公路路基縱向裂縫發(fā)育規(guī)律及治理措施研究

0 引言

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，公路路基的穩(wěn)定性在保障交通安全方面起著越來(lái)越重要重要的作用[1]。然而，由于多種復(fù)雜的內(nèi)外因素影響，公路路基縱向裂縫的問(wèn)題日益凸顯，成為公路工程中的普遍且棘手的問(wèn)題[2]。

在公路工程領(lǐng)域，路基縱向裂縫的問(wèn)題一直是研究熱點(diǎn)。郭軍[3]利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)高寒地區(qū)路基縱向裂縫的危險(xiǎn)度進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，以某公路典型路段為例，基于自然環(huán)境因素、設(shè)計(jì)因素、凍土因素等致災(zāi)因子指標(biāo)，建立評(píng)價(jià)模型，并對(duì)該路段縱向裂縫的危險(xiǎn)度進(jìn)行評(píng)級(jí)。付偉等[4對(duì)某高速公路路基在通車(chē)后不久出現(xiàn)的縱向裂縫進(jìn)行病因分析。張良翰等[5通過(guò)工程地質(zhì)補(bǔ)充勘察、路基變形監(jiān)測(cè)、裂縫擴(kuò)展監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)路基裂縫主要由下臥高壓縮性軟土層、路基填料性質(zhì)較差、填筑質(zhì)量欠佳造成，并提出了相應(yīng)的治理措施。

上述研究表明，路基縱向裂縫的成因復(fù)雜，常規(guī)的養(yǎng)護(hù)方法治標(biāo)不治本，因此需要更深入的研究來(lái)找到有效的解決方案。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有公路路基裂縫案例的收集和分析，總結(jié)裂縫發(fā)育的一般規(guī)律和特點(diǎn)。文中探討了不同環(huán)境條件下因素對(duì)路基裂縫發(fā)育的影響，旨在通過(guò)對(duì)公路路基縱向裂縫問(wèn)題的系統(tǒng)研究，有效控制和預(yù)防路基裂縫的產(chǎn)生。

1公路路基病害概況

根據(jù)某公路10年內(nèi)裂縫類(lèi)型統(tǒng)計(jì)情況，2013一2022年間，該公路路基病害的總數(shù)呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢(shì)，但幅度有所減小。其中，縱向裂縫的增長(zhǎng)最為明顯，從2013年的14個(gè)增加到2022年的36個(gè)，占主要病害總和的 72% 。這說(shuō)明某公路路基在這一時(shí)期受到了溫度、水分、荷載等因素的嚴(yán)重影響，導(dǎo)致路基結(jié)構(gòu)的破壞和變形，尤其是縱向裂縫的形成和發(fā)展。某公路10年內(nèi)裂縫類(lèi)型統(tǒng)計(jì)情況如圖1所示。

2試驗(yàn)路段概況

該試驗(yàn)路段位于一片緩坡地形中，周?chē)貏?shì)起伏較大，但局部存在季節(jié)性積水。該地區(qū)降雨主要集中在夏季，年均降雨量約為 650mm 。土質(zhì)以黏土和細(xì)砂為主，局部地區(qū)有礫石層出露。氣溫變化符合季節(jié)性波動(dòng)，夏季平均氣溫約為 10^°C ，冬季則降至 -15^°C 左右。坡度方面，整體坡度較緩，平均坡度不超過(guò) 5^° ，有利于水分的排泄和地表水的流動(dòng)。該試驗(yàn)路段的水文地質(zhì)條件具有一定的復(fù)雜性，尤其是在降雨集中的季節(jié)，路基裂縫的發(fā)育受到多種因素的影響，包括土質(zhì)的飽和度、地表水的流動(dòng)以及氣溫的變化等。

3路基內(nèi)部溫度和水分監(jiān)測(cè)方案

在道路工程中，為了全面監(jiān)測(cè)路基內(nèi)部的溫度和水分狀況，裂縫傳感器的布置采用精細(xì)化策略。傳感器沿路基的縱向和橫向分布，形成一個(gè)覆蓋整個(gè)路基的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

在垂直方向上，傳感器以0.5m的間距沿路基深度均勻布置，從路面下方0.5m開(kāi)始，直至4.5m的路基填土底部。在水平方向上，傳感器以1m的間距沿路基寬度均勻布置，覆蓋路基頂面寬度的一半，即5m范圍。共布置溫度傳感器75只和水分傳感器75只，分布在9個(gè)不同的層級(jí)，以確保能夠捕捉到各個(gè)深度的溫度和水分變化。

