坡腳積水對多年凍土路基橫向變形的影響分析

陳曉

多年凍土是指凍結狀態持續兩年及以上的凍土，僅有表層呈現冷季凍結、暖季融化。由于其具有很高的溫度敏感性和隨著時間變化的動態力學特性，加上全球氣候變暖和人類活動的加劇，多年凍土地區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，表現為嚴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。調查結果顯示：大規模的縱向裂縫多數發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值模擬、現場監測等方法，分析多年凍土變化與路基穩定性的定性關系，定量的預報研究較少。穆彥虎調查發現青藏公路路基嚴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；王威娜基于季節凍土地區路基溫度場的數值模擬，指出路基邊坡及陰坡頂部在凍結和融化過程中易產生張拉破壞；李金平通過對漠北公路的分層監測，得出多年凍土路基橫向變形主要發生在暖季，前、后期變形分別由于季節活動層的壓縮變形和多年凍土上限下移引起；周麗娟基于季節性凍土地區路基的溫度場控制方程，建立了季節冰凍路基模型，計算分析了路側積水對路中、路肩溫度場的影響；劉恒柏依據青藏鐵路多年凍土區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系，但是地面排水不暢對路基穩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，數值計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，為多年凍土地區公路的排水設計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、生態脆弱和多年凍土是高海拔地區公路建設面臨的三大難題。青康公路是我國在高寒高海拔地區瀝青路面的首次嘗試，青藏公路是穿越連續多年凍土范圍最廣（約550km）的公路，本文以這兩條路作為重點分析對象。

根據現場調查可知，青藏高原年平均氣溫0℃以下，極端低溫可達到-48℃；降水量小，格爾木年降雨量僅30mm，蒸發量卻在1000mm以上；風大且頻繁，最大風速達33m/s；氣候多變，四季不分明。這些特點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；水泥穩定類材料水分蒸發極易造成材料表面形成干縮裂縫，保溫保濕養生難度很大；瀝青路面老化現象嚴重等不良影響。

多年凍土主要分布于海拔超過4500m以上地區，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凍土、不連續凍土、島狀凍土和季節凍土。多年凍土上限的下移是導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。

青藏高原生態環境極其脆弱且對工程活動和氣候變化影響反應敏感，一旦破壞極難恢復。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打破多年凍土的生存環境，青藏公路沿線特別是高溫高含冰凍土路段，出現大量的熱融湖塘。湖塘強烈的側向水熱侵蝕可能導致路基一側季節融化深度增加，進而引起路基的不均勻沉降變形，嚴重時可導致路基一側出現熱融滑塌等病害。

二、青藏高原典型路段縱向裂縫

1. 縱向裂縫發育特征

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

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

2. 坡腳積水的來源

多年凍土地區由于路基路面 “寬幅效應”的存在，高等級公路建設除了人口密集地區均采用分離式路基。路基本體之間便形成天然的匯水區域，路側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，縱向裂縫伴隨產生。如果多年凍土融化的冰水不能通過季節活動層順利排出，縱向裂縫的發育將會更加迅速。由此可見，路側積水是導致縱向裂縫產生和發展的一個重要原因。從這個角度講，合理地設置排水系統對保持多年凍土地區路基的穩定非常重要。

三、 測試路段模擬

由美國ITASCA公司開發的FLAC3D軟件能夠實現路基路面三維結構的塑性變形計算，能夠在短期內預測各種工程環境下道路的破壞發展規律。本文運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.數值模擬方案

（1）路基路面模型

根據青藏公路和青康公路已有路面結構，結合地區重載交通情況，本文采用9cm瀝青混凝土面層+18cm水泥穩定碎石基層+18cm水泥穩定砂礫底基層+20cm級配砂礫墊層。

結合青藏地區路基路面典型結構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活動層，17m的強風化泥巖為多年凍土層。本文僅研究路側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行計算，計算寬度邊界取距離路基本體25m處。路基路面結構計算模型如圖1所示。

圖1 路基路面結構計算模型圖（單位為m）

（2）加載和邊界條件

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

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

（3）本構模型

根據各結構層的材料設置，確定路基路面的本構模型為：地基、路基填土、墊層為摩爾─庫侖模型；其余路面結構層為各向同性彈性模型。

2.模擬結果分析

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）無水狀態路基橫向位移小于0.15mm，可以忽略不計，路側有積水時橫向變形發生明顯，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，說明該區橫向變形的發生主要由路基邊坡失穩導致。

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

（3）橫向變形隨著距道路中心線距離的增加而增大，這與現場觀測到的現象：縱向裂縫在水積路面側端部廣泛發育且裂縫寬度大相吻合。同時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，最大位移發生在距離坡腳約0.5m處。

（3）季節凍土層頂部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。結合橫向位移云圖可證明積水是縱向裂縫發育的一個重要原因。

四、結語

1.結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環境，分析高海拔地區公路建設的制約因素。

2.通過調查青藏公路和青康公路沿線縱向裂縫，總結縱向裂縫的發育特點，并初步指出路側積水是其發育的一個重要因素。

3.運用FLAC3D數值模擬軟件，計算得出路基的橫向變形主要發生在季節性凍土層和路基下部填土內，坡腳積水的深度對于路基橫向變形影響顯著。