坡脚积水对多年冻土路基横向变形的影响分析

陈晓

多年冻土是指冻结状态持续两年及以上的冻土，仅有表层呈现冷季冻结、暖季融化。由于其具有很高的温度敏感性和随着时间变化的动态力学特性，加上全球气候变暖和人类活动的加剧，多年冻土地区公路修筑一直被视为世界难题。公路路基病害主要由多年冻土融沉引起，表现为严重的不均匀沉降变形和纵向裂缝，其中纵向开裂占总病害路段的60%以上。调查结果显示：大规模的纵向裂缝多数发生在路基坡脚有积水的路段，因此研究坡脚积水对多年冻土地区路基横向变形的影响是非常有必要的。

目前的研究主要基于数值模拟、现场监测等方法，分析多年冻土变化与路基稳定性的定性关系，定量的预报研究较少。穆彦虎调查发现青藏公路路基严重纵向裂缝主要分布于路基阳坡边坡或路肩靠近行车道位置；王威娜基于季节冻土地区路基温度场的数值模拟，指出路基边坡及阴坡顶部在冻结和融化过程中易产生张拉破坏；李金平通过对漠北公路的分层监测，得出多年冻土路基横向变形主要发生在暖季，前、后期变形分别由于季节活动层的压缩变形和多年冻土上限下移引起；周丽娟基于季节性冻土地区路基的温度场控制方程，建立了季节冰冻路基模型，计算分析了路侧积水对路中、路肩温度场的影响；刘恒柏依据青藏铁路多年冻土区排水不良路段和路基本体病害的检测，研究了二者之间的关系，但是地面排水不畅对路基稳定性的影响有多大并未展开研究。

本文依托青藏公路和青康公路沿线的气候条件、冻土特征和路基路面情况，数值计算不同积水深度在流固耦合作用下路基路面的横向变形，分析积水深度对道路纵向裂缝的影响，为多年冻土地区公路的排水设计和水毁防治提供参考。

一、 工程概况

具有“世界屋脊”之称的青藏高原，约占我国国土面积的1/4，高寒缺氧、生态脆弱和多年冻土是高海拔地区公路建设面临的三大难题。青康公路是我国在高寒高海拔地区沥青路面的首次尝试，青藏公路是穿越连续多年冻土范围最广（约550km）的公路，本文以这两条路作为重点分析对象。

根据现场调查可知，青藏高原年平均气温0℃以下，极端低温可达到-48℃；降水量小，格尔木年降雨量仅30mm，蒸发量却在1000mm以上；风大且频繁，最大风速达33m/s；气候多变，四季不分明。这些特点造成热拌沥青混合料施工过程中的温度损失快，沥青混凝土碾压成型困难；水泥稳定类材料水分蒸发极易造成材料表面形成干缩裂缝，保温保湿养生难度很大；沥青路面老化现象严重等不良影响。

多年冻土主要分布于海拔超过4500m以上地区，其厚度具有明显的垂直地带性。青藏公路多年冻土从西大滩盆地到安多，青康公路沿线多年冻土以山岭为中心，向河谷方向依次为连续冻土、不连续冻土、岛状冻土和季节冻土。多年冻土上限的下移是导致路基热融沉陷和纵向裂缝的主要原因。随着近年来全球气候变暖和人类工程活动的加剧，多年冻土处于不断退化过程中。多年冻土上限的下移是导致路基热融沉陷和纵向裂缝的主要原因，高温高含冰冻土对温度变化的敏感度更高。

青藏高原生态环境极其脆弱且对工程活动和气候变化影响反应敏感，一旦破坏极难恢复。清除表层土、就近取土路基填筑以及路堑修筑开挖边坡等会打破多年冻土的生存环境，青藏公路沿线特别是高温高含冰冻土路段，出现大量的热融湖塘。湖塘强烈的侧向水热侵蚀可能导致路基一侧季节融化深度增加，进而引起路基的不均匀沉降变形，严重时可导致路基一侧出现热融滑塌等病害。

二、青藏高原典型路段纵向裂缝

1. 纵向裂缝发育特征

脆弱的多年冻土生长环境致使高原上沉陷、波浪变形、纵向裂缝等路基病害广泛发育，青藏公路又被称为“公路病害的博物馆”，且各种病害的发展速度和严重程度较平原区有过之无不及。目前纵向裂缝占青藏公路路基病害的60%以上，大规模的纵向裂缝严重影响车辆的通行，已然形成道路灾害。

多年冻土地区纵向裂缝发育具有如下特点：裂缝形状不规则，宽度可达10～30cm，深度最大超过2.5m，单条纵向裂缝长度最大达上百米，断续可延伸500～600m；路基一侧或者两侧有积水的地方，边坡和路肩靠近行车道位置被大规模拉裂且伴随着路面沉陷。

2. 坡脚积水的来源

多年冻土地区由于路基路面 “宽幅效应”的存在，高等级公路建设除了人口密集地区均采用分离式路基。路基本体之间便形成天然的汇水区域，路侧积水面积和深度均比较大，且积水难以排除。此外，由于全球气候变暖和人类工程活动的加剧，多年冻土一直处于不断退化的过程中，特别是高温高含冰冻土路段，融化的多年冻土从地表的薄弱面流出形成积水。