溫度傳感器的測(cè)量范圍為 -50～50^°C ，測(cè)溫精度達(dá)到 0.01^°C 。水分傳感器設(shè)計(jì)為三叉形平面探頭，長(zhǎng)度為5cm，采用能量脈沖原理進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試。經(jīng)典截面?zhèn)鞲衅鞑贾萌鐖D1所示。

4監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

路基內(nèi)部溫度場(chǎng)分布特征受季節(jié)變化及氣候條件的影響顯著，其時(shí)空分布受氣候條件、水文地質(zhì)及材料特性的綜合影響。因此開(kāi)展長(zhǎng)期原位監(jiān)測(cè)是揭示路基濕度-溫度耦合作用機(jī)制的關(guān)鍵基礎(chǔ)，可為深入研究溫濕場(chǎng)交互作用對(duì)路基縱向裂縫的誘發(fā)機(jī)理提供數(shù)據(jù)支撐。

4.1路基土體溫度變化趨勢(shì)分析

路基土體溫度隨深度變化如圖3所示。從圖3可以看出，路基土體溫度場(chǎng)在3m深度處呈現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在3m深度以上，土體溫度表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性波動(dòng)，其變化規(guī)律與大氣溫度變化趨勢(shì)高度一致，表明該層土體主要受地表熱交換作用的動(dòng)態(tài)影響。而在3m深度以下，土體溫度的季節(jié)性變化幅度顯著減小，趨于穩(wěn)定，其熱力學(xué)特性主要受控于地下水溫的長(zhǎng)期調(diào)控作用。

從圖3還能看出，在5月期間，當(dāng)大氣溫度在 0^°C 以上時(shí)，路基內(nèi)部的溫度隨著深度的增加而逐漸降低，這表明路基內(nèi)部的溫度相對(duì)于大氣溫度變化，具有一定的滯后效應(yīng)。

分析認(rèn)為，路中的溫度梯度變化超過(guò)路肩，是因?yàn)槁访孑椛錈崃肯蛳聜鬟f，導(dǎo)致路中的溫度上升速度更快，而路肩由于風(fēng)力作用加速邊坡蒸發(fā)，降溫速度更快。此時(shí)，在路肩和路中3m深的土層中，土體已經(jīng)融化，其中路中的最高溫度可達(dá) 14^°C ，路肩的最高溫度約為 7^°C 。

綜上分析可知，在5月份路基土體已經(jīng)開(kāi)始凍融循環(huán)過(guò)程，且路中的凍融活動(dòng)比路肩更為強(qiáng)烈。到了9月份，路基土體的凍融過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，且路基土體的溫度分布趨于穩(wěn)定。

4.2含水率變化趨勢(shì)分析

4.2.1不同月份路基含水率變化趨勢(shì)

不同深度、不同月份下路基含水率變化曲線(xiàn)如圖4所示。圖4可以看出，2020年5月和2022年9月兩個(gè)時(shí)期內(nèi)，路肩和路中的含水率隨深度變化的情況?？傮w看，無(wú)論是路肩還是路中，路基含水率均隨深度增加而增加，且9月份的含水率顯著高于5月份。

5月份期間，當(dāng)大氣溫度高于 0^°C 時(shí)，路基土體深度不足1m處的土體開(kāi)始融化，含水率較低。而在深度介于1～4m 之間時(shí)，土體仍保持凍結(jié)狀態(tài)，含水率較高。然而隨著深度的變化，土體含水率出現(xiàn)波動(dòng)，這可能是由于土體的不均勻性或凍融循環(huán)的影響所致。

到了9月份，氣溫更高，路基土體處于融化狀態(tài)，含水率顯著增加。隨著深度的增加，含水率呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，表明該深度處的土體已經(jīng)完全融化，并受到地下水位的影響。地下水位上升或向上遷移，導(dǎo)致含水率達(dá)到最大值。

4.2.2不同深度路基含水率變化趨勢(shì)分析

從圖4a可以觀察到不同深度下路肩的含水率變化情況。在路基深度3m以?xún)?nèi)，9月的含水率明顯高于5月的含水率。這一現(xiàn)象可能是由于路肩下的土壤受氣溫影響較大，凍土融化速度較快，從而導(dǎo)致路肩含水率較高。

