基于CPT試驗(yàn)的多年凍土區(qū)路表變形風(fēng)險評價

田 波，王昊武，權(quán) 磊，謝晉德，朱旭偉

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

多年凍土之上夏季融化冬季凍結(jié)的土層為活動層，是凍土路基沉降變形的主要影響因素。全球氣候變暖導(dǎo)致青藏高原多年凍土不斷退化，溫差、荷載及地質(zhì)病害耦合作用下路面變形持續(xù)發(fā)展，嚴(yán)重影響交通安全。

凍土地區(qū)路面發(fā)生變形的主要原因是凍土熱融變形，即凍融循環(huán)后，土體體積和孔隙率增加進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)聚力和單軸抗壓強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致凍脹變形及融化變形[1-3]。已有針對凍土地區(qū)土體力學(xué)特性演化的本構(gòu)模型主要來源于室內(nèi)試驗(yàn)[4-5]，且多于簡單應(yīng)力狀態(tài)下考察凍土的強(qiáng)度和蠕變特性，因此適用范圍較小，而現(xiàn)場服役條件較為復(fù)雜，目前研究成果未能精確滿足凍土地區(qū)工程的使用需求。

多年凍土區(qū)路面沉降主要有3個變形源[6]：凍土解凍導(dǎo)致沉降、修建路面導(dǎo)致凍土升溫而產(chǎn)生活動層未凍土體蠕變、活動層凍融循環(huán)改變土體性質(zhì)而產(chǎn)生額外沉降。目前國內(nèi)外類似工況的處治方案在處理3個變形源交互作用方面存在明顯局限[7-8]。陳冬根等[9]指出凍融循環(huán)后飽冰凍土層變形風(fēng)險大于淺地表層和路基填土。王銳等[10]發(fā)現(xiàn)含冰量、路堤填土高度的增加會增加路面變形風(fēng)險。可見目前針對凍土區(qū)路面沉降風(fēng)險評價的研究較少，缺乏適用于凍土區(qū)路面沉降風(fēng)險的評估方法和處理技術(shù)。

在眾多原位測試方法中，靜力觸探試驗(yàn)(CPT)能夠間接評價較大深度范圍地層的力學(xué)參數(shù)，適合深厚凍土層承載能力評價[11-12]。目前CPT技術(shù)已應(yīng)用于軟土地區(qū)的土體承載力、土層劃分及沉降風(fēng)險評價等方面[13-15]，但鮮有應(yīng)用于多年凍土區(qū)的研究成果。本研究擬利用CPT分析青藏多年凍土活動層承載特性，并提出相應(yīng)路表變形風(fēng)險評估方法。

1 測點(diǎn)選擇與試驗(yàn)方案

1.1 測區(qū)概況

青藏地區(qū)受高海拔影響，分布大片多年凍土，屬中低緯度多年凍土，與高緯度多年凍土差異較大，更易受到青藏高原濕熱化傾向的影響[16-17]。本研究測試路段位于青藏高原東緣，海拔大部分在4 500～5 000 m之間，年平均氣溫約為-3.3 ℃，雨季集中在夏季，年降水量約為387 mm。正因如此，當(dāng)?shù)卮嬖诿黠@暖季活動層，這也成為青藏地區(qū)公路路基熱融變形的外界條件[18]。

選取青藏地區(qū)既有公路路表不均勻融沉變形較大的路段約15 km，現(xiàn)場勘測發(fā)現(xiàn)該地區(qū)舊、新路共同服役，前者最早修建于1954年，雖通車后不斷采取加鋪、修補(bǔ)等管養(yǎng)措施，但仍持續(xù)融沉；后者于2017年通車運(yùn)營，雖輔以熱棒、片塊石、通風(fēng)管等路基結(jié)構(gòu)保護(hù)凍土，但仍存在部分路段產(chǎn)生不同程度的路表變形。

1.2 CPT觸探方案

為深入探究路表變形程度不同路段的下伏凍土層承載特性，并驗(yàn)證CPT技術(shù)在凍土地區(qū)的適用性，因此采取單橋、雙橋靜力觸探的方法開展試驗(yàn)，分別布置12個測點(diǎn)，試驗(yàn)時間為7月，前者試驗(yàn)路段路基結(jié)構(gòu)類型為片塊石路基和普通路基，后者試驗(yàn)路段路基結(jié)構(gòu)類型為通風(fēng)管路基和熱棒路基，由于路表沉降是個持續(xù)性的行為，因此所選測點(diǎn)避開經(jīng)加鋪處理的區(qū)域。各測點(diǎn)路表沉降最大值如圖1所示(PKS為片塊石路基，PT為普通路基，TFG為通風(fēng)管路基，RB為熱棒路基)。

