島狀凍土路基豎向位移周期性熱響應試驗研究

常繼峰 賈 貞

（1.哈爾濱學院 工學院,哈爾濱 150086；2.黑龍江省地下工程技術重點實驗室（哈爾濱學院）,哈爾濱 150086）

在高緯高寒島狀凍土區(qū),隨著極端氣候及人類生產(chǎn)活動對公路地溫環(huán)境不斷產(chǎn)生熱擾動,路基下部多年凍土的退化程度逐漸加大,路基結(jié)構極易發(fā)生熱融沉、凍脹開裂等較為嚴重的路基病害,從而直接威脅公路的運營安全[1].為了準確掌握島狀凍土路基的熱變形規(guī)律,有效減少路基病害,提高公路使用性能,應首先對路基土體豎向位移的主要影響因素進行分析和優(yōu)化,為此工程師們做了大量工作,既往的研究成果主要集中于以下兩個方面：

1)目前針對多年凍土區(qū)公路工程的研究主要集中于西部高海拔地區(qū),該地區(qū)由于凍土體量大且較為連續(xù),加之地表散熱性較好,因此路基的差異性熱變形相對較小[2]；我國北方高緯度地區(qū)則明顯不同,由于地表以黏性土為主,吸水性強,散熱差,路基下部多為高溫凍土,對熱交換較為敏感,凍土上限退化程度較高,退融速率較快,同時,由于凍土體量差異較大,且分布不連續(xù),因此導致不同路基斷面的熱穩(wěn)定差異較大.

2)既往研究多偏向于通過路面的豎向位移情況反映路基的整體熱穩(wěn)定性,針對凍土路基內(nèi)不同土層的差異性熱穩(wěn)定特征研究相對較少,且相關研究也大多采用數(shù)值計算、仿真模擬等方法進行理論分析[3].由于理論分析假設條件較多,且存在著一定的主觀性,導致計算結(jié)果與實際值存在較大偏差,因此,為了能夠準確反映島狀凍土路基熱穩(wěn)定狀態(tài)的規(guī)律性特征及主要影響因素的作用效果,還應按照氣溫及地溫的變化規(guī)律,對路基內(nèi)不同土層關鍵節(jié)點處的豎向熱位移進行周期性試驗觀測.

本文以高緯高寒地區(qū)前嫩公路島狀凍土路段為研究載體,選取代表性路基斷面進行試驗觀測,通過對各試驗斷面不同土層豎向位移的數(shù)據(jù)采集及對比分析,揭示了高緯度地區(qū)島狀多年凍土路基豎向熱位移的年周期性規(guī)律特征,以及主要影響因素的作用效果,為該地區(qū)公路工程建設與決策提供科學依據(jù).

1 試驗設計

1.1 試驗斷面

前嫩公路全長163.417 km,路線范圍內(nèi)以高含冰量的富冰及飽冰多年凍土路段為主,凍土埋深0.47～25.12 m,土層厚度3.25～21.71 m,凍土溫度-0.1℃～-1.7℃[4],綜合考慮凍土融沉性質(zhì)、地基處理方式及凍土上限處土體特征等路基熱穩(wěn)定性影響因素,在試驗路段共選取8個代表性路基斷面作為試驗斷面,各試驗斷面的基本情況見表1,地質(zhì)狀況如圖1所示.

表1 各試驗斷面基本情況

圖1 各試驗斷面地質(zhì)情況

1.2 測點布置

由于道路中線處為瀝青路面,吸熱、封水效果較好,邊界條件相對穩(wěn)定,變異性較小[5-6],而路肩處豎向位移受路基內(nèi)水分遷移而發(fā)生的側(cè)向變形影響較大,因此將道路中線處作為路基豎向位移試驗觀測位置,每個試驗斷面內(nèi)共設置3個位移觀測點,分別布置于路基填土層和活動層的中央,以及凍土上限處(y1,y2,y3),測點布置如圖2所示.

圖2 試驗測點布置示意圖

1.3 試驗設備

試驗設備主要由沉降磁環(huán)、限位管箍及固定導管組成,如圖3所示.沉降磁環(huán)通過限位管箍附著在導管測點位置上,在公路施工期間,在各試驗斷面路基中線處鉆孔埋設導管,工后數(shù)據(jù)采集選用CHXKJ(91C4)型沉降測試儀[7],該測試儀由導線、繞線盤、接收裝置及測頭組成,精度為1.0 mm,量程為100 m,誤差±0.1 mm,符合凍土路基土體豎向熱位移觀測試驗的數(shù)據(jù)要求.

圖3 豎向位移試驗設備

1.4 數(shù)據(jù)采集

在工后一個年周期內(nèi),每月月底通過對測點位置處沉降磁環(huán)上部及下部的位置數(shù)據(jù)進行讀取[8],獲得各試驗斷面相應位置處的豎向位移數(shù)據(jù),由于導管底部埋置較深,可假定其處于固結(jié)約束狀態(tài),不發(fā)生豎向位移,因此沉降磁環(huán)相對導管上端的距離(Si)為：

式中：Ji,Hi分別為導管上沉降磁環(huán)在導線進入與返回過程中相對導管上端的距離(mm).

