坡腳積水對多年凍土路基橫向變形的影響分析

陳曉

多年凍土是指凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)兩年及以上的凍土，僅有表層呈現(xiàn)冷季凍結(jié)、暖季融化。由于其具有很高的溫度敏感性和隨著時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，加上全球氣候變暖和人類活動(dòng)的加劇，多年凍土地區(qū)公路修筑一直被視為世界難題。公路路基病害主要由多年凍土融沉引起，表現(xiàn)為嚴(yán)重的不均勻沉降變形和縱向裂縫，其中縱向開裂占總病害路段的60%以上。調(diào)查結(jié)果顯示：大規(guī)模的縱向裂縫多數(shù)發(fā)生在路基坡腳有積水的路段，因此研究坡腳積水對多年凍土地區(qū)路基橫向變形的影響是非常有必要的。

目前的研究主要基于數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等方法，分析多年凍土變化與路基穩(wěn)定性的定性關(guān)系，定量的預(yù)報(bào)研究較少。穆彥虎調(diào)查發(fā)現(xiàn)青藏公路路基嚴(yán)重縱向裂縫主要分布于路基陽坡邊坡或路肩靠近行車道位置；王威娜基于季節(jié)凍土地區(qū)路基溫度場的數(shù)值模擬，指出路基邊坡及陰坡頂部在凍結(jié)和融化過程中易產(chǎn)生張拉破壞；李金平通過對漠北公路的分層監(jiān)測，得出多年凍土路基橫向變形主要發(fā)生在暖季，前、后期變形分別由于季節(jié)活動(dòng)層的壓縮變形和多年凍土上限下移引起；周麗娟基于季節(jié)性凍土地區(qū)路基的溫度場控制方程，建立了季節(jié)冰凍路基模型，計(jì)算分析了路側(cè)積水對路中、路肩溫度場的影響；劉恒柏依據(jù)青藏鐵路多年凍土區(qū)排水不良路段和路基本體病害的檢測，研究了二者之間的關(guān)系，但是地面排水不暢對路基穩(wěn)定性的影響有多大并未展開研究。

本文依托青藏公路和青康公路沿線的氣候條件、凍土特征和路基路面情況，數(shù)值計(jì)算不同積水深度在流固耦合作用下路基路面的橫向變形，分析積水深度對道路縱向裂縫的影響，為多年凍土地區(qū)公路的排水設(shè)計(jì)和水毀防治提供參考。

一、 工程概況

具有“世界屋脊”之稱的青藏高原，約占我國國土面積的1/4，高寒缺氧、生態(tài)脆弱和多年凍土是高海拔地區(qū)公路建設(shè)面臨的三大難題。青康公路是我國在高寒高海拔地區(qū)瀝青路面的首次嘗試，青藏公路是穿越連續(xù)多年凍土范圍最廣（約550km）的公路，本文以這兩條路作為重點(diǎn)分析對象。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查可知，青藏高原年平均氣溫0℃以下，極端低溫可達(dá)到-48℃；降水量小，格爾木年降雨量僅30mm，蒸發(fā)量卻在1000mm以上；風(fēng)大且頻繁，最大風(fēng)速達(dá)33m/s；氣候多變，四季不分明。這些特點(diǎn)造成熱拌瀝青混合料施工過程中的溫度損失快，瀝青混凝土碾壓成型困難；水泥穩(wěn)定類材料水分蒸發(fā)極易造成材料表面形成干縮裂縫，保溫保濕養(yǎng)生難度很大；瀝青路面老化現(xiàn)象嚴(yán)重等不良影響。

多年凍土主要分布于海拔超過4500m以上地區(qū)，其厚度具有明顯的垂直地帶性。青藏公路多年凍土從西大灘盆地到安多，青康公路沿線多年凍土以山嶺為中心，向河谷方向依次為連續(xù)凍土、不連續(xù)凍土、島狀凍土和季節(jié)凍土。多年凍土上限的下移是導(dǎo)致路基熱融沉陷和縱向裂縫的主要原因。隨著近年來全球氣候變暖和人類工程活動(dòng)的加劇，多年凍土處于不斷退化過程中。多年凍土上限的下移是導(dǎo)致路基熱融沉陷和縱向裂縫的主要原因，高溫高含冰凍土對溫度變化的敏感度更高。

