高原凍土區(qū)公路路基病害及工程對(duì)策

汪雙杰，金龍，穆柯，朱東鵬，陳冬根，董元宏

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 國(guó)家高寒高海拔地區(qū)道路工程安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710075）

一、前言

青藏公路是中國(guó)西部地區(qū)重要的物資運(yùn)輸通道，由北至南穿過(guò)氣候嚴(yán)寒、生態(tài)環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件復(fù)雜的多年凍土區(qū)，根據(jù)國(guó)家交通運(yùn)輸部的數(shù)據(jù)，多年凍土連續(xù)分布區(qū)為528.5 km，公路沿線海拔為4 000～5 231 m；年平均氣溫為–7～–2℃；年平均太陽(yáng)總輻射量超過(guò)8 000 MJ/m2，約為內(nèi)地輻射量的5倍；每年凍結(jié)期達(dá)7～8個(gè)月。在該地區(qū)修筑瀝青路面后，受路面吸熱影響，路基下多年凍土不斷退化為高含水量季節(jié)凍土，往復(fù)的凍融效應(yīng)嚴(yán)重削弱了路基的強(qiáng)度。在一定時(shí)間內(nèi)，造成諸如凍脹、翻漿、沉陷等病害，危害道路的行車(chē)安全。

對(duì)于多年凍土區(qū)道路的病害問(wèn)題，現(xiàn)有研究成果主要集中在病害產(chǎn)生機(jī)理、影響因素、凍土本構(gòu)模型等方面[1～6]，部分研究從調(diào)節(jié)路基高度、主動(dòng)制冷、被動(dòng)阻熱等角度出發(fā)提出了相應(yīng)的處治措施[7～13]。一些研究確定了多年凍土道路病害的主要影響因素[14～17]，并提出了相應(yīng)的處治措施，其成果大都已被青藏公路實(shí)體工程所采納。但對(duì)于病害的產(chǎn)生時(shí)間、多因素影響下路基平均使用壽命等問(wèn)題研究較少。多年凍土區(qū)的道路病害具有顯著的時(shí)間效應(yīng)，即在不同年平均地溫、含冰量、凍土上限退化速率等情況下，道路病害的發(fā)生、惡化具有一定的周期性，其使用年限與上述幾種因素密切相關(guān)。筆者從凍土路基病害的時(shí)間效應(yīng)出發(fā)，基于青藏公路沿線的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定年平均地溫、凍土上限退化速率、含冰量對(duì)道路使用年限的影響，并對(duì)各類(lèi)特殊路基的病害現(xiàn)狀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，評(píng)價(jià)各類(lèi)特殊路基的適用條件及處治效果。

二、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以年平均地溫、凍土上限退化速率、含冰量等作為參考依據(jù)，劃分調(diào)查路段，其中年平均地溫決定多年凍土是否融化以及其對(duì)外界氣溫變化的敏感程度，上限退化速率變化是路基穩(wěn)定性及其相關(guān)路面次生病害發(fā)生的重要誘因，路基下伏凍土含冰量的大小，往往決定著上限退化后道路病害的嚴(yán)重程度，年平均地溫及上限退化速率與穩(wěn)定性分區(qū)的關(guān)系如表1所示，不同凍土含冰量及不同使用年限路段在不同分區(qū)的占有率如表2所示。

在表2中將道路從建設(shè)完成到下次維修之間的時(shí)間定義為病害時(shí)間周期（即使用年限），將病害時(shí)間周期統(tǒng)一區(qū)劃為＜10年，15年，20年，30年，＞40年五類(lèi)，根據(jù)道路養(yǎng)護(hù)、維修時(shí)間數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各時(shí)間段內(nèi)道路的病害發(fā)生率。

三、凍土路基病害發(fā)展的影響因素分析

（一）年平均地溫

為了研究?jī)鐾恋販貙?duì)路基病害發(fā)育過(guò)程的影響，沿青藏公路G109線，選取20 km年平均地溫為–3～–0.5℃的路段，依據(jù)年度病害發(fā)展情況，將其分為穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)、不穩(wěn)定區(qū)、極不穩(wěn)定區(qū)四大類(lèi)，如圖1和圖2所示，其中最大概率使用年限指統(tǒng)計(jì)樣本中大多數(shù)路段的病害時(shí)間周期；平均使用年限反映病害發(fā)生的平均周期。

