青藏公路路基路面不均勻變形有限元計算分析★

李洪蛟 吳婷婷

(中國葛洲壩集團國際工程有限公司，北京 100022)

1 不均勻變形的影響因素

凍土融沉引起的青藏公路的不均勻變形主要受以下四方面的因素影響。

1.1 路基

1)填土高度。

青藏公路是瀝青路面，瀝青路面有很強的吸熱作用，路基高度越高，路基內部吸收的熱量就越多，而且填土高度越高，熱量越不容易散失，因此就導致部分熱量常年聚集在高填土路基內部，如果不及時處治就會引起多年凍土的熱融下沉，路基內部聚集的熱量會使凍土產生融化區，進而導致路基的不均勻沉降變形[1]。

2)土體容重。

土體的自重和容重成正比關系，土體的自重隨容重的增減而增減。在高填土路堤段，土體的容重越大就會越增加天然地基土體的承重，尤其在季節活動層軟弱，路基內部存在融化夾層的路段，很容易引起路基的不均勻沉降變形。

3)填土力學性質。

青藏公路無論是在新建還是在改建過程中，一直處在經濟條件與施工條件貧乏的情況下，施工機械不夠完備，環境條件影響大，都會導致路基填筑不均勻，壓實度指標不能滿足標準，造成施工過程中壓實不均勻;青藏公路一直以來路基防護工程不完善，很多路段甚至沒有路基防護工程。因此，在特殊的地理位置和環境條件下造成路基和路面的損壞。

1.2 季節活動層

青藏公路路基基底的季節活動層大部分為亞粘土，這種土質受水的影響很大，含水率是影響季節活動層性質的關鍵因素。青藏公路的路基、路面防水和排水設施不完善，路基兩側常年積水，其季節活動層含水率過大，土體變得異常松軟，其模量也大幅度下降，最終影響了原天然地基的承載能力，此時的土質具有更大的變形性和可壓縮性，導致路基產生不均勻沉降變形，到冬季嚴寒季節，含水率大的土質產生凍脹，導致土體膨脹，經過凍脹融沉的反復作用，路基路面最終產生不均勻變形。

1.3 多年凍土融化區

根據前期的現場調研數據顯示，在楚瑪爾河地段多年凍土融化區的融化深度為2 m～3.6 m，近些年年平均地溫逐漸升高，多年凍土層普遍存在著上限下移的現象，尤其再加上水的影響，就產生了以融沉為主的公路路基病害，其融化深度越深，融化范圍越大，對不均勻變形的影響就越大。

1.4 多年凍土層狀態

隨著年平均地溫的升高，多年凍土就變得十分脆弱，再加之在建設過程中人為的擾動，就會加速凍土的融化速率。所以，多年凍土的年平均地溫是地質條件劃分時最重要的評價指標之一[2，3]。

多年凍土的分布類型、年平均地溫、水文地質等因素造成了青藏公路路基路面錯綜復雜，為此預防處治路基路面的不均勻變形要綜合考慮[4]。

2 有限元模型的建立

本文主要針對青藏公路路基兩側坡腳積水，路基填土高度不一，原天然地表呈現波浪起伏，存在融化夾層的特殊路段進行分析。

2.1 不均勻變形計算模型

針對存在融化夾層情況的路基路面建立模型，其主要模型參數為:路基頂面寬度為10 m，邊坡坡率為1∶1.5，路基高度范圍采用0.5 m～3 m進行分析，季節活動層厚度為2 m;融化夾層深度范圍為凍土上限下2 m～3.6 m，其融化夾層半徑為4.5 m，地基寬度取路基兩側坡腳外10 m[5]，在進行有限元模型計算時，融沉區形狀設為矩形，路基單元采用平面應變問題進行分析，建立對稱的二維有限元模型，如圖1所示。

2.2 模型參數

在進行有限元的模型計算過程中需要分析的參數及各參數取值如表1所示[6]。

表1 參數取值表

由于土體模量受水和溫度等的影響，會產生一定范圍的變化，此值為一定范圍的值。

3 計算方案

在保證正確、全面分析的前提下，為精簡計算工作量，首先采用正交試驗對各模型計算參數進行組合分析。根據JTG D50-2006公路瀝青路面設計規范以及經驗取值得出各影響因素的參數范圍。采用五因素五水平進行分析，如表2所示。

表2 正交試驗分析表

根據上述計算方案的分析，分別得到25種工況下，在橫向不均勻變形情況下的基層層底附加應力以及在縱向不均勻變形情況下不均勻變形波幅的情況。

通過對計算結果中車輛荷載作用下的基層層底荷載應力與不均勻變形引起的附加應力之和，分別與不同年限下基層層底容許彎拉應力值進行對比分析，可最終得出，在設計年限內路面基層層底幾乎都會產生拉裂破壞，有的甚至在運營的前兩年就產生破壞。

把計算結果通過Origin進行回歸分析后，可得出各因素之間的關系式:

其中，H為路基填土高度，m;h為融化深度，m;E1為路基填土模量，MPa;Ej為季節活動層模量，MPa;Er為融化區模量，MPa。

通過計算可得，青藏公路路基路面縱向不均勻變形波幅的范圍為0.6 cm ～7.2 cm。

4 結語

根據青藏公路路基路面不均勻變形的特點、產生原因及影響因素，建立有限元模型，并通過ABAQUS有限元計算得出了縱向不均勻變形波幅與各模型參數之間的相關關系式，并通過以上分析可得基層層底大部分在第六年就會產生拉裂破壞。

[1] 王紹令，趙 林，李述訓，等.青藏公路多年凍土段瀝青路面熱量平衡及路基穩定性研究[J].冰川凍土，2001，23(2):111-118.

[2] 吳紫汪，程國棟，朱林楠，等.凍土路基工程[M].蘭州:蘭州大學出版社，1988.

[3] 竇明健，胡長順.多年凍土地區路基設計原則及其應用[J].冰川凍土，2001，23(4):402-406.

[4] 溫 智，盛 煜.退化性多年凍土地區公路路基地溫和變形規律[J].巖石力學與工程學報，2009，28(7):1477-1483.

[5] 楊蓓蓓.多年凍土地區瀝青路面結構設計方法研究[D].西安:長安大學碩士論文，2005.

[6] 裴建中.多年凍土地區路基縱向裂縫形成機理及處治對策研究[D].西安:長安大學博士論文，2004.