青藏高原生態(tài)環(huán)境極其脆弱且對工程活動(dòng)和氣候變化影響反應(yīng)敏感，一旦破壞極難恢復(fù)。清除表層土、就近取土路基填筑以及路塹修筑開挖邊坡等會(huì)打破多年凍土的生存環(huán)境，青藏公路沿線特別是高溫高含冰凍土路段，出現(xiàn)大量的熱融湖塘。湖塘強(qiáng)烈的側(cè)向水熱侵蝕可能導(dǎo)致路基一側(cè)季節(jié)融化深度增加，進(jìn)而引起路基的不均勻沉降變形，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致路基一側(cè)出現(xiàn)熱融滑塌等病害。

二、青藏高原典型路段縱向裂縫

1. 縱向裂縫發(fā)育特征

脆弱的多年凍土生長環(huán)境致使高原上沉陷、波浪變形、縱向裂縫等路基病害廣泛發(fā)育，青藏公路又被稱為“公路病害的博物館”，且各種病害的發(fā)展速度和嚴(yán)重程度較平原區(qū)有過之無不及。目前縱向裂縫占青藏公路路基病害的60%以上，大規(guī)模的縱向裂縫嚴(yán)重影響車輛的通行，已然形成道路災(zāi)害。

多年凍土地區(qū)縱向裂縫發(fā)育具有如下特點(diǎn)：裂縫形狀不規(guī)則，寬度可達(dá)10～30cm，深度最大超過2.5m，單條縱向裂縫長度最大達(dá)上百米，斷續(xù)可延伸500～600m；路基一側(cè)或者兩側(cè)有積水的地方，邊坡和路肩靠近行車道位置被大規(guī)模拉裂且伴隨著路面沉陷。

2. 坡腳積水的來源

多年凍土地區(qū)由于路基路面 “寬幅效應(yīng)”的存在，高等級公路建設(shè)除了人口密集地區(qū)均采用分離式路基。路基本體之間便形成天然的匯水區(qū)域，路側(cè)積水面積和深度均比較大，且積水難以排除。此外，由于全球氣候變暖和人類工程活動(dòng)的加劇，多年凍土一直處于不斷退化的過程中，特別是高溫高含冰凍土路段，融化的多年凍土從地表的薄弱面流出形成積水。

3. 縱向裂縫成因分析

多年凍土路段路基坡腳積水通過滲透進(jìn)入路基土中。一方面，浸泡作用降低了路基承載能力；另一方面，水分遷移至路基本體作為熱源融化多年凍土，在車輛荷載的作用下，路基本體局部下沉，縱向裂縫伴隨產(chǎn)生。如果多年凍土融化的冰水不能通過季節(jié)活動(dòng)層順利排出，縱向裂縫的發(fā)育將會(huì)更加迅速。由此可見，路側(cè)積水是導(dǎo)致縱向裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的一個(gè)重要原因。從這個(gè)角度講，合理地設(shè)置排水系統(tǒng)對保持多年凍土地區(qū)路基的穩(wěn)定非常重要。

三、 測試路段模擬

由美國ITASCA公司開發(fā)的FLAC3D軟件能夠?qū)崿F(xiàn)路基路面三維結(jié)構(gòu)的塑性變形計(jì)算，能夠在短期內(nèi)預(yù)測各種工程環(huán)境下道路的破壞發(fā)展規(guī)律。本文運(yùn)用此軟件模擬路基路面在相同的溫度條件下，不同的積水深度對道路的橫向變形影響。

1.數(shù)值模擬方案

（1）路基路面模型

根據(jù)青藏公路和青康公路已有路面結(jié)構(gòu)，結(jié)合地區(qū)重載交通情況，本文采用9cm瀝青混凝土面層+18cm水泥穩(wěn)定碎石基層+18cm水泥穩(wěn)定砂礫底基層+20cm級配砂礫墊層。

結(jié)合青藏地區(qū)路基路面典型結(jié)構(gòu)形式建立路基路面整體模型，從上至下建立的路基路面整體模型依次為：2m砂礫土填筑路基，3m的含礫亞粘土為季節(jié)活動(dòng)層，17m的強(qiáng)風(fēng)化泥巖為多年凍土層。本文僅研究路側(cè)積水對路基路面橫向變形的影響，故采用靠近積水的一半進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算寬度邊界取距離路基本體25m處。路基路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 路基路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型圖（單位為m）

