高原凍土區(qū)公路路基病害及工程對策

汪雙杰，金龍，穆柯，朱東鵬，陳冬根，董元宏

（中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司 國家高寒高海拔地區(qū)道路工程安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710075）

一、前言

青藏公路是中國西部地區(qū)重要的物資運(yùn)輸通道，由北至南穿過氣候嚴(yán)寒、生態(tài)環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件復(fù)雜的多年凍土區(qū)，根據(jù)國家交通運(yùn)輸部的數(shù)據(jù)，多年凍土連續(xù)分布區(qū)為528.5 km，公路沿線海拔為4 000～5 231 m；年平均氣溫為–7～–2℃；年平均太陽總輻射量超過8 000 MJ/m2，約為內(nèi)地輻射量的5倍；每年凍結(jié)期達(dá)7～8個月。在該地區(qū)修筑瀝青路面后，受路面吸熱影響，路基下多年凍土不斷退化為高含水量季節(jié)凍土，往復(fù)的凍融效應(yīng)嚴(yán)重削弱了路基的強(qiáng)度。在一定時間內(nèi)，造成諸如凍脹、翻漿、沉陷等病害，危害道路的行車安全。

對于多年凍土區(qū)道路的病害問題，現(xiàn)有研究成果主要集中在病害產(chǎn)生機(jī)理、影響因素、凍土本構(gòu)模型等方面[1～6]，部分研究從調(diào)節(jié)路基高度、主動制冷、被動阻熱等角度出發(fā)提出了相應(yīng)的處治措施[7～13]。一些研究確定了多年凍土道路病害的主要影響因素[14～17]，并提出了相應(yīng)的處治措施，其成果大都已被青藏公路實(shí)體工程所采納。但對于病害的產(chǎn)生時間、多因素影響下路基平均使用壽命等問題研究較少。多年凍土區(qū)的道路病害具有顯著的時間效應(yīng)，即在不同年平均地溫、含冰量、凍土上限退化速率等情況下，道路病害的發(fā)生、惡化具有一定的周期性，其使用年限與上述幾種因素密切相關(guān)。筆者從凍土路基病害的時間效應(yīng)出發(fā)，基于青藏公路沿線的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定年平均地溫、凍土上限退化速率、含冰量對道路使用年限的影響，并對各類特殊路基的病害現(xiàn)狀進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，評價各類特殊路基的適用條件及處治效果。

二、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以年平均地溫、凍土上限退化速率、含冰量等作為參考依據(jù)，劃分調(diào)查路段，其中年平均地溫決定多年凍土是否融化以及其對外界氣溫變化的敏感程度，上限退化速率變化是路基穩(wěn)定性及其相關(guān)路面次生病害發(fā)生的重要誘因，路基下伏凍土含冰量的大小，往往決定著上限退化后道路病害的嚴(yán)重程度，年平均地溫及上限退化速率與穩(wěn)定性分區(qū)的關(guān)系如表1所示，不同凍土含冰量及不同使用年限路段在不同分區(qū)的占有率如表2所示。

在表2中將道路從建設(shè)完成到下次維修之間的時間定義為病害時間周期（即使用年限），將病害時間周期統(tǒng)一區(qū)劃為＜10年，15年，20年，30年，＞40年五類，根據(jù)道路養(yǎng)護(hù)、維修時間數(shù)據(jù)，統(tǒng)計各時間段內(nèi)道路的病害發(fā)生率。

三、凍土路基病害發(fā)展的影響因素分析

（一）年平均地溫

為了研究凍土地溫對路基病害發(fā)育過程的影響，沿青藏公路G109線，選取20 km年平均地溫為–3～–0.5℃的路段，依據(jù)年度病害發(fā)展情況，將其分為穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)、不穩(wěn)定區(qū)、極不穩(wěn)定區(qū)四大類，如圖1和圖2所示，其中最大概率使用年限指統(tǒng)計樣本中大多數(shù)路段的病害時間周期；平均使用年限反映病害發(fā)生的平均周期。

表1 年平均地溫及上限退化速率與穩(wěn)定性分區(qū)的關(guān)系

表2 不同凍土含冰量及不同使用年限路段在不同分區(qū)的占有率 %

由圖1、表1、表2可知，隨著年平均地溫的升高，最大概率路基使用年限呈不斷遞減趨勢，在年平均地溫低于–3.0℃的穩(wěn)定區(qū)，80%路段的使用年限已超過40年；當(dāng)年平均地溫提升至–3.0～–1.5℃時，同樣使用壽命的路段比率降至35%，大部分調(diào)查路段使用壽命縮短10年以上；年平均地溫繼續(xù)提升至–1.5～–0.5℃時， 65%的路基在15年內(nèi)發(fā)生病害，剩余35%路基使用壽命不超過10年；年平均地溫提升至–0.5～0℃，80%路基使用壽命不超過10年。圖2所提出的平均使用年限可由下式計算得出：

