基于多年凍土條件下公路路基不穩定變形特性分析

柳 波，支喜蘭

（1.山西省投資咨詢和發展規劃院，山西 太原 030009；2.長安大學教育部特殊地區道路重點實驗室，陜西 西安 710064）

1 引言

近年來，中外學者均對凍土路基進行了大量研究，Rober.L.Scher[1]認為多年凍土地區凍脹和融沉作用有可能引起路面、路基的縱向裂縫。李祝龍[2]認為青藏公路病害主要由凍土融化、青藏高原惡劣的氣候條件引起。吳紫汪[3]認為在多年凍土地區修筑路基以后，可能會導致多年凍土上限下降，進而引發路基不均勻變形。汪雙杰等[4]通過研究，認為多年凍土升溫引起了多年凍土上限下降進而導致路基產生病害。目前，大多專家學者只是針對某一時間或單一環境進行研究，而對路基變形的長期發展趨勢研究較少。

多年凍土地區路基不穩定變形是普遍存在的。凍土路基不穩定變形會逐漸發育成路面裂縫、波浪變形等病害，甚至可能會破壞路面結構進而嚴重影響公路的正常通行能力。因此，多年凍土地區公路路基、路面設計中需要對凍土路基的變形進行控制。本文依托近年來青藏公路路基、路面病害的調查資料，針對不同時刻、不同空間狀態下的凍土路基不穩定變形特性進行分析。

2 凍土路基病害調查與分析

本文主要依托近30年對青藏公路格爾木至羊八井段、納赤臺段、五道梁段等的病害調查資料（如圖1 所示），調查結果顯示：①調查路段中路面病害主要為縱向裂縫、松散、坑槽、波浪變形等，路基病害主要為路基沉陷。不同程度的路基沉陷變形會引起路面的坑槽、縱向裂縫等病害，小范圍的路基沉陷變形可能引起路面坑槽，大范圍的路基沉陷變形可能引起路面縱向裂縫。②格爾木至羊八井路段主要為路基沉陷和縱向裂縫，納赤臺段主要為路面松散，五道梁段主要為路基沉陷，安多段主要為路面松散。由此可見，各路段路面、路基病害表現形式不同，其變形程度也有差異。③1990 年調查路段主要病害為路基沉陷，1998 年調查路段主要病害為路基沉陷、縱向裂縫、邊坡滑塌，2005 年調查路段主要病害為縱向裂縫，2010 年調查路段主要病害為路面松散、路基沉陷、路面裂縫，2013 年調查路段主要病害為路基不均勻沉陷和縱向裂縫，2015 年調查路段主要病害為路基沉陷、降雨引起路基坡腳積水。由此可見，各時間段青藏公路凍土路基的病害表現形式也不盡相同。因此，青藏公路路基變形程度、病害表現形式在不同路段、不同時間段表現均有所差別。由于路基內溫度場、水分場橫向、縱向分布的不均勻性導致了路基橫向、縱向變形具有不均勻性。路基橫向變形和縱向變形的不均勻性以及發生時間與路段的不確定性會導致青藏公路路基變形具有不穩定性。綜上，青藏公路凍土路基的變形表現為不穩定變形。

圖1 路面病害圖

3 不穩定變形成因

路基下方多年凍土層在修筑路基以前處于穩定狀態，路基修筑以后破壞了原有的凍土環境，大氣中的熱量通過熱傳導進入凍土內部，造成多年凍土融化，凍土上限下降。公路修筑完成并運營以后，凍土要重新適應周圍環境，形成新的凍結線，路基下部與最大凍結深度線之間會產生融化核，加之在重力和交通荷載長期作用下，路基強度逐漸下降，穩定性逐漸變差，進而導致路基容易產生變形。凍土路基產生不穩定變形的成因有多種，根據相關資料[5]及現象，主要有以下幾方面。

3.1 路基填料及含水率

砂礫填料的壓縮變形比黏粒填料小，當相鄰路段填筑壓縮變形為不同的土體材料時，相應路段的變形量會出現差異，進而導致道路縱向產生波浪變形。另外，土體含水率過大，不僅壓實困難，而且在凍結過程中容易發生凍脹，融化過程中容易產生壓縮變形。因此，相鄰或相近路段含水率有差異時也可造成道路縱向波浪變形。

