghai-Tibet highway;permafrost;subgrade deformation;longitudinal crack

U418．5

B

1000-033X(2017)10-0090-04

2017-03-22

次旦多杰(1980-)，男，西藏拉薩人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榈缆放c橋梁工程。

［責(zé)任編輯:杜衛(wèi)華］