基于凍土特征的青藏公路路基病害分析

次旦多杰

基于凍土特征的青藏公路路基病害分析

次旦多杰1，2

(1.西藏天路股份有限公司，西藏拉薩 850005;2.長安大學公路學院，陜西西安 710064)

為分析青藏高原多年凍土特征對青藏公路路基病害的影響，在對青藏高原多年凍土特征進行研究的基礎上，討論了青藏線路基病害類型與形成機理。研究得出:青藏線路基的主要變形形式為不均勻沉陷變形;地溫對凍土區路基縱向裂縫的影響顯著;青藏沿線路基沉陷病害的百分比隨著地溫的降低先增大后降低;翻漿病害的百分比隨著溫度的降低而減小。

青藏公路;多年凍土;路基變形;縱向裂縫

0 引言

青藏高原多年凍土區是中國低緯度、高海拔、面積最大的凍土區，北起昆侖山主脊北側西大灘，南至唐古拉山南麓23工區。近年來，隨著青藏高原多年凍土區年均地溫的升高，凍土厚度有所降低且多年凍土面積也相應減小。550 km左右的青藏公路跨越了該凍土區域，公路沿線生態脆弱，施工過程對所經區段凍土穩定性的影響較為明顯。針對多年凍土區路基病害，張寶龍等提出對路基不均勻變形采取控制措施［1-2］;徐安花對多年凍土區青藏公路的路基縱向裂縫在橫斷面上的分布情況展開了分析［3］;陳建兵等深入分析了高路基病害的形成機理，結果顯示高路基病害受融化盤、融化夾層、凍結核等多個因素的影響［4］。

雖然部分研究學者采用改變路基高度、在路基中設置隔熱層增強熱阻或采取熱棒等措施改善青藏公路路基病害，但多年凍土區道路工程病害類型與產生機理仍需進一步研究。因此，本文在分析青藏公路沿線凍土特征的基礎上，研究青藏線主要路基病害，并探討青藏公路路基病害與凍土含冰量、凍土地溫等凍土特征之間的關系。

1 青藏公路沿線多年凍土特征

溫度等外界因素對凍土自身特征的影響較為明顯。青藏公路對青藏高原多個連續多年凍土區實現了跨越，且沿線凍土緯度低、海拔高、垂直分帶明顯［5］，如圖1所示。已有研究指出，青藏高原地區多年凍土在當前氣候環境下呈現退化趨勢，且青藏線的建設完成對沿線原始環境的水熱分布狀況形成了干擾，對凍土生存環境及其熱穩定性產生了影響，最終加速了凍土的退化進程。

圖1 青藏公路穿越路線

1．1 凍土分布特征

青藏公路沿線多年凍土的基本分布情況如表1所示［6-7］。

表1 青藏公路沿線多年凍土分布特征

1．2 凍土厚度

青藏線多年凍土區厚度一般在0～148 m之間，受緯度、海拔、地形地貌與坡向等地理因素的影響，青藏公路多年凍土厚度的分布極不均勻。青藏線部分路段多年凍土區的凍土厚度如表2所示。

表2 青藏線部分路段多年凍土區的凍土厚度

1．3 上限與地溫

青藏高原多年凍土區天然上限深度為1．0～4.8 m，年均地溫為 －4．2℃ ～ －0．5℃。根據地溫可將青藏公路沿線多年凍土區劃分為4個區，如表3所示。

表3 青藏線多年凍土區地溫分區

2 青藏線多年凍土區路基病害類型

穿越多年凍土區的青藏公路具有病害率高、病害程度嚴重的特點，且超過80%的路段發生結構性病害。通過對青藏公路沿線路基、路面病害的調研以及查閱相關資料得出其主要的病害類型，如圖2所示。

圖2 青藏公路穿越多年凍土區路基病害分布

由圖2可知，不均勻沉陷變形的病害比例最大，為24%，凍脹融沉翻漿次之，比例為23%，而路基橫向開裂發生的可能性最小，比例僅為9%。青藏公路沿線路基病害發生率由大到小依次為:不均勻變形沉陷、凍脹融沉翻漿、路基邊坡病害、路基縱向開裂、波浪變形、路基橫向裂縫。