圖1 各測點(diǎn)路表沉降最大值Fig.1 Maximum settlement of road surface at each measuring point

從圖1中可看出，4種路基結(jié)構(gòu)類型對應(yīng)路段路表沉降量差異不大，未呈明顯分區(qū)，即路表沉降行為受路基結(jié)構(gòu)類型影響較小，因此均存在不同程度的路表沉降。

根據(jù)軟土地基的使用經(jīng)驗(yàn)，CPT在碎石土中有一定缺陷性，鑒于此本研究在試驗(yàn)階段選擇場地時，依據(jù)既有地質(zhì)勘測資料，選擇凍土黏土地層。如何保障CPT在凍結(jié)碎石土層中的應(yīng)用，今后是一個值得探討的研究方向。根據(jù)地質(zhì)勘測資料可知，路線兩側(cè)10 m范圍內(nèi)場地基本均勻。限于靜力觸探設(shè)備在公路上方進(jìn)行直接作業(yè)難度大，本研究中觸探孔設(shè)置于公路兩側(cè)原地面，測點(diǎn)至坡腳距離不超過10 m，具體布設(shè)點(diǎn)位如圖2所示。

圖2 測點(diǎn)布設(shè)(單位：m)Fig.2 Test points layout(unit：m)

2 一般規(guī)律分析

2.1 比貫入阻力

通過現(xiàn)場單橋靜力觸探試驗(yàn)測得片塊石路基、普通路基路段活動層比貫入阻力，分別以3個測點(diǎn)為例進(jìn)行分析，Ps-d曲線如圖3所示。

圖3 活動層Ps-d曲線Fig.3 Ps-d curves of foundation

從圖3中可以看出：

(1)多年凍土區(qū)活動層比貫入阻力隨深度不斷波動，總體來看呈增加趨勢，但是存在部分陡降的情況，達(dá)到一定深度后不斷增加直至無法貫入；同時，活動層比貫入阻力隨深度分布具有分層的特點(diǎn)，包含軟弱層和持力層。

(2)活動層比貫入阻力與路表變形行為具備一定關(guān)聯(lián)性。路表沉降嚴(yán)重的測點(diǎn)，活動層比貫入阻力總體偏小且軟弱層厚度較大。如PT-H-3測點(diǎn)路表沉降較大，其比貫入阻力峰值約為27.1 MPa，貫入中止深度為6 m，而PT-L-1測點(diǎn)路表變形較小，其比貫入阻力峰值達(dá)40.46 MPa，貫入中止深度僅為3.3 m。

(3)活動層貫入中止深度由比貫入阻力峰值決定，當(dāng)貫入試驗(yàn)達(dá)到極限深度時，比貫入阻力約為37 MPa?；顒訉颖蓉炄胱枇戎导捌渖疃葏^(qū)間共同決定其承載能力的下限。也就是說，路表變形嚴(yán)重程度受活動層比貫入阻力較小值及其厚度共同影響。

2.2 錐尖阻力

通過現(xiàn)場雙橋靜力觸探試驗(yàn)測得通風(fēng)管路基、熱棒路基路段活動層錐尖阻力，分別以3個測點(diǎn)為例進(jìn)行分析，qc-d曲線如圖4所示。

圖4 活動層qc-d曲線Fig.4 qc-d curves of foundation

從圖4中可以看出：

(1)多年凍土區(qū)活動層錐尖阻力隨深度波動式增加，也存在間斷性陡降的情況，達(dá)到一定深度后不斷增加直至無法貫入。與比貫入阻力相比，錐尖阻力隨深度分布的分層特點(diǎn)更為明顯。

(2)活動層錐尖阻力與路表變形行為具備一定關(guān)聯(lián)性。路表沉降嚴(yán)重的測點(diǎn)，活動層錐尖阻力總體偏小且軟弱層厚度較大。如RB-H-3測點(diǎn)路表變形較大，其錐尖阻力峰值約為7.36 MPa，貫入中止深度為6.2 m，而TFG-L-1測點(diǎn)路表變形較小，其錐尖阻力峰值達(dá)21.81 MPa，貫入中止深度為5.7 m。

