基于多年冻土条件下公路路基不稳定变形特性分析

柳 波，支喜兰

（1.山西省投资咨询和发展规划院，山西 太原 030009；2.长安大学教育部特殊地区道路重点实验室，陕西 西安 710064）

1 引言

近年来，中外学者均对冻土路基进行了大量研究，Rober.L.Scher[1]认为多年冻土地区冻胀和融沉作用有可能引起路面、路基的纵向裂缝。李祝龙[2]认为青藏公路病害主要由冻土融化、青藏高原恶劣的气候条件引起。吴紫汪[3]认为在多年冻土地区修筑路基以后，可能会导致多年冻土上限下降，进而引发路基不均匀变形。汪双杰等[4]通过研究，认为多年冻土升温引起了多年冻土上限下降进而导致路基产生病害。目前，大多专家学者只是针对某一时间或单一环境进行研究，而对路基变形的长期发展趋势研究较少。

多年冻土地区路基不稳定变形是普遍存在的。冻土路基不稳定变形会逐渐发育成路面裂缝、波浪变形等病害，甚至可能会破坏路面结构进而严重影响公路的正常通行能力。因此，多年冻土地区公路路基、路面设计中需要对冻土路基的变形进行控制。本文依托近年来青藏公路路基、路面病害的调查资料，针对不同时刻、不同空间状态下的冻土路基不稳定变形特性进行分析。

2 冻土路基病害调查与分析

本文主要依托近30年对青藏公路格尔木至羊八井段、纳赤台段、五道梁段等的病害调查资料（如图1 所示），调查结果显示：①调查路段中路面病害主要为纵向裂缝、松散、坑槽、波浪变形等，路基病害主要为路基沉陷。不同程度的路基沉陷变形会引起路面的坑槽、纵向裂缝等病害，小范围的路基沉陷变形可能引起路面坑槽，大范围的路基沉陷变形可能引起路面纵向裂缝。②格尔木至羊八井路段主要为路基沉陷和纵向裂缝，纳赤台段主要为路面松散，五道梁段主要为路基沉陷，安多段主要为路面松散。由此可见，各路段路面、路基病害表现形式不同，其变形程度也有差异。③1990 年调查路段主要病害为路基沉陷，1998 年调查路段主要病害为路基沉陷、纵向裂缝、边坡滑塌，2005 年调查路段主要病害为纵向裂缝，2010 年调查路段主要病害为路面松散、路基沉陷、路面裂缝，2013 年调查路段主要病害为路基不均匀沉陷和纵向裂缝，2015 年调查路段主要病害为路基沉陷、降雨引起路基坡脚积水。由此可见，各时间段青藏公路冻土路基的病害表现形式也不尽相同。因此，青藏公路路基变形程度、病害表现形式在不同路段、不同时间段表现均有所差别。由于路基内温度场、水分场横向、纵向分布的不均匀性导致了路基横向、纵向变形具有不均匀性。路基横向变形和纵向变形的不均匀性以及发生时间与路段的不确定性会导致青藏公路路基变形具有不稳定性。综上，青藏公路冻土路基的变形表现为不稳定变形。

图1 路面病害图

3 不稳定变形成因

路基下方多年冻土层在修筑路基以前处于稳定状态，路基修筑以后破坏了原有的冻土环境，大气中的热量通过热传导进入冻土内部，造成多年冻土融化，冻土上限下降。公路修筑完成并运营以后，冻土要重新适应周围环境，形成新的冻结线，路基下部与最大冻结深度线之间会产生融化核，加之在重力和交通荷载长期作用下，路基强度逐渐下降，稳定性逐渐变差，进而导致路基容易产生变形。冻土路基产生不稳定变形的成因有多种，根据相关资料[5]及现象，主要有以下几方面。

3.1 路基填料及含水率

砂砾填料的压缩变形比黏粒填料小，当相邻路段填筑压缩变形为不同的土体材料时，相应路段的变形量会出现差异，进而导致道路纵向产生波浪变形。另外，土体含水率过大，不仅压实困难，而且在冻结过程中容易发生冻胀，融化过程中容易产生压缩变形。因此，相邻或相近路段含水率有差异时也可造成道路纵向波浪变形。