圖1 年平均地溫與最大概率使用年限關(guān)系

圖2 年平均地溫與平均使用年限關(guān)系

式（1）中，T為平均使用年限；n為時間段個數(shù)，筆者劃分為5個時間段（＜10年，15年，20年，30年，＞40年）；Ti為每個路段的時間年限；ρ為每個時間段內(nèi)路基長度占總調(diào)查長度的比率（可直接采用表2中不同凍土穩(wěn)定分區(qū)內(nèi)，各壽命使用年限對應(yīng)的路段占有率代替），本次總調(diào)查路段為20 km。經(jīng)計算，年平均地溫每提升0.5℃，道路平均使用壽命降低4年以上；從使用年限降低幅值上分析，年平均地溫在–1.5℃左右變化時，對路基時間尺度效應(yīng)影響最為顯著。

（二） 上限退化速率

為分析加鋪瀝青路面對凍土退化速率的影響，并確定退化速率對路基病害發(fā)育過程的影響，沿G109線選取69 km典型路段進(jìn)行調(diào)查。首先，確定年平均地溫與凍土上限退化速率的關(guān)系，如圖3所示，之后從概率角度分析上限退化對路基病害發(fā)生時間的影響。

由圖3可知，年平均地溫與凍土上限退化速率呈正相關(guān)關(guān)系，在年平均地溫低于–3℃工況下，多年凍土上限退化速率小于10 cm/a（見表1），之后隨著地溫的抬升，上限退化速率逐漸加速，但其退化加速趨勢呈現(xiàn)先緩后急的趨勢，在–3℃至–1.5℃區(qū)間內(nèi)，地溫每抬升0.5℃，退化速率僅提高約1.67 cm/a；在–1.5℃至0℃區(qū)間內(nèi)，地溫每抬升0.5℃，退化速率迅速加快，提升至5 cm/a；地溫與凍土上限退化速率的關(guān)系表明，–1.5℃附近是凍土高低溫轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，當(dāng)凍土年平均地溫高于該值時，上限退化速率將呈不斷加速趨勢。

（三）含冰量

圖3 年平均地溫與凍土上限退化速率的關(guān)系

在穩(wěn)定區(qū)，含土冰層路段比率僅占9%，而在極不穩(wěn)定區(qū)這一比例上升至46%，如圖4所示。高含冰量路段比率越高，道路平均使用壽命越短，尤其在高溫、高退化速率凍土區(qū)，含土冰層路基大都在路面鋪筑2～3年內(nèi)病害顯著，5～10年后便因病害嚴(yán)重而急需整治。

（四）特殊處治措施

圖4 含冰量與道路穩(wěn)定性分級關(guān)系

為防治凍土路基病害，提高路基穩(wěn)定性，在2003年青藏公路的整治改建工程中，在部分病害路段設(shè)置了特殊結(jié)構(gòu)措施，主要包括熱棒、XPS（擠塑聚苯乙烯泡沫塑料）板、片塊石、通風(fēng)管等，在部分地質(zhì)條件惡劣的路段采用兩種措施。該特殊結(jié)構(gòu)于2003年建設(shè)完成，迄今已有13年的地溫、變形、病害監(jiān)測數(shù)據(jù)，為分析特殊結(jié)構(gòu)對凍土路基病害的影響，收集了這些路段的地溫、變形、病害監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析如表3、表4、圖5所示。

由圖5可知，在凍土地質(zhì)條件惡劣的路段，如未采取特殊措施，約80%的路段在2～4年內(nèi)會產(chǎn)生嚴(yán)重的路基病害，且重建后路基仍不穩(wěn)定；在熱棒、片塊石、XPS板、通風(fēng)管路基等處治措施下，道路病害的有效預(yù)防率為60%～80%，且大部分病害將在路基建成后2～5年內(nèi)集中出現(xiàn)，之后病害發(fā)生率逐步穩(wěn)定，說明特殊處治措施路段需要進(jìn)行二次整治，且整治后路基工作狀態(tài)逐漸穩(wěn)定。

1.熱棒路基病害發(fā)育過程

在所調(diào)查的10處熱棒路基樣本中，僅有1處地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，熱棒未能起到良好的降溫效果，該種措施在青藏公路沿線降溫、阻熱有效率為90%。在熱棒正常工作路段，70%的路段病害得到有效緩解，尤其在高路基工況下，熱棒效果更為明顯，使用時間達(dá)到13年；30%的路段在2～4年內(nèi)表現(xiàn)出嚴(yán)重的縱裂、沉陷等病害，嚴(yán)重影響道路的通行能力。采用熱棒處治后的最大問題是部分路段縱裂嚴(yán)重，這些縱裂往往貫通整個處治路段，并且均在距離熱棒2～3 m處。

表3 青藏公路沿線特殊措施路段病害時間效應(yīng)研究

表4 青藏公路特殊措施路段病害率與路基修筑時間關(guān)系 %

2.片塊石路基病害發(fā)育過程

在所調(diào)查的片塊石路基樣本中，僅有55%的片塊石路基起到了明顯的降溫效果，與熱棒相比，片塊石在降溫效果上存在不足，但在與對比斷面的分析中，80%的片塊石路基起到了緩解病害的作用；剩余的20%中，10%的片塊石路基從第4年開始出現(xiàn)路面病害，10%的路基直到第8年才出現(xiàn)路面病害。