3.2 施工質量不合格

施工過程中路基土體的壓實度不符合要求也可能引起路基變形。青藏公路改建時，新建路基土體與舊路基土體壓實度存在差異進而引起了路基縱向或橫向變形。路基填土不均勻時，會直接導致路基表面不平整，再加上路基土體本身重力及交通荷載長期作用，導致路基產生縱向或橫向變形。

3.3 季節活動層與多年凍土層厚度

由于水分影響作用，路基變形隨著季節活動層厚度增大而增大。當季節活動層厚度達到一定程度以后，多年凍土層會受其影響發生融化下沉。近年來，地溫由于全球氣候變暖而升高，引起路基下方多年凍土層融化，從而改變季節活動層的厚度，多年凍土層融化以后在自重以及交通荷載作用下會產生融化下沉變形。

3.4 凍土的凍脹與融沉

凍結過程中，當土中的水分多于起始凍脹需水量或者水分補給充足，并且由于路基土中含水量的不均勻性以及水分遷移路徑的差異性，路基土在凍結過程中會形成不均勻的凍脹變形。融化過程中，凍土中已經融化的水分向凍結鋒面遷移并產生飽和土層，表層土中的水分會弱化路基強度，加之在交通荷載長期作用下，被弱化的土層很容易產生變形，進而引起路基變形或其他病害。隨著季節更替，凍土路基發生周期性的凍結與融化，在溫度場和水分場不均勻作用下凍土路基的凍結變形與融化變形呈現不穩定性。

3.5 路線走向

除南北走向以外，其他走向的路線均會存在陰陽坡。陽坡受太陽輻射時間長、強度大，吸收的太陽輻射量比陰坡多，使陽坡的溫度比陰坡高。凍土的很多特性如強度、應力等都與溫度有很大關系，因此陰陽坡的溫差會使兩側的路肩產生不同程度的變形，從而造成路基橫斷面變形。青藏公路從格爾木至拉薩方向的路基總體走向為北偏東22.5°，路基左側為陽坡，右側為陰坡，根據以上分析，路基溫度場存在不對稱，加之在交通荷載作用下路基橫斷面左右兩側的路基變形也存在差異。

綜上分析，凍土路基產生不穩定變形的成因有路基填料及含水率、施工質量不合格、季節活動層與多年凍土層厚度、凍土的凍脹與融沉、路線走向等。結合青藏公路路基的實際情況，路基填料及含水率、施工質量、路線走向在設計、施工過程中可以得到控制，而凍土路基的凍脹與融沉、季節活動層與多年凍土層厚度變化是客觀存在并且是引起路基不穩定變形的主要原因，后期研究應主要針對凍脹與融沉進行分析。

4 不穩定變形影響因素

凍土路基不穩定變形的主要影響因素為青藏高原惡劣的氣候條件以及多年凍土本身的內在因素，另外，道路結構形式以及交通荷載作用也是影響凍土路基不穩定變形的外在因素。

4.1 凍土本身

凍土自身條件主要包括多年凍土類型、多年凍土天然上限、地下冰類型及含量、凍土土質、多年凍土年平均地溫、季節活動層厚度等。青藏公路的多年凍土類型因不同的路段而異，多年凍土在修筑公路過程中會發生一系列改變。多年凍土天然上限因全球氣候變暖而下降，導致凍土層厚度減小，凍土抵抗外界的干擾能力降低。多年凍土路基的含冰量在平面和垂直方向的分布均呈現不均勻性，容易導致路基在凍結和融化過程中產生不均勻性。青藏公路沿線大多為砂礫土，也有少量紅黏土，各種土質類型有不同的顆粒組成、也包括礦物成分等，相應的熱容量、導熱系數、相變潛熱及導濕系數等參數也有所差別。多年凍土年平均地溫升高主要是影響路基下方多年凍土上限變化，進而增加了路基發生不穩定變形的可能性。季節活動層受水分影響后的可變形性隨厚度增加而變大，從而影響多年凍土層的狀態。上述各因素的變化直接影響凍土本身的狀態，凍土狀態發生變化以后對凍土路基也會產生一定的影響，進而在一定程度上影響路基的不穩定變形。