表1 年平均地溫及上限退化速率與穩(wěn)定性分區(qū)的關(guān)系

表2 不同凍土含冰量及不同使用年限路段在不同分區(qū)的占有率 %

由圖1、表1、表2可知，隨著年平均地溫的升高，最大概率路基使用年限呈不斷遞減趨勢(shì)，在年平均地溫低于–3.0℃的穩(wěn)定區(qū)，80%路段的使用年限已超過(guò)40年；當(dāng)年平均地溫提升至–3.0～–1.5℃時(shí)，同樣使用壽命的路段比率降至35%，大部分調(diào)查路段使用壽命縮短10年以上；年平均地溫繼續(xù)提升至–1.5～–0.5℃時(shí)， 65%的路基在15年內(nèi)發(fā)生病害，剩余35%路基使用壽命不超過(guò)10年；年平均地溫提升至–0.5～0℃，80%路基使用壽命不超過(guò)10年。圖2所提出的平均使用年限可由下式計(jì)算得出：

圖1 年平均地溫與最大概率使用年限關(guān)系

圖2 年平均地溫與平均使用年限關(guān)系

式（1）中，T為平均使用年限；n為時(shí)間段個(gè)數(shù)，筆者劃分為5個(gè)時(shí)間段（＜10年，15年，20年，30年，＞40年）；Ti為每個(gè)路段的時(shí)間年限；ρ為每個(gè)時(shí)間段內(nèi)路基長(zhǎng)度占總調(diào)查長(zhǎng)度的比率（可直接采用表2中不同凍土穩(wěn)定分區(qū)內(nèi)，各壽命使用年限對(duì)應(yīng)的路段占有率代替），本次總調(diào)查路段為20 km。經(jīng)計(jì)算，年平均地溫每提升0.5℃，道路平均使用壽命降低4年以上；從使用年限降低幅值上分析，年平均地溫在–1.5℃左右變化時(shí)，對(duì)路基時(shí)間尺度效應(yīng)影響最為顯著。

（二） 上限退化速率

為分析加鋪瀝青路面對(duì)凍土退化速率的影響，并確定退化速率對(duì)路基病害發(fā)育過(guò)程的影響，沿G109線選取69 km典型路段進(jìn)行調(diào)查。首先，確定年平均地溫與凍土上限退化速率的關(guān)系，如圖3所示，之后從概率角度分析上限退化對(duì)路基病害發(fā)生時(shí)間的影響。

由圖3可知，年平均地溫與凍土上限退化速率呈正相關(guān)關(guān)系，在年平均地溫低于–3℃工況下，多年凍土上限退化速率小于10 cm/a（見(jiàn)表1），之后隨著地溫的抬升，上限退化速率逐漸加速，但其退化加速趨勢(shì)呈現(xiàn)先緩后急的趨勢(shì)，在–3℃至–1.5℃區(qū)間內(nèi)，地溫每抬升0.5℃，退化速率僅提高約1.67 cm/a；在–1.5℃至0℃區(qū)間內(nèi)，地溫每抬升0.5℃，退化速率迅速加快，提升至5 cm/a；地溫與凍土上限退化速率的關(guān)系表明，–1.5℃附近是凍土高低溫轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，當(dāng)凍土年平均地溫高于該值時(shí)，上限退化速率將呈不斷加速趨勢(shì)。

（三）含冰量

圖3 年平均地溫與凍土上限退化速率的關(guān)系

在穩(wěn)定區(qū)，含土冰層路段比率僅占9%，而在極不穩(wěn)定區(qū)這一比例上升至46%，如圖4所示。高含冰量路段比率越高，道路平均使用壽命越短，尤其在高溫、高退化速率凍土區(qū)，含土冰層路基大都在路面鋪筑2～3年內(nèi)病害顯著，5～10年后便因病害嚴(yán)重而急需整治。