(3)活動層貫入中止深度由錐尖阻力峰值決定，當(dāng)貫入試驗(yàn)達(dá)到極限深度時，錐尖阻力約為22 MPa?；顒訉渝F尖阻力谷值及其深度區(qū)間共同決定其承載能力的下限。與比貫入阻力相同，路表變形嚴(yán)重程度受活動層錐尖阻力較小值及其厚度共同影響。

2.3 側(cè)壁摩阻力

通過現(xiàn)場雙橋靜力觸探試驗(yàn)測得通風(fēng)管路基、熱棒路基路段活動層側(cè)壁摩阻力，分別以3個測點(diǎn)為例進(jìn)行分析，fs-d曲線如圖5所示。

圖5 活動層fs-d曲線Fig.5 fs-d curves of foundation

從圖5中可以看出：

(1)多年凍土區(qū)活動層側(cè)壁摩阻力隨深度不斷波動，伴隨間斷性陡降現(xiàn)象。貫入中止時的側(cè)壁摩阻力無明顯規(guī)律，也就是說，側(cè)壁摩阻力大小與貫入中止行為呈弱相關(guān)。

(2)活動層側(cè)壁摩阻力與路表沉降情況關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)。路表沉降嚴(yán)重的測點(diǎn)，活動層側(cè)壁摩阻力未見明顯趨勢。如TFG-L-1測點(diǎn)路表變形較小，側(cè)壁摩阻力峰值約為661.7 kPa，而貫入中止深度達(dá)5.7 m；TFG-M-2測點(diǎn)路表變形較大，側(cè)壁摩阻力峰值約為331.7 kPa，而貫入中止深度僅為3.9 m。

3 基于CPT試驗(yàn)的路表沉降風(fēng)險評價

3.1 包絡(luò)面積比

由前文分析結(jié)論可知，多年凍土區(qū)路表沉降情況受路基結(jié)構(gòu)類型影響較小，與活動層比貫入阻力、錐尖阻力相關(guān)性較高，而兩者對應(yīng)的深度曲線波動復(fù)雜，通過深度和峰值、谷值難以準(zhǔn)確評價活動層承載能力。因此，需提出一個綜合評價指標(biāo)對活動層比貫入阻力和錐尖阻力進(jìn)行量化。由于活動層承載能力與比貫入阻力、錐尖阻力的谷值及深度區(qū)間密切相關(guān)，考慮結(jié)合各指標(biāo)值大小和深度范圍計(jì)算得到包絡(luò)面積，而深度對包絡(luò)面積影響較大，為此通過給定一個參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算各指標(biāo)在該標(biāo)準(zhǔn)要求下的包絡(luò)面積所占百分比，以消除深度的影響，計(jì)算如式(1)所示：

(1)

式中，R為包絡(luò)面積比；A為Ps-d曲線或qc-d曲線與y軸形成的面積；d為深度；k為參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。

為確定活動層比貫入阻力和錐尖阻力合理的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值k，基于深度曲線的峰值、谷值各擬定6組標(biāo)準(zhǔn)值，分別計(jì)算包絡(luò)面積比，并與路表變形最大值進(jìn)行回歸分析，以PKS-L-1測點(diǎn)為例，包絡(luò)面積比計(jì)算示意圖如圖6所示，回歸分析結(jié)果如圖7所示。

圖6 包絡(luò)面積比計(jì)算示意圖Fig.6 Schematic diagram of calculation of envelope area ratio

圖7 路表沉降行為與包絡(luò)面積比關(guān)聯(lián)表征Fig.7 Correlation between surface settlement behavior and envelope area ratio

由圖7可看出，活動層Ps-d曲線和qc-d曲線的包絡(luò)面積比越大，相應(yīng)路表沉降最大值均呈下降趨勢，即包絡(luò)面積比可反映活動層承載能力，包絡(luò)面積比越大，活動層承載能力越強(qiáng)，路表沉降越小。線性回歸結(jié)果表明，活動層比貫入阻力標(biāo)準(zhǔn)值為10 MPa、錐尖阻力標(biāo)準(zhǔn)值為8 MPa時，路表沉降最大值與包絡(luò)面積比相關(guān)性最高，因此建議試驗(yàn)所在地區(qū)比貫入阻力和錐尖阻力標(biāo)準(zhǔn)值分別取10 MPa和8 MPa。