2 周期性特征分析

2.1 大氣溫度

影響島狀凍土路基熱穩(wěn)定狀態(tài)的外部因素主要是大氣溫度的變化[9],通過現(xiàn)場實測,試驗路段年周期內(nèi)各月的平均氣溫如圖4所示.

圖4 試驗路段年周期氣溫變化曲線

2.2 路基地溫

年周期內(nèi)部分試驗斷面中線處各土層的地溫變化曲線如圖5所示.

圖5 試驗斷面地溫變化曲線

由圖5可以看出,各試驗斷面年周期內(nèi)的地溫變化具有明顯的階段性特點：1～4月,各土層的初始溫度雖有所不同,但受大氣溫度影響,各土層溫度很快降到0℃以下,并持續(xù)降低,該期間路基處于持續(xù)凍結(jié)狀態(tài)；5～9月,隨著大氣溫度升至0℃以上,路基各土層溫度隨之逐漸升高,并最終轉(zhuǎn)變?yōu)檎郎貭顟B(tài)；10～12月,路基地溫場隨大氣溫度開始逐步降溫,并在期間末尾,各試驗斷面凍土上限處的地溫再次降到0℃以下,此時年周期內(nèi)的凍融過程結(jié)束.由于各試驗斷面凍土上限埋深位置及含冰量的差異,造成年周期內(nèi)各試驗斷面同一土層間的溫度變化范圍存在著較大差異.

2.3 位移特征

年周期內(nèi)部分試驗斷面各土層豎向累積位移曲線如圖6所示.

圖6 試驗斷面各土層豎向位移累積曲線

結(jié)合大氣溫度及路基地溫變化可以看出,年周期內(nèi)各試驗斷面的豎向位移均表現(xiàn)出較為相似的階段性變化特點：

1)1～4 月,當大氣溫度始終處于0℃以下時,路基由于遭受凍結(jié),土體剛度相對較大,位移量值相對較小,但對于地下水位較高的試驗斷面,由于聚冰效應導致水分不斷侵入路基內(nèi)部,從而形成局部凍脹,因此該期間部分土層土體豎向位移出現(xiàn)正向發(fā)展現(xiàn)象.

2)5～9 月,當大氣溫度始終處于0℃以上時,路基土體剛度隨之逐漸減小,豎向位移發(fā)展方向發(fā)生改變,位移量值開始增加,但由于高等級公路路基土體的壓實度相對較高,因此該期間路基各土層的豎向累積位移雖逐漸增大,但路基整體的熱穩(wěn)定狀態(tài)相對較好.

3)10～12 月,受上一階段路基內(nèi)部累積熱效應的影響,凍土上限發(fā)生退融,路基土體的豎向位移量值隨之迅速增加,隨著氣溫在0℃以下并持續(xù)降低,位移速率明顯減小,由此可見,凍土上限處土體剛度對路基整體的熱穩(wěn)定狀態(tài)起著關鍵作用,由于該期間路基的退融深度遠大于凍結(jié)深度,導致路基活動層與凍土上限間易形成高溫含水夾層,從而對路基的熱穩(wěn)定狀態(tài)構成嚴重威脅.

3 影響因素分析

由于凍土上限處的埋深、含水率,以及地基處理方式的不同,導致各路基試驗斷面豎向位移的發(fā)生時間及發(fā)展程度存在著較大差異[10].

3.1 凍土上限覆土厚度

在凍土上限處土質(zhì)及地基處理方式均相同的富冰凍土路基中,對比分析含水率相近,而覆土厚度存在差異的路基試驗斷面,如圖7所示.

圖7 差異性覆土厚度土層豎向累積位移對比

由圖7可以看出,當路基遭受凍結(jié)時,對比試驗斷面間的土體位移較為接近,覆土厚度對路基熱穩(wěn)定性的影響相對較?。浑S著路基解凍,試驗斷面K85+580(H=4.95 m)、K89+200(H=3.3 m)由于凍土上限覆土厚度較小,與高覆土試驗斷面相比,較易受到外部環(huán)境短期熱效應的影響,當凍土上限處發(fā)生退融時,其上部土體的豎向位移隨之較快發(fā)展,年周期內(nèi)各土層的累積沉降量均大于高覆土對比試驗斷面.

高覆土試驗斷面K59+100(H=6.39 m)在凍結(jié)狀態(tài)下各土層均表現(xiàn)出了不同程度的凍脹,其中凍土上限處的凍脹變形較其它土層明顯偏大,而當凍土上限發(fā)生退融時,路基上部土體的豎向位移突增后逐漸恢復,其原因主要是由于凍結(jié)過程中凍土上限與活動層間形成的高溫含水夾層所致；高覆土試驗斷面K59+217(H=7.1 m)年周期內(nèi)各土層豎向累積位移僅表現(xiàn)為輕微凍脹,由此可見采用碎石樁加固措施在提高路基承載力的同時,通過對地基土的擠密,在一定程度上可抑制土中水的滲流,從而有利于防止路基內(nèi)形成高溫含水夾層.