2．1 路基的不均勻變形

沉降變形是青藏公路多年凍土區的典型路基病害，凍土路基下多年凍土融化引起的路基不均勻變形超過該路段路基變形總量的81%［8］。從路基橫斷面來看，路基的不均勻變形主要表現為橫向傾斜變形。不均勻變形通常受多種因素的綜合影響，主要包括多年凍土的凍脹融沉、密實度、路基填土不均勻、路基兩側積水、施工質量與路基自身含水率等。

2．2 凍脹融沉與翻漿

位于季節性冰凍地區的路基在冬季溫度很低的情況下熱量不斷下降，當路基溫度降至土中水的結晶點時，土體凍結并形成凍脹，最終引起路面開裂;在春季溫度回暖時期，凍結的路基隨著環境溫度的升高而融化，冰變水后體積減小，從而使路基出現融沉病害。

通常路面下的上層土體率先融化而下部土體仍處于凍結狀態，凍結土層起到隔水層的作用，使得融化的水不能及時下滲而積攢在路面與未融化的路基之間，在路基自重與輪載的循環作用下，路面變得松軟并最終產生翻漿。

2．3 松散與局部沉陷

青藏高原緯度低、海拔高，多年凍土面積大且大氣稀薄，日照時間長且輻射強烈。瀝青面層在鋪筑后，強輻射與低溫環境使得瀝青面層加速老化，在輪載的循環作用下使面層松散破壞。退化與不穩定的多年凍土上層壓縮固結變形是產生路基沉陷變形的主要原因。各地區路基沉陷病害率從大到小依次為:過渡多年凍土帶、年平均氣溫大于深季節凍土區、穩定多年凍土地區。其中，路基沉陷病害率隨含冰量增加而增大，當含冰量達到飽和時，沉陷病害率保持穩定。

2．4 縱向裂縫

多年凍土區的縱向裂縫深度大、裂縫長且發展形狀不規律。從道路縱斷面來看，不均勻變形分為縱向波浪變形與橫向不均勻變形。含冰量、凍土類型與路側積水是影響縱向裂縫的關鍵因素。縱向裂縫病害率隨凍土含冰量增加而增大，凍土越穩定裂縫越少。路側積水是導致多年凍土退化的直接原因，路基下多年凍土的變化，特別是凍土上限的變化，直接影響地基土的壓縮沉陷變形。

3 路基變形與凍土特征的關系

3．1 沉陷病害率與多年凍土地溫和含冰量的關系

青藏公路沿線路基沉陷病害百分比與多年凍土低溫、含冰量之間的關系見圖3、4。

圖3 沉陷病害百分比與地溫之間的關系

圖4 沉陷病害百分比與含冰量之間的關系

由圖3可知，青藏公路沿線路基沉陷病害百分比隨著地溫的降低先增大后降低。其中，當地溫分區溫度在－1．5℃ ～ －0．5℃之間時，沉陷病害百分比最大，為25%;而沉陷病害百分比最小的地溫分區溫度在 －5．0℃ ～ －3．0℃之間，僅占9．1%。圖4中，在含冰類型為飽和冰的地區，路基的沉陷病害百分比最大，為27%;少冰地區則沒有發生沉陷病害;含冰類型為富冰與含土冰地區的沉陷病害百分比分別為12%和23%。

3．2 翻漿與凍土特征的關系

青藏公路沿線路基翻漿病害百分比與多年凍土地溫之間的關系見圖5。

由圖5可知，當地溫高于0℃時，翻漿病害百分比高達80%，且翻漿病害百分比隨著地溫的降低而減小。這是因為:路基表面在入冬后開始凍結，導致路面開裂;春季回暖期間路面與上部路基吸收的熱量較多，凍結部分融化較快，而路基下部吸收的熱量較少，凍結層仍處于凍結狀態，凍土層里的冰水較多而又無法排除，導致路基上部處于飽水狀態，強度降低，在輪載循環作用下出現破裂冒漿的現象。