（2）加載和邊界條件

青藏高原上雨熱同期，根據(jù)實(shí)地調(diào)研情況，9月份路基處于飽水狀態(tài)，沉陷、裂縫等病害發(fā)育最為頻繁。本文主要是分析路側(cè)積水對路基橫向變形的影響，設(shè)置多年凍土上限和下限溫度分別為0℃和-2.0℃，模型的最右側(cè)視為絕熱邊界。并將多年凍土層和瀝青混凝土面層設(shè)置為不透水層。將路側(cè)積水深度分別設(shè)置為0cm、10cm、30cm和50cm，水壓力沿著深度方向呈現(xiàn)線性分布，進(jìn)行路基路面的流固耦合計(jì)算。

由于本模擬僅關(guān)注路基的橫向變形，為了簡化計(jì)算，在模型的y、z方向上施加約束，只允許在x方向上發(fā)生位移。

（3）本構(gòu)模型

根據(jù)各結(jié)構(gòu)層的材料設(shè)置，確定路基路面的本構(gòu)模型為：地基、路基填土、墊層為摩爾─庫侖模型；其余路面結(jié)構(gòu)層為各向同性彈性模型。

2.模擬結(jié)果分析

圖2 不同積水深度路基橫向位移云圖

由圖2不同積水深度路基橫向位移云圖可知：

（1）無水狀態(tài)路基橫向位移小于0.15mm，可以忽略不計(jì)，路側(cè)有積水時(shí)橫向變形發(fā)生明顯，且隨著積水深度的增加而增大。10cm、30cm和50cm積水深度路基橫向位移最大分別約為2.5cm、4.6cm和6.7cm，橫向變形最大均發(fā)生在坡腳位置附近。路基橫向位移近似以坡腳位置為中心，向外逐漸減小，說明該區(qū)橫向變形的發(fā)生主要由路基邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致。

（2）隨著積水深度的增加，路基下部和季節(jié)活動(dòng)層橫向變形增大，而路表和路基頂部位移很小，且不隨著水深變化產(chǎn)生大的改變。這說明水分遷移主要存在于季節(jié)性凍土層和下部分路基填土中，縱向裂縫的發(fā)生發(fā)展是一個(gè)自下而上的過程。

（3）橫向變形隨著距道路中心線距離的增加而增大，這與現(xiàn)場觀測到的現(xiàn)象：縱向裂縫在水積路面?zhèn)榷瞬繌V泛發(fā)育且裂縫寬度大相吻合。同時(shí)說明了路基路面在水-力耦合作用下，路基邊坡和路面邊緣附近容易被拉裂。

圖3 不同積水深度的橫向變形

由圖3相同觀測位置不同積水深度情況下的橫向變形量可知：

（1）路表（22.65m）和路基頂部（22m）在重力和水壓力的綜合作用下向道路中心產(chǎn)生壓縮變形，路表和路基頂部橫向變形最大分別為2.119mm和3.371mm。

（2）季節(jié)凍土頂部（20m）的橫向變形均隨著坡腳積水深度的增加而明顯增大，10cm、30cm和50cm水深作用下該層的橫向變形最大值分別為2.2705cm、4.1555 cm、6.4284 cm，最大位移發(fā)生在距離坡腳約0.5m處。

（3）季節(jié)凍土層頂部10cm、30cm和50cm水深的橫向變形曲線差異顯著， 50cm水深相較于10cm流固耦合的橫向變形約增加2-3倍。結(jié)合橫向位移云圖可證明積水是縱向裂縫發(fā)育的一個(gè)重要原因。

四、結(jié)語

1.結(jié)合青藏公路和青康公路沿線的氣候條件、多年凍土分布特征和生態(tài)環(huán)境，分析高海拔地區(qū)公路建設(shè)的制約因素。

2.通過調(diào)查青藏公路和青康公路沿線縱向裂縫，總結(jié)縱向裂縫的發(fā)育特點(diǎn)，并初步指出路側(cè)積水是其發(fā)育的一個(gè)重要因素。

3.運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，計(jì)算得出路基的橫向變形主要發(fā)生在季節(jié)性凍土層和路基下部填土內(nèi)，坡腳積水的深度對于路基橫向變形影響顯著。