3.2 風(fēng)險評價模型

由前文可知，活動層Ps-d曲線和qc-d曲線的包絡(luò)面積比可表征其承載能力，且與路表沉降最大值線性相關(guān)，故可提出包絡(luò)面積比與路表沉降最大值的經(jīng)驗(yàn)公式。由于路表沉降行為隨時間動態(tài)發(fā)展，而該經(jīng)驗(yàn)公式未涉及時間因素，因此考慮以該公式計(jì)算路表沉降最大值，表征活動層對應(yīng)區(qū)域路表發(fā)生沉降的風(fēng)險。由圖7可看出，活動層比貫入阻力和錐尖阻力標(biāo)準(zhǔn)值分別取10 MPa和8 MPa時，12處測點(diǎn)深度曲線的包絡(luò)面積比與路表沉降最大值線性回歸的決定系數(shù)均達(dá)0.9以上，具有十分良好的擬合效果。由此，建立路表沉降風(fēng)險評價模型如式(2)～(3)所示：

y=-730.5Rp+752.3，

(2)

y=-505.9Rq+494，

(3)

式中，y為路表沉降最大值；Rp為活動層Ps-d曲線包絡(luò)面積比；Rq為活動層qc-d曲線包絡(luò)面積比。

提出路表沉降風(fēng)險分級方法對凍土地區(qū)公路施工具有一定參考價值，因此參考規(guī)范《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210—2018)[19]中路基沉降和路面沉陷的分類方法，將凍土區(qū)路表沉降風(fēng)險分為輕、中、重3個等級，分別對應(yīng)路表沉降最大值為0～50，50～150，>150 mm，計(jì)算包絡(luò)面積比可得分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 路表沉降風(fēng)險等級Tab.1 Road surface subsidence risk levels

3.3 模型精度評估

為評估路表沉降風(fēng)險評價模型實(shí)際應(yīng)用的精度，由同期靜力觸探試驗(yàn)中的另外12處測點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算包絡(luò)面積比，代入式(1)～(2)計(jì)算路表沉降最大值，求得與實(shí)測路表沉降最大值間的絕對誤差見表2。

表2 路表最大沉降擬合誤差值Tab.2 Fitting error values of maximum settlement of road surface

由表2可知，活動層比貫入阻力和錐尖阻力估算的路表沉降最大值與實(shí)測值絕對誤差較小，前者6個測點(diǎn)絕對誤差均值為21.36 mm，后者6個測點(diǎn)絕對誤差均值為14.88 mm，顯然，該模型精度較高，因此可用于評價多年凍土區(qū)路表沉降風(fēng)險。

4 結(jié)論

本研究通過靜力觸探試驗(yàn)研究多年凍土區(qū)淺部地層的承載特性，結(jié)合路表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，主要得到以下結(jié)論：

(1)路表沉降行為受路基結(jié)構(gòu)類型影響較小，與活動層比貫入阻力或錐尖阻力關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，比貫入阻力、錐尖阻力越大，可貫入深度越小，承載能力越強(qiáng)，路表變形越小。

(2)當(dāng)貫入試驗(yàn)達(dá)到極限深度時，地層比貫入阻力約為37 MPa、錐尖阻力約為22 MPa，且兩者較小值及其厚度范圍共同決定地層承載能力的下限，影響路表變形范圍。

(3)提出了包絡(luò)面積比以定量評價活動層承載能力，建議試驗(yàn)所在地區(qū)的比貫入阻力和錐尖阻力標(biāo)準(zhǔn)值分別取10 MPa和8 MPa，且包絡(luò)面積比越大，活動層承載能力越強(qiáng)，路表沉降越小。

(4)通過線性回歸分析，建立包絡(luò)面積比與路表沉降最大值的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，其決定系數(shù)均在0.9以上，該公式對路表沉降最大值隨包絡(luò)面積比變化規(guī)律的表達(dá)較為直觀，并提出了較適宜于多年凍土區(qū)路表沉降風(fēng)險評價的等級及標(biāo)準(zhǔn)。