3. XPS保溫板路基病害發(fā)育過程

在所調(diào)查的保溫板路基樣本中，90%的保溫板路基均起到阻止路面吸收熱量向凍土路基傳遞的效果，但所有處治措施中僅60%的路段起到了預(yù)防病害發(fā)生的效果。在保溫板路基修筑初期，道路病害發(fā)生率較小，僅為3%～15%，從第4年開始，病害發(fā)生率迅速提高，第8年達(dá)到40%左右，其中多以沉陷和坑槽為主。保溫板作為一種被動阻熱措施，可延緩凍土融化造成道路病害的時間，但不能從根本上消除病害，如圖6所示。

4.通風(fēng)管路基病害發(fā)育過程

在所調(diào)查的通風(fēng)管路基樣本中，90%的通風(fēng)管路基可以通過通風(fēng)效應(yīng)，引入外界冷風(fēng)來降低路基溫度，尤其是對部分采用了溫控開關(guān)的試驗(yàn)路段，通風(fēng)管風(fēng)門可在暖季關(guān)閉，冷季打開，大大提高了降溫效能，70%的通風(fēng)管路基可有效預(yù)防道路病害。且當(dāng)通風(fēng)管與片塊石聯(lián)合使用時，可將病害處治有效率提高至80%。同時應(yīng)注意，受路面沉陷及風(fēng)沙堆積的影響，部分通風(fēng)管可能會出現(xiàn)堵塞，影響結(jié)構(gòu)的降溫效果，如圖7所示。

圖5 不同處治措施路基使用年限分析

四、新型穩(wěn)定技術(shù)的研發(fā)

（一）彌散式通風(fēng)路基

彌散式通風(fēng)管路基是利用智能控制模塊控制風(fēng)機(jī)，冷季風(fēng)機(jī)啟動通過強(qiáng)制對流，迫使冷空氣沿管道流動；暖季風(fēng)機(jī)關(guān)閉，增大路基熱阻，避免熱量下傳，從而保護(hù)多年凍土，如圖8所示。

（二）單向?qū)岚迓坊?/h3>

單向?qū)岚迓坊且环N保溫板與小型熱棒復(fù)合的處治措施，一方面利用保溫板優(yōu)良的隔熱性能，暖季保障黑色路面吸收熱量后不被傳導(dǎo)至多年凍土層，保護(hù)凍土上限不退化；另一方面，利用熱棒的單向?qū)嵝阅埽浼緦⑼饨缋滹L(fēng)導(dǎo)入路基，降低路基溫度，維持上限不退化。單向?qū)岚逶O(shè)計方案及原理如圖9、圖10所示。

圖6 保溫板路基局部坑槽

圖7 通風(fēng)管路基總體情況

圖8 彌散式通風(fēng)管路基結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 高取向熱誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計原理圖

（三）路基路面一體化散熱結(jié)構(gòu)

通過設(shè)置梯度導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)來調(diào)控路面內(nèi)的熱量傳輸，設(shè)計原理如圖10所示，改變上面層的熱導(dǎo)率，盡可能地阻止熱量進(jìn)入路面內(nèi)部；在中下面層設(shè)置上大下小的低導(dǎo)熱梯度結(jié)構(gòu)，抑制熱量在中下面層的傳導(dǎo)，減少結(jié)構(gòu)層內(nèi)的積熱。

五、結(jié)語

（1）多年凍土區(qū)道路病害與年平均地溫、凍土上限退化速率、含冰量等因素密切相關(guān)。傳統(tǒng)研究僅從病害發(fā)生機(jī)理、影響因素角度出發(fā)制定病害處治措施，而缺乏長期時間尺度上的綜合評價，使研究者對現(xiàn)有處治措施效果的預(yù)期普遍過于樂觀。

（2）年平均地溫從–3℃提升至–0.5℃，道路病害從出現(xiàn)至嚴(yán)重影響道路通行能力的時間周期從40年縮短至不足10年；凍土上限退化速率超過20 cm/a的路基基本在10年內(nèi)需要重新維護(hù)；在年均地溫較高、凍土上限退化速率較快的路段，高含冰量路基往往在工程結(jié)束2～3年后病害顯著，5～10年內(nèi)便急需整治或改建。

（3）熱棒、片塊石、保溫板、通風(fēng)管等路基調(diào)控措施的降溫有效率分別為：95%、55%、90%、90%，其中熱棒降溫效果最好，保溫板與通風(fēng)管次之，片塊石路基最差。但由于片塊石路基除能依靠通風(fēng)、對流調(diào)控路基溫度外，其自身強(qiáng)度較高，透水性好，能極大的增強(qiáng)路基的穩(wěn)定性，預(yù)防道路病害的能力反而高達(dá)80%，尤其是在片塊石與通風(fēng)管路基復(fù)合使用的情況下效果更佳。

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