多年冻土路基不均匀变形成因范文

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《中国公路学报》2015年第十二期

摘要：

为了给多年冻土区公路路基病害的防治和冻土路基的设计、施工与养护提供参考，以漠北公路工程为依托，通过理论分析和现场监测对多年冻土区路基不均匀变形状况及成因进行了分析，并得出路基内部不均匀变形随时间的发展规律，探讨了路基不均匀变形的成因。结果表明：多年冻土区高等级宽幅路基横、纵向均存在明显的不均匀沉降变形，变形主要发生在暖季，而在冷季基本保持稳定；在运营初期，路基变形整体上随运营时间的增加呈缓慢增加的趋势，早期路基变形主要为路基下原天然季节活动层压缩变形，且以整体变形为主；随着运营时间的增加，路基工程活动对其下部多年冻土的影响开始逐渐显现，部分路段（尤其是高温多年冻土路段）多年冻土层开始出现不均匀融化，从而导致路基不均匀融化下沉加剧。

关键词：

道路工程；冻土路基；分层沉降监测；不均匀变形；变形成因

中国是世界第三冻土大国，多年冻土区总面积占中国国土面积的22．4％［1］。多年冻土是一种特殊土体，由于其地质特性和热敏感性，导致多年冻土区道路工程病害与一般地区不同，其病害形式主要为与热稳定性相关的热融下沉、边坡滑塌等道路变形病害，不均匀变形破坏是其最主要病害形式。早期多年冻土区道路工程病害稳定性监测主要以路基热稳定性（温度）监测为主，随着对多年冻土路基病害机理研究的不断深入及监测技术的发展，研究者逐渐开始意识到对多年冻土变形等因子监测的重要性，并开始在青藏公路、G214公路等沿线布设水准点开展冻土路基变形破坏研究［2－8］，但由于多年冻土区特殊的自然地理环境等客观条件的限制，多年冻土区公路路基变形研究及监测仍以常规地表变形测量为主。由于采用水准仪等常规地表测量方法获得的观测数据只能反映路基路面表层变形情况，不能揭示路面下冻土路基内部的具体变形状况和变形机理，因此，多年冻土区路基不均匀变形破坏内部成因仍有待进一步分析和研究。近年来，随着变形监测技术的不断发展，分层沉降监测技术的应用使得多年冻土路基变形状况及破坏成因的研究取得了重大进展［9］，其监测结果不仅能反映路面表层变形情况，还可以深层次地反映路面下各层土体的变形情况，揭示路面表层变形与路面下路基各层土体变形的关系，探明多年冻土路基路面变形状况及破坏成因。本文以漠北公路为依托，并对采用一般常规地表测量和分层沉降自动监测技术等手段获得的变形监测结果进行分析，剖析多年冻土区路基不均匀变形状况及变形成因，以期对多年冻土区公路路基病害的防治和冻土路基的设计、施工与养护等提供科学依据。

1漠北公路沿线气候和冻土特征

1．1气候特征漠北公路是中国最北部的一条多年冻土区高等级公路，沿线区域属于寒温带大陆性季风气候，年平均气温约－3．9℃，极端最低气温－53．3℃，极端最高气温38℃；冬季漫长而寒冷，有霜期从9月上旬至翌年5月下旬，冰冻期可长达8个月之久，全年平均积雪期为165～175d；夏季温暖而短促，雨季集中在6月下旬至7月中旬，占全年降水量的75％左右，这在一定程度上抑制了该区气温升高，正因为如此，造成该区年平均气温较低，这也成为该区域多年冻土得以保存和发育的基本条件。全球气候变暖加剧了该区域多年冻土的退化。根据漠河气象站观测资料分析，漠河20世纪60年代到21世纪初期，1月份月平均气温由－33．7℃升高到约－28℃；7月份的月平均气温基本保持不变，反映出冻土在冷季回冻不足，促使冻土温度升高的趋势。多年冻土温度升高、冻土退化，给公路沿线冻土路基的稳定性造成了一定影响。

1．2冻土特征漠北公路沿线多年冻土主要分布在低洼沟谷的沼泽化湿地以及河谷阶地背阴地带。冻土分布及含冰量状况较为复杂多样，冻土类型主要以多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土为主，既有高温极不稳定多年冻土，又有低温稳定多年冻土。沿线冻土地质勘察结果表明：地基主要以腐殖土、粉质黏土、含砾粉质黏土、全风化砾岩等为主。典型土层结构基本为表层0．3～0．5m的草皮腐殖土，其下为2．0～6．0m厚的粉质黏土、含砾粉质黏土或级配不良中粗砂，6m以下大多为全风化或强风化砂砾岩。在地基各层土体中，表层草皮腐殖土具有高压缩性，整体上地层中上部土体融沉性强，因此，在该区域修筑的道路工程路基极易发生不均匀融沉变形破坏。

2冻土路基不均匀变形理论

研究表明［10］，多年冻土的沉降变形主要包括路基和季节活动层土体压缩变形、多年冻土层的融化变形以及多年冻土的蠕变变形。

2．1季节活动层土体的压缩性路基土体经过冻结作用后，土体中孔隙度比冻结前大很多。冻土融化时，在自重荷载作用下，融化的水被挤出使土颗粒增密，压缩性明显增大。试验也证明［11］，未冻结过的土体和冻土融化时的压缩曲线存在明显差异，融化过程中孔隙比的变化量最大，即使在自重荷载作用下，冻土融化过程中也会产生很大的沉降量。因此，除了多年冻土层的融化变形和蠕变外，多年冻土路基季节活动层土体在反复冻融作用下也将会产生较大的沉降变形。

