高原多年凍土區(qū)域的公路路基變形問題及控制

木沙·如孜

(新疆交通建設(shè)管理局項目執(zhí)行二處，新疆 烏魯木齊 830000)

1 凍土的定義與特點

凍土指的是含有水分的較為松散的巖石與土體，當氣溫低于0 ℃時，路面的土體當中開始形成冰。冰的出現(xiàn)是路面土體出現(xiàn)凍結(jié)的關(guān)鍵標志，簡單來講含有冰的土是“凍土”，不含冰的土是“寒土”。由此，可以說凍土就是內(nèi)部含有冰的巖土，在0 ℃以下環(huán)境中，其有著常見巖石的特性，自身的強度不亞于混凝土。未出現(xiàn)凍水的數(shù)量情況和巖土的礦物質(zhì)數(shù)量、成分，以及凍土的溫度相關(guān)。同時存在水與冰情況，讓多年凍土有著獨特的性質(zhì)。

路面土體出現(xiàn)凍結(jié)的標志就是土體內(nèi)部的水凍結(jié)為冰的整個過程。土體內(nèi)部孔隙當中水凍結(jié)時存在著的物理反應(yīng)過程與化學反映過程。比如，土體中的水出現(xiàn)遷移，礦物質(zhì)之間的水膠轉(zhuǎn)變成冰膠，水凍結(jié)體積出現(xiàn)膨脹等等。空氣、水、冰以及礦物質(zhì)是凍土組成的基礎(chǔ)成分，詳細的說凍土的形成是由土體中的礦物質(zhì)顆粒、空氣以及水蒸氣、土體中的冰夾層以及膠結(jié)冰、土體中的強結(jié)合水以及弱結(jié)合水四部分組成體系。這四項基礎(chǔ)成分決定著土體的物理化學性質(zhì)、內(nèi)在結(jié)構(gòu)以及力學特質(zhì)等。

2 公路路基的實地考察

2.1 路面情況調(diào)查

在進行多年凍土區(qū)域公路的實地考察當中，發(fā)現(xiàn)一段公路路面的變形及損壞程度非常明顯，這和公路路面自身的熱平衡有著一定關(guān)系。通過對比，可看出公路路基的表面出現(xiàn)有突起和沉陷的情況現(xiàn)象，公路路基的柔性面損傷程度要比剛性面更加嚴重，這說明凍土區(qū)域的凍融情況極大程度對柔性路面產(chǎn)生了影響。

2.2 鉆芯取樣

在實地現(xiàn)場，總共鉆取24個芯樣，在剛性公路路面上鉆取了四個。通過探究發(fā)現(xiàn)，大多公路的剛性路基并沒有形成了板體性，最大的原因是因為凍土區(qū)域的氣候條件導(dǎo)致公路的剛性基層出現(xiàn)了比較大的干縮情況或者溫縮情況。

2.3 彎沉情況

采用貝克曼梁方法來檢測凍土區(qū)域公路的彎沉狀況，然后運用國家規(guī)定標準汽車對公路路面展開測試。通過測試發(fā)現(xiàn)，公路路面中段彎沉問題要比兩側(cè)更加嚴重，與此同時，公路路面陽坡出現(xiàn)彎沉的深度要比陰坡更深。這說明公路路面出現(xiàn)彎沉主要因為車輛的荷載。

3 公路路基變形情況研究

3.1 凍土融沉的性質(zhì)與特點

在公路路基的自重壓密影響和作用之下，凍土區(qū)域的公路路基段出現(xiàn)向外排水的情況，并且出現(xiàn)固結(jié)和下沉問題，此過程其實就是凍土自身的融沉性質(zhì)。凍土融沉性質(zhì)是致使凍土區(qū)域多年公路路基變形的關(guān)鍵因素，同時也是凍土區(qū)域公路建設(shè)工程當中十分顯著的特點。依據(jù)多年來對凍土區(qū)域的公路路面調(diào)查得知，不論何樣的路面土質(zhì)，在其自由排水較為充足狀況之下，凍土的融沉指數(shù)與其含水量之間呈現(xiàn)正比關(guān)系；假如含水情況一樣時，粗粒土的融沉性最小，而粉質(zhì)黏土的融沉性最強。在增加公路路面的荷載以及壓密的作用下，溶解之后凍土面積因為內(nèi)部空隙間的水向外排出，從而出現(xiàn)了壓縮，在水殆盡前，凍土中夾層土體出現(xiàn)下沉的速度非常緩慢，且凍土公路路基的整體下沉速度也將非常緩慢。