（四）特殊處治措施

圖4 含冰量與道路穩(wěn)定性分級(jí)關(guān)系

為防治凍土路基病害，提高路基穩(wěn)定性，在2003年青藏公路的整治改建工程中，在部分病害路段設(shè)置了特殊結(jié)構(gòu)措施，主要包括熱棒、XPS（擠塑聚苯乙烯泡沫塑料）板、片塊石、通風(fēng)管等，在部分地質(zhì)條件惡劣的路段采用兩種措施。該特殊結(jié)構(gòu)于2003年建設(shè)完成，迄今已有13年的地溫、變形、病害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為分析特殊結(jié)構(gòu)對(duì)凍土路基病害的影響，收集了這些路段的地溫、變形、病害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析如表3、表4、圖5所示。

由圖5可知，在凍土地質(zhì)條件惡劣的路段，如未采取特殊措施，約80%的路段在2～4年內(nèi)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的路基病害，且重建后路基仍不穩(wěn)定；在熱棒、片塊石、XPS板、通風(fēng)管路基等處治措施下，道路病害的有效預(yù)防率為60%～80%，且大部分病害將在路基建成后2～5年內(nèi)集中出現(xiàn)，之后病害發(fā)生率逐步穩(wěn)定，說(shuō)明特殊處治措施路段需要進(jìn)行二次整治，且整治后路基工作狀態(tài)逐漸穩(wěn)定。

1.熱棒路基病害發(fā)育過(guò)程

在所調(diào)查的10處熱棒路基樣本中，僅有1處地溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，熱棒未能起到良好的降溫效果，該種措施在青藏公路沿線降溫、阻熱有效率為90%。在熱棒正常工作路段，70%的路段病害得到有效緩解，尤其在高路基工況下，熱棒效果更為明顯，使用時(shí)間達(dá)到13年；30%的路段在2～4年內(nèi)表現(xiàn)出嚴(yán)重的縱裂、沉陷等病害，嚴(yán)重影響道路的通行能力。采用熱棒處治后的最大問(wèn)題是部分路段縱裂嚴(yán)重，這些縱裂往往貫通整個(gè)處治路段，并且均在距離熱棒2～3 m處。

表3 青藏公路沿線特殊措施路段病害時(shí)間效應(yīng)研究

表4 青藏公路特殊措施路段病害率與路基修筑時(shí)間關(guān)系 %

2.片塊石路基病害發(fā)育過(guò)程

在所調(diào)查的片塊石路基樣本中，僅有55%的片塊石路基起到了明顯的降溫效果，與熱棒相比，片塊石在降溫效果上存在不足，但在與對(duì)比斷面的分析中，80%的片塊石路基起到了緩解病害的作用；剩余的20%中，10%的片塊石路基從第4年開(kāi)始出現(xiàn)路面病害，10%的路基直到第8年才出現(xiàn)路面病害。

3. XPS保溫板路基病害發(fā)育過(guò)程

在所調(diào)查的保溫板路基樣本中，90%的保溫板路基均起到阻止路面吸收熱量向凍土路基傳遞的效果，但所有處治措施中僅60%的路段起到了預(yù)防病害發(fā)生的效果。在保溫板路基修筑初期，道路病害發(fā)生率較小，僅為3%～15%，從第4年開(kāi)始，病害發(fā)生率迅速提高，第8年達(dá)到40%左右，其中多以沉陷和坑槽為主。保溫板作為一種被動(dòng)阻熱措施，可延緩凍土融化造成道路病害的時(shí)間，但不能從根本上消除病害，如圖6所示。