4.2 氣候條件

氣候條件主要包括氣溫、太陽輻射、風速、降雨、蒸發等。氣溫隨海拔增高而降低，氣溫變化將導致年平均地溫、多年凍土上限等發生變化。青藏高原的日照時間較長，空氣稀薄，太陽輻射量相對較大，比同緯度其他地區高50%[6]。風速主要影響對流換熱系數以及水分蒸發條件，進而造成凍土路基的溫度場與水分場的差異。大氣降水通過各種途徑滲入到路基內部以后增大原有土體含水率，改變凍土原始狀態。青藏高原的降水季節分配極不均勻，每年6月～9月是降雨量較大的季節，一般可占年降水量90%以上[6]。青藏高原的氣候因素直接影響凍土原始狀態，進而對路基的溫度場和水分場產生影響，在一定程度上影響路基不穩定變形。

4.3 道路結構形式

根據有關專家研究[7，8]，零填和低填路堤都不可避免路基下方多年凍土上限的下降，且凍土路基內積累的熱量隨著路基寬度的增加而增大，而路基內積累的熱量在使多年凍土上限下降的同時也會使多年凍土地區的年平均地溫升高，同時也會影響路基內的溫度場，通過溫度場影響路基不穩定變形。路基高度與寬度不同，路基內積累的熱量、對多年凍土上限和年平均地溫的影響、對路基溫度場的影響都有不同程度的差別，進而對路基不穩定變形產生不同程度的影響。根據地溫觀測的結果，多年凍土地區鋪筑瀝青混凝土路面以后，土體溫度的年差增大，從而導致多年凍土層吸收的熱量大于釋放的熱量，引起多年凍土升溫甚至融化，通過影響路基的溫度場和水分場間接影響路基的不穩定變形。因此，路基的斷面尺寸和路面特性均對路基不穩定變形有一定影響。

4.4 交通荷載

青藏公路行駛的車輛以載重車居多，且經常伴隨著超載。在融化季節，路基內凍土融化產生水分使土體含水率增加、模量減小，在交通荷載作用下會產生變形，再加上土體自重作用，變形將會更大。而路基內凍土融化產生的水分和交通荷載作用的差異性會導致路基變形產生不同程度的差別。

綜上分析，影響路基不穩定變形的因素有多年凍土類型、多年凍土天然上限、氣溫、太陽輻射、風速、路基高度與寬度、交通荷載等，這些因素通過相互疊加、共同作用影響路基的溫度場和水分場，間接對路基不穩定變形造成影響。結合青藏高原實際特點，道路結構形式和交通荷載作用都是可控因素，凍土本身條件及惡劣的氣候條件是客觀存在并且還是影響路基不穩定變形的主要因素，凍土本身的各種性質決定了路基不穩定變形影響因素的多樣性。

5 結語

本文對凍土路基不穩定變形國內外研究成果進行了總結分析，目前大多是針對單一因素對凍土路基變形的影響進行研究，對同時考慮時間和空間因素的路基變形研究較少，文章以青藏公路為依托，對凍土路基的病害分時間、分路段進行現場調研并整理分析調查結果，進一步分析不穩定變形的成因和影響因素，得出如下結論：

①由多年凍土凍脹與融沉引起的路基變形，在路基橫向和縱向均表現出一定程度的不均性，結合路基變形發生的時間與路段的不確定性使路基變形表現為不穩定變形。凍土路基的不穩定變形不僅與時間有關，還與空間效應密不可分。

②結合青藏公路路基的實際情況，分析路基不穩定變形產生的主要原因是凍土的凍脹與融沉。多年凍土地區公路路基設計過程中，應根據路基當時當地的狀態對凍土的凍脹與融沉進行量化分析，以便采取相關措施減少凍脹與融沉引起的路基不穩定變形。

③結合青藏高原的特點，凍土本身條件及惡劣的氣候條件是影響路基不穩定變形的主要因素，凍土本身的性質決定了路基不穩定變形影響因素的多樣化。多年凍土地區公路路基施工過程中，應根據施工時凍土狀態和氣候實際變化情況采取相應的保護措施，減少因施工質量問題導致的路基不穩定變形。