3.2 施工质量不合格

施工过程中路基土体的压实度不符合要求也可能引起路基变形。青藏公路改建时，新建路基土体与旧路基土体压实度存在差异进而引起了路基纵向或横向变形。路基填土不均匀时，会直接导致路基表面不平整，再加上路基土体本身重力及交通荷载长期作用，导致路基产生纵向或横向变形。

3.3 季节活动层与多年冻土层厚度

由于水分影响作用，路基变形随着季节活动层厚度增大而增大。当季节活动层厚度达到一定程度以后，多年冻土层会受其影响发生融化下沉。近年来，地温由于全球气候变暖而升高，引起路基下方多年冻土层融化，从而改变季节活动层的厚度，多年冻土层融化以后在自重以及交通荷载作用下会产生融化下沉变形。

3.4 冻土的冻胀与融沉

冻结过程中，当土中的水分多于起始冻胀需水量或者水分补给充足，并且由于路基土中含水量的不均匀性以及水分迁移路径的差异性，路基土在冻结过程中会形成不均匀的冻胀变形。融化过程中，冻土中已经融化的水分向冻结锋面迁移并产生饱和土层，表层土中的水分会弱化路基强度，加之在交通荷载长期作用下，被弱化的土层很容易产生变形，进而引起路基变形或其他病害。随着季节更替，冻土路基发生周期性的冻结与融化，在温度场和水分场不均匀作用下冻土路基的冻结变形与融化变形呈现不稳定性。

3.5 路线走向

除南北走向以外，其他走向的路线均会存在阴阳坡。阳坡受太阳辐射时间长、强度大，吸收的太阳辐射量比阴坡多，使阳坡的温度比阴坡高。冻土的很多特性如强度、应力等都与温度有很大关系，因此阴阳坡的温差会使两侧的路肩产生不同程度的变形，从而造成路基横断面变形。青藏公路从格尔木至拉萨方向的路基总体走向为北偏东22.5°，路基左侧为阳坡，右侧为阴坡，根据以上分析，路基温度场存在不对称，加之在交通荷载作用下路基横断面左右两侧的路基变形也存在差异。

综上分析，冻土路基产生不稳定变形的成因有路基填料及含水率、施工质量不合格、季节活动层与多年冻土层厚度、冻土的冻胀与融沉、路线走向等。结合青藏公路路基的实际情况，路基填料及含水率、施工质量、路线走向在设计、施工过程中可以得到控制，而冻土路基的冻胀与融沉、季节活动层与多年冻土层厚度变化是客观存在并且是引起路基不稳定变形的主要原因，后期研究应主要针对冻胀与融沉进行分析。

4 不稳定变形影响因素

冻土路基不稳定变形的主要影响因素为青藏高原恶劣的气候条件以及多年冻土本身的内在因素，另外，道路结构形式以及交通荷载作用也是影响冻土路基不稳定变形的外在因素。

4.1 冻土本身

冻土自身条件主要包括多年冻土类型、多年冻土天然上限、地下冰类型及含量、冻土土质、多年冻土年平均地温、季节活动层厚度等。青藏公路的多年冻土类型因不同的路段而异，多年冻土在修筑公路过程中会发生一系列改变。多年冻土天然上限因全球气候变暖而下降，导致冻土层厚度减小，冻土抵抗外界的干扰能力降低。多年冻土路基的含冰量在平面和垂直方向的分布均呈现不均匀性，容易导致路基在冻结和融化过程中产生不均匀性。青藏公路沿线大多为砂砾土，也有少量红黏土，各种土质类型有不同的颗粒组成、也包括矿物成分等，相应的热容量、导热系数、相变潜热及导湿系数等参数也有所差别。多年冻土年平均地温升高主要是影响路基下方多年冻土上限变化，进而增加了路基发生不稳定变形的可能性。季节活动层受水分影响后的可变形性随厚度增加而变大，从而影响多年冻土层的状态。上述各因素的变化直接影响冻土本身的状态，冻土状态发生变化以后对冻土路基也会产生一定的影响，进而在一定程度上影响路基的不稳定变形。