3. 纵向裂缝成因分析

多年冻土路段路基坡脚积水通过渗透进入路基土中。一方面，浸泡作用降低了路基承载能力；另一方面，水分迁移至路基本体作为热源融化多年冻土，在车辆荷载的作用下，路基本体局部下沉，纵向裂缝伴随产生。如果多年冻土融化的冰水不能通过季节活动层顺利排出，纵向裂缝的发育将会更加迅速。由此可见，路侧积水是导致纵向裂缝产生和发展的一个重要原因。从这个角度讲，合理地设置排水系统对保持多年冻土地区路基的稳定非常重要。

三、 测试路段模拟

由美国ITASCA公司开发的FLAC3D软件能够实现路基路面三维结构的塑性变形计算，能够在短期内预测各种工程环境下道路的破坏发展规律。本文运用此软件模拟路基路面在相同的温度条件下，不同的积水深度对道路的横向变形影响。

1.数值模拟方案

（1）路基路面模型

根据青藏公路和青康公路已有路面结构，结合地区重载交通情况，本文采用9cm沥青混凝土面层+18cm水泥稳定碎石基层+18cm水泥稳定砂砾底基层+20cm级配砂砾垫层。

结合青藏地区路基路面典型结构形式建立路基路面整体模型，从上至下建立的路基路面整体模型依次为：2m砂砾土填筑路基，3m的含砾亚粘土为季节活动层，17m的强风化泥岩为多年冻土层。本文仅研究路侧积水对路基路面横向变形的影响，故采用靠近积水的一半进行计算，计算宽度边界取距离路基本体25m处。路基路面结构计算模型如图1所示。

图1 路基路面结构计算模型图（单位为m）

（2）加载和边界条件

青藏高原上雨热同期，根据实地调研情况，9月份路基处于饱水状态，沉陷、裂缝等病害发育最为频繁。本文主要是分析路侧积水对路基横向变形的影响，设置多年冻土上限和下限温度分别为0℃和-2.0℃，模型的最右侧视为绝热边界。并将多年冻土层和沥青混凝土面层设置为不透水层。将路侧积水深度分别设置为0cm、10cm、30cm和50cm，水压力沿着深度方向呈现线性分布，进行路基路面的流固耦合计算。

由于本模拟仅关注路基的横向变形，为了简化计算，在模型的y、z方向上施加约束，只允许在x方向上发生位移。

（3）本构模型

根据各结构层的材料设置，确定路基路面的本构模型为：地基、路基填土、垫层为摩尔─库仑模型；其余路面结构层为各向同性弹性模型。

2.模拟结果分析

图2 不同积水深度路基横向位移云图

由图2不同积水深度路基横向位移云图可知：

（1）无水状态路基横向位移小于0.15mm，可以忽略不计，路侧有积水时横向变形发生明显，且随着积水深度的增加而增大。10cm、30cm和50cm积水深度路基横向位移最大分别约为2.5cm、4.6cm和6.7cm，横向变形最大均发生在坡脚位置附近。路基横向位移近似以坡脚位置为中心，向外逐渐减小，说明该区横向变形的发生主要由路基边坡失稳导致。

（2）随着积水深度的增加，路基下部和季节活动层横向变形增大，而路表和路基顶部位移很小，且不随着水深变化产生大的改变。这说明水分迁移主要存在于季节性冻土层和下部分路基填土中，纵向裂缝的发生发展是一个自下而上的过程。

（3）横向变形随着距道路中心线距离的增加而增大，这与现场观测到的现象：纵向裂缝在水积路面侧端部广泛发育且裂缝宽度大相吻合。同时说明了路基路面在水-力耦合作用下，路基边坡和路面边缘附近容易被拉裂。

图3 不同积水深度的横向变形

由图3相同观测位置不同积水深度情况下的横向变形量可知：

（1）路表（22.65m）和路基顶部（22m）在重力和水压力的综合作用下向道路中心产生压缩变形，路表和路基顶部横向变形最大分别为2.119mm和3.371mm。

（2）季节冻土顶部（20m）的横向变形均随着坡脚积水深度的增加而明显增大，10cm、30cm和50cm水深作用下该层的横向变形最大值分别为2.2705cm、4.1555 cm、6.4284 cm，最大位移发生在距离坡脚约0.5m处。

（3）季节冻土层顶部10cm、30cm和50cm水深的横向变形曲线差异显著， 50cm水深相较于10cm流固耦合的横向变形约增加2-3倍。结合横向位移云图可证明积水是纵向裂缝发育的一个重要原因。

四、结语

1.结合青藏公路和青康公路沿线的气候条件、多年冻土分布特征和生态环境，分析高海拔地区公路建设的制约因素。

2.通过调查青藏公路和青康公路沿线纵向裂缝，总结纵向裂缝的发育特点，并初步指出路侧积水是其发育的一个重要因素。

3.运用FLAC3D数值模拟软件，计算得出路基的横向变形主要发生在季节性冻土层和路基下部填土内，坡脚积水的深度对于路基横向变形影响显著。