3.2 凍土上限含水率

為了準確分析凍土上限處含水率對島狀凍土路基豎向位移的影響,在凍土上限土質(zhì)相同、覆土厚度相近,地基處理方式也相同的試驗斷面中,對比分析富冰凍土路基與飽冰凍土路基的土體豎向位移發(fā)展情況,如圖8所示.

由圖8可以看出,凍結(jié)狀態(tài)下各試驗斷面路基土體的豎向位移均相對較小,此時凍土上限處的含水率對路基熱穩(wěn)定狀態(tài)的影響較弱.當凍土上限處開始退融時,高含水率試驗斷面K13+400(w=61.7%)、K90+000(w=45.6%)表現(xiàn)出較強的流變性能,在水分遷移及荷載的雙重作用下,凍土上限處土體位移快速向下發(fā)展,各土層年周期內(nèi)的豎向累積位移均遠大于低含水率對比斷面K59+217(w=25.4%)、K89+200(w=22.2%),最終表現(xiàn)為熱融沉,但由于含水率較高,凍土上限發(fā)生“冰-水”相變時所需熱量相對較大,因此融沉發(fā)生時間較低含水率路基試驗斷面有所推遲.

3.3 地基處理方式

根據(jù)凍土上限處含水率及融沉性質(zhì)的不同,試驗路段地基處理主要采用清基換填及擠密樁加固兩種方式[11],根據(jù)試驗斷面特征進行分類比較：

1)選取凍土上限覆土厚度相近,含水率差異較大的試驗斷面進行對比分析,如圖9所示.

圖9 不同含水率試驗斷面地基處理對比

由圖9可以看出,通過對地基土的擠密加固,飽冰凍土路基試驗斷面K10+600、K42+050的熱穩(wěn)定性有所提高,其年周期內(nèi)的豎向累積位移均小于覆土厚度相近的低含水率富冰凍土路基試驗斷面K59+100、K85+580,但其年周期內(nèi)的豎向變形依然較大,路基熱融沉特征仍較為明顯.

2)選取凍土上限覆土厚度差異較大,含水率相近的試驗斷面進行對比分析,如圖10所示.

由圖10可以看出,試驗斷面K85+580由于凍土上限覆土厚度較小,且未對地基土進行擠密加固,高,隨含水率的增加而顯著減小,但融沉位移的發(fā)生時間則隨含水率的增加有所延遲.

圖10 不同覆土厚度試驗斷面地基處理對比

3)單一增加覆土厚度或?qū)Φ鼗吝M行擠密加固不能根本改變凍土退融發(fā)生時路基土體豎向位移快速發(fā)展的特性,若同時采取兩種方式,可有效改善凍土上限處的地溫環(huán)境及土體性質(zhì),從而減小豎向位移,提高島狀凍土路基的熱穩(wěn)定狀態(tài).其土體豎向位移較大,斷面熱穩(wěn)定狀態(tài)較差.高覆土試驗斷面K59+100及碎石樁試驗斷面K89+200年周期內(nèi)各土層的豎向累積位移均小于對比試驗斷面K85+580；高覆土試驗斷面K59+100由于沒有采取擠密加固措施,地基土孔隙率相對較大,承載力較弱,因此位移量值仍較大；碎石樁試驗斷面K89+200則由于凍土上限埋深較淺,受外部熱環(huán)境影響作用明顯,年周期內(nèi)同樣發(fā)生了較大的豎向位移.對于試驗斷面K59+217,由于該斷面凍土上限覆土厚度較大,且同時進行了碎石樁加固地基處理,因此路基熱穩(wěn)定性較好,年周期內(nèi)位移累積曲線呈小幅波動狀,豎向位移量值較小.

4 結(jié) 論

本文以前嫩公路島狀凍土路段為研究對象,通過對路基土體豎向分層位移的試驗觀測,研究了年周期內(nèi)島狀凍土路基的熱穩(wěn)定性及主要影響因素的作用效果,根據(jù)研究結(jié)果得出以下結(jié)論：

1)島狀凍土路基年周期內(nèi)豎向熱位移的發(fā)展過程具有較為顯著的階段特點：1～9月,位移量值較小,路基整體熱穩(wěn)定性較好,但受地下水影響,氣溫0℃以下時易發(fā)生凍脹現(xiàn)象；10～12月,受路基內(nèi)部累積熱效應影響,凍土上限易發(fā)生退融現(xiàn)象,從而易誘發(fā)含水夾層、熱融沉等路基病害.

2)當路基處于凍結(jié)狀態(tài)時,凍土上限覆土厚度、含水率對路基土體豎向位移的影響較??；當路基土體解凍后,路基的熱穩(wěn)定性隨覆土厚度的增加而明顯提