3.2 凍土季節(jié)性的融化層凍脹特性

多年凍土區(qū)域在季節(jié)更迭當中將出現(xiàn)凍結(jié)膨脹的情況，此情況就是凍土土體自身的凍脹特性。此情況主要來自凍土土體當中的含水情況、土體的顆粒成分以及礦物成分、土體的凍結(jié)條件等。凍土土體的凍脹特性和其水量上升的情況之間呈現(xiàn)正比關(guān)系，和溫度情況之間呈現(xiàn)反比，凍土的溫度越低，其凍脹性就更高。因為凍土土體結(jié)構(gòu)的疏密程度不同，所以其自身的凍脹程度就不一樣，凍土土體之間層的凍脹特性最明顯也最強，反之下層凍脹特性最弱。土體2/3以上的凍結(jié)程度稱之為強凍脹地帶。凍土土體自身的凍脹特性與自身的密度有著不可分割的關(guān)系，土體的密度越高，自身的凍結(jié)程度就隨之上升，但當土體自身的密度到達了1.68～1.8 g/cm的時候，土體的密度越高，凍脹程度反而下降。土體自身的凍脹特性和增加的荷載之間呈現(xiàn)反比情況，其隨著增加的荷載而降低。

3.3 公路路基的凍融過程

因為受之凍脹性、間隙中水份遷移以及路面融沉等多項原因影響，凍土區(qū)域的凍融時長會因此出現(xiàn)改變，此物理力學不斷影響和作用到凍土公路路面之上，致使公路路基自身的性能逐漸降低。多年凍土的公路依據(jù)變化可以劃分成四個時期，其一穩(wěn)定的凍結(jié)時期、其二穩(wěn)定的融化時期、其三不穩(wěn)定的凍結(jié)時期、其四不穩(wěn)定的融化時期。

公路路基就造型來分析其是線形的建筑物，因此依據(jù)平面的非穩(wěn)態(tài)相變溫度場的相關(guān)方程式來展開分析，研究結(jié)果表明，其溫度場的出現(xiàn)伴隨著時間的改變而出現(xiàn)改變，并且是因為水量在各個層次的公路路基土體當中分布不平衡而導(dǎo)致的。新疆帕米爾地區(qū)公路建設(shè)施工多年之后的每月凍融分布圖。能夠看出，凍土公路路基的溫度場分布并不均勻。

4 多年凍土區(qū)域公路路基變形的控制策略

(1)環(huán)境氣溫的變化致使公路路基內(nèi)部的溫度場出現(xiàn)改變，這是導(dǎo)致公路路基出現(xiàn)損害和變形的重要前提，因為公路線路走向影響，以及太陽輻射影響，公路路基有著陽坡和陰坡的不同，所以公路路基自身內(nèi)部溫度的不均衡是導(dǎo)致公路路基溫度場不對稱的重要原因，且其不對稱問題導(dǎo)致多年凍土區(qū)域公路人為上限也呈現(xiàn)不對稱，最終使得公路路基出現(xiàn)損害和變形。

(2)從公路路基的溫度梯度當中能夠看到溫度梯度中通常在坡腳出現(xiàn)最大值，此表明坡腳對于溫度改變更加敏感，凍土區(qū)域公路路基在融化階段與凍結(jié)接單，路基的溫度場朝著Y方向出現(xiàn)改變，且由于深度不的逐漸加深，其溫度改變對公路路基的影響會隨之下降。

(3)經(jīng)過上述分析能夠得出，不管是土體凍結(jié)的過程還是土體融化的過程，公路坡腳的溫度梯度數(shù)據(jù)較大，所以融化的深度也較大，公路坡腳的應(yīng)力致使路基出現(xiàn)縱向的裂縫。不管是在熔化階段或是凍結(jié)階段，公路路基內(nèi)部的應(yīng)力和坡腳的應(yīng)力數(shù)值差距比較大，應(yīng)力之間的差距導(dǎo)致土體出現(xiàn)剪切力，最后致使坡腳出現(xiàn)裂縫。公路路基的縱向應(yīng)力差異是導(dǎo)致公路路基裂開的關(guān)鍵原因。

(4)公路路基的損害變形發(fā)展規(guī)律和公路路基的溫度場緊密相關(guān)，應(yīng)該根據(jù)各個地段的公路路基分析其自身的溫度場改變規(guī)律，進而運用有效的策略來把控公路路基的變形，起到提升路基穩(wěn)定性的作用。

5 結(jié) 語

土體的物理特性、化學特性，以及調(diào)查地區(qū)地下水分布狀況、地區(qū)氣候等等都是影響土體出現(xiàn)凍脹的關(guān)鍵因素，要想有效控制凍土危害就要做到理論分析與實際調(diào)查相聯(lián)系，找到土體結(jié)構(gòu)對于土體凍脹帶來影響的規(guī)律，然后進行總結(jié)，此對于未來進行多年凍土區(qū)域公路路基設(shè)計；對當前凍土區(qū)域公路養(yǎng)護、檢查；對凍土區(qū)域公路路基防凍策略以及設(shè)計理論等有著重要的指導(dǎo)意義和價值。