圖5 翻漿病害百分比與地溫分區之間的關系

3．3 縱向裂縫與凍土特征的關系

青藏公路沿線縱向裂縫病害百分比與多年凍土地溫、含冰量之間的關系見圖6、7。

圖6 路基縱向裂縫病害百分比與地溫之間的關系

圖7 路基縱向裂縫病害百分比與含冰量之間的關系

由圖6可知，地溫對凍土區路基縱向裂縫影響顯著，地溫分區在 －3．0℃ ～ －1．5℃之間的路基縱向裂縫病害百分比最大，高達37%，而地溫分區溫度高于0℃的地區，路基縱向裂縫病害百分比最小，僅為3%。這可能是因為:隨著氣溫的急劇下降，青藏多年凍土區路基與道床具有保溫護道的作用，引起道床下路基與路基兩側的基床土體產生不均勻凍結收縮，造成路肩、道床坡腳與道床軌枕頭處縱向開放性開裂。對于不同的含冰量區域，路基縱向裂縫病害百分比從高到低依次為:飽和冰區、含土冰區、富冰區、多冰區、少冰區。

4 結語

(1)青藏公路沿線多年凍土區厚度主要介于0～148 m，凍土區天然上限深度為 1．0 ～4．8 m，年平均地溫為－4．2℃ ～ －0．5℃;青藏線地下冰的深度多超過20 m且主要位于多年凍土上限以下0．5～2．9 m 范圍內。

(2)青藏公路沿線各類路基病害發生率從高到低依次為:不均勻變形沉陷、凍脹融沉翻漿、路基邊坡病害、路基縱向開裂、波浪變形、路基橫向裂縫。

(3)青藏公路沿線路基沉陷病害百分比隨著地溫的降低先增大后降低;當溫度高于0℃時，翻漿病害百分比高達80%，且翻漿病害百分比隨著溫度的降低而減小;地溫對凍土區路基縱向裂縫影響顯著。

［1］ 張寶龍．島狀凍土地區路基不均勻變形控制措施［J］．筑路機械與施工機械化，2016，33(12):49-52．

［2］ 張紹成，楊 錚．“綜合法”利用高液限土填筑路基的施工控制方法［J］．筑路機械與施工機械化，2016，33(1):118-120．

［3］ 徐安花．多年凍土地區公路路基縱向裂縫與路基走向關系的探討［J］．冰川凍土，2010，32(1):121-125．

［4］ 陳建兵，汪雙杰，章金釗，等．青藏公路高路基病害的形成及其機理［J］．長安大學學報:自然科學版，2008，28(6):30-35．

［5］ 馬君毅，符 進，章金釗．多年凍土地區公路修筑技術在青藏公路改建完善工程中推廣應用［J］．公路交通科技:應用技術版，2008(S1):287-290．

［6］ 蔡漢成，李 勇，楊勇鵬，等．青藏鐵路沿線多年凍土區氣溫和多年凍土變化特征［J］．巖土力學與工程學報，2016，35(7):1134-1444．

［7］ 肖 璇，杜 棪．青藏公路沿線多年凍土的分布特點及發育特征［J］．黑龍江交通科技，2012(8):10-12．

［8］ 鄭 憲，李明寶，閻夢睛，等．季節性冰凍地區公路路基凍脹融沉過程規律研究［J］．科學技術與工程，2016(3):239-244．

Analysis of Subgrade Diseases of Qinghai-Tibet Highway Based on Features of Permafrost

CIDAN Duojie1，2
(1．Tibet Tianlu Co．，Ltd．，Lhasa 850005，Tibet，China;2．School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China)

In order to investigate the influence of the features of permafrost on the subgrade of Qinghai-Tibet highway，the distresses and their formation mechanism were discussed based on the study of the features of the permafrost on the Qinghai-Tibet plateau．It is found out that the main deformation form of the subgrade of Qinghai-Tibet highway is uneven subsidence;the effect of ground temperature on the longitudinal cracks in the permafrost zone is significant;the percentage of subgrade subsidence along the Qinghai-Tibet highway increases first and then decreases with the dropping of ground temperature;the percentage of frost boil decreases following the dropping of ground temperature．

Qinghai-Tibet highway;permafrost;subgrade deformation;longitudinal crack

U418．5

B

1000-033X(2017)10-0090-04

2017-03-22

次旦多杰(1980-)，男，西藏拉薩人，高級工程師，研究方向為道路與橋梁工程。

［責任編輯:杜衛華］