圖4b展示了不同深度下路中的含水率變化。當(dāng)深度大于3m時(shí)，9月份路中的含水率明顯高于5月份，這可能是由于溫度梯度使路肩的水分向路中遷移，從而導(dǎo)致路中含水率達(dá)到最大值。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在5月份，路基土壤開(kāi)始融化，路肩下的土壤受氣溫影響較大，因此路肩的含水率高于路中的含水率。

從圖4b還可以看出，路中的水分含量在0.5＼～2.5m的深度范圍內(nèi)較低，而在2.5m以下的深度范圍內(nèi)較高。這可能是由于大氣降雨或路側(cè)積水入滲路中帶來(lái)的水分，造成路中的水分分布不均勻。路中的水分含量在0.5＼～3.5m的深度范圍內(nèi)較高，而在3.5m以下的深度范圍內(nèi)較低，這可能是由于路面的太陽(yáng)輻射能量向下傳遞，使路中的水分蒸發(fā)，造成路中的水分分布不均勻。

在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)中，路中的水分含量總體高于路肩的水分含量，說(shuō)明路中的水分場(chǎng)變化特性與路肩的水分場(chǎng)變化特性有明顯的差異，可能會(huì)影響路基的穩(wěn)定性和耐久性。

5處置措施

縱向裂縫作為公路工程的典型病害，其形成機(jī)理與防治技術(shù)對(duì)保障道路結(jié)構(gòu)完整性及服役壽命具有重要工程意義。基于現(xiàn)有研究成果和工程實(shí)踐，為預(yù)防裂縫的產(chǎn)生，建議在路基設(shè)計(jì)階段充分考慮凍土地區(qū)的特殊地質(zhì)和氣候條件。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇適宜的路基材料，優(yōu)化路基結(jié)構(gòu)，以減少因溫度變化引起的熱應(yīng)力。但對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的路基，可以采用如下措施進(jìn)行治理：

5.1 排水措施

構(gòu)建橫向盲溝與縱向排水層相結(jié)合的立體排水網(wǎng)絡(luò)，降低地下水位，加速滲透水排出。同時(shí)，采用滲透系數(shù)大于 5×10^-3cm/s 的級(jí)配碎石作為排水層材料，并確?？v坡坡度不小于 2% ，從而保障排水系統(tǒng)的高效水力傳導(dǎo)效率。

5.2 隔熱措施

為有效緩解季節(jié)性?xún)鋈谧饔脤?duì)路基結(jié)構(gòu)的損害，可在路基結(jié)構(gòu)中增設(shè)隔熱層以調(diào)控其溫度場(chǎng)分布。研究表明，采用導(dǎo)熱系數(shù)低于 0.03w/（m?K） 的擠塑聚苯乙烯（XPS）保溫板作為隔熱材料，鋪設(shè)于路基頂面以下 0.8～1.2m 深度處，可顯著減小外界氣溫波動(dòng)對(duì)路基的熱擾動(dòng)。

5.3 加固措施

對(duì)裂縫進(jìn)行填補(bǔ)和封閉，使用合成材料對(duì)路基進(jìn)行加固，有助于提高其穩(wěn)定性。使用熱棒、片塊石、保溫板、通風(fēng)管加片塊石等材料，對(duì)預(yù)防凍土地區(qū)路基縱向裂縫的發(fā)育效果較好。這些技術(shù)能夠有效控制路基溫度，減少凍融循環(huán)的影響，從而降低裂縫發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)。

6結(jié)論

本文基于實(shí)地調(diào)查某公路的多年縱向裂縫變形的變化特點(diǎn)，對(duì)路基不同位置的溫度和含水率進(jìn)行檢測(cè)，深入探究裂縫發(fā)展與溫度和含水率的關(guān)系。研究結(jié)論如下：1）路面的太陽(yáng)輻射能量向下傳遞，使路中的溫度高于路肩的溫度；同時(shí)，風(fēng)速的增加會(huì)加速路肩的蒸發(fā)散熱，使路肩的溫度低于路中的溫度。2）路肩的排水性能較好，水分不易積聚在路基內(nèi)部，且受季節(jié)和氣候的影響較小。路中的排水性能較差，水分容易積聚在路基內(nèi)部，且受季節(jié)和氣候的影響較大。3）當(dāng)深度超過(guò)3m時(shí)，路中的含水率超過(guò)路肩的含水率。這些變化對(duì)水分運(yùn)移參數(shù)產(chǎn)生影響，使路基土體在不同土層內(nèi)發(fā)生不均勻遷移，促使裂縫的產(chǎn)生。

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