4.通風(fēng)管路基病害發(fā)育過(guò)程

在所調(diào)查的通風(fēng)管路基樣本中，90%的通風(fēng)管路基可以通過(guò)通風(fēng)效應(yīng)，引入外界冷風(fēng)來(lái)降低路基溫度，尤其是對(duì)部分采用了溫控開(kāi)關(guān)的試驗(yàn)路段，通風(fēng)管風(fēng)門(mén)可在暖季關(guān)閉，冷季打開(kāi)，大大提高了降溫效能，70%的通風(fēng)管路基可有效預(yù)防道路病害。且當(dāng)通風(fēng)管與片塊石聯(lián)合使用時(shí)，可將病害處治有效率提高至80%。同時(shí)應(yīng)注意，受路面沉陷及風(fēng)沙堆積的影響，部分通風(fēng)管可能會(huì)出現(xiàn)堵塞，影響結(jié)構(gòu)的降溫效果，如圖7所示。

圖5 不同處治措施路基使用年限分析

四、新型穩(wěn)定技術(shù)的研發(fā)

（一）彌散式通風(fēng)路基

彌散式通風(fēng)管路基是利用智能控制模塊控制風(fēng)機(jī)，冷季風(fēng)機(jī)啟動(dòng)通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流，迫使冷空氣沿管道流動(dòng)；暖季風(fēng)機(jī)關(guān)閉，增大路基熱阻，避免熱量下傳，從而保護(hù)多年凍土，如圖8所示。

（二）單向?qū)岚迓坊?/h3>

單向?qū)岚迓坊且环N保溫板與小型熱棒復(fù)合的處治措施，一方面利用保溫板優(yōu)良的隔熱性能，暖季保障黑色路面吸收熱量后不被傳導(dǎo)至多年凍土層，保護(hù)凍土上限不退化；另一方面，利用熱棒的單向?qū)嵝阅埽浼緦⑼饨缋滹L(fēng)導(dǎo)入路基，降低路基溫度，維持上限不退化。單向?qū)岚逶O(shè)計(jì)方案及原理如圖9、圖10所示。

圖6 保溫板路基局部坑槽

圖7 通風(fēng)管路基總體情況

圖8 彌散式通風(fēng)管路基結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 高取向熱誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖

（三）路基路面一體化散熱結(jié)構(gòu)

通過(guò)設(shè)置梯度導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控路面內(nèi)的熱量傳輸，設(shè)計(jì)原理如圖10所示，改變上面層的熱導(dǎo)率，盡可能地阻止熱量進(jìn)入路面內(nèi)部；在中下面層設(shè)置上大下小的低導(dǎo)熱梯度結(jié)構(gòu)，抑制熱量在中下面層的傳導(dǎo)，減少結(jié)構(gòu)層內(nèi)的積熱。

五、結(jié)語(yǔ)

（1）多年凍土區(qū)道路病害與年平均地溫、凍土上限退化速率、含冰量等因素密切相關(guān)。傳統(tǒng)研究?jī)H從病害發(fā)生機(jī)理、影響因素角度出發(fā)制定病害處治措施，而缺乏長(zhǎng)期時(shí)間尺度上的綜合評(píng)價(jià)，使研究者對(duì)現(xiàn)有處治措施效果的預(yù)期普遍過(guò)于樂(lè)觀。

（2）年平均地溫從–3℃提升至–0.5℃，道路病害從出現(xiàn)至嚴(yán)重影響道路通行能力的時(shí)間周期從40年縮短至不足10年；凍土上限退化速率超過(guò)20 cm/a的路基基本在10年內(nèi)需要重新維護(hù)；在年均地溫較高、凍土上限退化速率較快的路段，高含冰量路基往往在工程結(jié)束2～3年后病害顯著，5～10年內(nèi)便急需整治或改建。

（3）熱棒、片塊石、保溫板、通風(fēng)管等路基調(diào)控措施的降溫有效率分別為：95%、55%、90%、90%，其中熱棒降溫效果最好，保溫板與通風(fēng)管次之，片塊石路基最差。但由于片塊石路基除能依靠通風(fēng)、對(duì)流調(diào)控路基溫度外，其自身強(qiáng)度較高，透水性好，能極大的增強(qiáng)路基的穩(wěn)定性，預(yù)防道路病害的能力反而高達(dá)80%，尤其是在片塊石與通風(fēng)管路基復(fù)合使用的情況下效果更佳。

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