4.2 气候条件

气候条件主要包括气温、太阳辐射、风速、降雨、蒸发等。气温随海拔增高而降低，气温变化将导致年平均地温、多年冻土上限等发生变化。青藏高原的日照时间较长，空气稀薄，太阳辐射量相对较大，比同纬度其他地区高50%[6]。风速主要影响对流换热系数以及水分蒸发条件，进而造成冻土路基的温度场与水分场的差异。大气降水通过各种途径渗入到路基内部以后增大原有土体含水率，改变冻土原始状态。青藏高原的降水季节分配极不均匀，每年6月～9月是降雨量较大的季节，一般可占年降水量90%以上[6]。青藏高原的气候因素直接影响冻土原始状态，进而对路基的温度场和水分场产生影响，在一定程度上影响路基不稳定变形。

4.3 道路结构形式

根据有关专家研究[7，8]，零填和低填路堤都不可避免路基下方多年冻土上限的下降，且冻土路基内积累的热量随着路基宽度的增加而增大，而路基内积累的热量在使多年冻土上限下降的同时也会使多年冻土地区的年平均地温升高，同时也会影响路基内的温度场，通过温度场影响路基不稳定变形。路基高度与宽度不同，路基内积累的热量、对多年冻土上限和年平均地温的影响、对路基温度场的影响都有不同程度的差别，进而对路基不稳定变形产生不同程度的影响。根据地温观测的结果，多年冻土地区铺筑沥青混凝土路面以后，土体温度的年差增大，从而导致多年冻土层吸收的热量大于释放的热量，引起多年冻土升温甚至融化，通过影响路基的温度场和水分场间接影响路基的不稳定变形。因此，路基的断面尺寸和路面特性均对路基不稳定变形有一定影响。

4.4 交通荷载

青藏公路行驶的车辆以载重车居多，且经常伴随着超载。在融化季节，路基内冻土融化产生水分使土体含水率增加、模量减小，在交通荷载作用下会产生变形，再加上土体自重作用，变形将会更大。而路基内冻土融化产生的水分和交通荷载作用的差异性会导致路基变形产生不同程度的差别。

综上分析，影响路基不稳定变形的因素有多年冻土类型、多年冻土天然上限、气温、太阳辐射、风速、路基高度与宽度、交通荷载等，这些因素通过相互叠加、共同作用影响路基的温度场和水分场，间接对路基不稳定变形造成影响。结合青藏高原实际特点，道路结构形式和交通荷载作用都是可控因素，冻土本身条件及恶劣的气候条件是客观存在并且还是影响路基不稳定变形的主要因素，冻土本身的各种性质决定了路基不稳定变形影响因素的多样性。

5 结语

本文对冻土路基不稳定变形国内外研究成果进行了总结分析，目前大多是针对单一因素对冻土路基变形的影响进行研究，对同时考虑时间和空间因素的路基变形研究较少，文章以青藏公路为依托，对冻土路基的病害分时间、分路段进行现场调研并整理分析调查结果，进一步分析不稳定变形的成因和影响因素，得出如下结论：

①由多年冻土冻胀与融沉引起的路基变形，在路基横向和纵向均表现出一定程度的不均性，结合路基变形发生的时间与路段的不确定性使路基变形表现为不稳定变形。冻土路基的不稳定变形不仅与时间有关，还与空间效应密不可分。

②结合青藏公路路基的实际情况，分析路基不稳定变形产生的主要原因是冻土的冻胀与融沉。多年冻土地区公路路基设计过程中，应根据路基当时当地的状态对冻土的冻胀与融沉进行量化分析，以便采取相关措施减少冻胀与融沉引起的路基不稳定变形。

③结合青藏高原的特点，冻土本身条件及恶劣的气候条件是影响路基不稳定变形的主要因素，冻土本身的性质决定了路基不稳定变形影响因素的多样化。多年冻土地区公路路基施工过程中，应根据施工时冻土状态和气候实际变化情况采取相应的保护措施，减少因施工质量问题导致的路基不稳定变形。