2．2冻土融化层的压缩性大多数情况下，冻土融化后，压缩性都比较大。整体状构造的冻土，融化时压缩性较小。层状和网状构造的冻土融化时的压缩性很高，经常有明显的沉降，以致出现突陷现象。土体冻结使其构造发生急剧的变化，融化后不仅影响其压缩性，对其渗透性也有显著影响。崔托维奇［11］的试验证明：粉质黏土冻结融化后的土体压缩速度增加7～10倍。

2．3冻土融沉变形的影响因素评价冻土融沉的一个非常重要的指标是冻土含冰程度，即冻土体积含冰量。体积含冰量与土体的组合关系构成冻土的冷生构造，决定了冻土的融化压缩沉降量。试验表明［12］冻土的融沉系数主要取决于冻土的含水量及密度。（1）含水（冰）量在冻土融化过程中，冰转变为水，土体在自重作用下排水，土颗粒发生相对位移。试验表明［11］：冻结黏性土的含水量小于等于塑限含水量时，融化过程中将出现微小的膨胀性；当超过塑限含水量后，融化时就会产生融沉。从工程角度考虑，融沉系数在0％～1％范围内，地基土产生的微弱变形将不至于引起工程构筑物的变形破坏，超过该范围就可能引起变形破坏，其对应这个界限的冻土含水量称为起始融沉含水量。一般情况下，黏性土的起始融沉含水量接近且略大于其塑限含水量。不论是粗颗粒冻土、细颗粒冻土，还是冻结泥炭土，其融沉系数均随其含水量的增加而增大。由此可知，引起冻土融化下沉的含水量是超出起始融沉含水量的部分，即冻土的总含水量与起始融沉含水量的差值。（2）干密度冻土的融沉实质上是冻土融化过程中土体孔隙缩小所致。如果没有冰的扩胀作用，冻融过程不会引起土体结构的变化。当土体的孔隙比小于某个数值时，冻土融化过程不出现下沉现象，或者融沉系数小于1％，此时的土体密度为最佳密度，称为起始融沉干密度。试验表明［12］：当冻土的干密度小于最佳密度时，冻土融沉系数随其干密度的减小而逐渐增大。（3）土颗粒组分土体固体颗粒组分对冻土融沉系数的主要影响是引起不同颗粒组分土体在冻结过程中的水分迁移能力变化。细颗粒土的水分迁移强烈，特别是粉质土、粉质黏土等，可以产生不同厚度的冰包裹体，形成层状冻土构造，融化时可以出现较大的融沉系数。在相同的有效融沉含水量下，粉质黏土的融沉系数最大，其次是重黏土，砾石土最弱。粗颗粒土水分迁移能力取决于粉黏粒含量，在饱水条件下，粗颗粒土融沉系数随着粉黏粒含量的增加而增大。当粉黏粒含量（质量分数，后文同）小于12％时，融沉系数的增大较缓慢，一般不超过4％。当粉黏粒含量大于12％时，融沉系数急剧增大。

3冻土路基不均匀变形监测

为研究多年冻土路基不均匀变形状况，以漠北公路工程（路基宽度21．5m）为依托，综合考虑路基不均匀变形影响因素，选取典型试验路段，分别采用常规水准地表测量与分层沉降变形监测的方法对沿线冻土路基不均匀沉降变形状况及变形破坏成因进行分析。

3．1冻土路基变形监测方案为研究多年冻土区高等级公路路基变形特征及宽幅路基变形破坏成因，揭示冻土退化对冻土路基稳定性的影响程度等，综合考虑公路沿线多年冻土含冰状况、土层地质岩性、路基结构、工程措施等因素，选取漠北公路K6＋200，K24＋625，K32＋100断面及附近路段作为路基变形试验监测路段，各路基监测路段概况见表1。综合考虑路基高度、多年冻土上限、土层岩性分层情况，制定各监测断面分层沉降变形监测方案，具体如下：（1）K6＋200分层沉降变形监测方案图1为K6＋200分层沉降变形监测孔布设示意，分路中、左路肩、右路肩、右行车道路中、左坡脚共5个沉降测量孔（左、右以公路小桩号往大桩号方向设定，下同）。其中路肩孔、路中孔深10m，前4m路基填土每2m埋设1个测沉降变形感应器，4m以下每米埋设1个；坡脚孔深5m，每米埋设1个沉降变形感应器。（2）K24＋625分层沉降变形监测方案图2为K24＋625分层沉降变形监测孔布设，分路中、左路肩、右路肩、右行车道路中、右坡脚共5个沉降测量孔。其中路肩孔、路中孔深7m，前2m路基填土每2m埋设1个测沉降变形感应器，2m以下每米埋设1个；坡脚孔深5m，每米埋设1个沉降变形感应器。（3）K32＋100分层沉降变形监测方案图3为K32＋100断面的分层沉降变形监测孔布设示意，分路中、左路肩、右路肩、左行车道路中、右行车道路中、右坡脚共6个沉降测量孔。其中路肩孔、路中孔深6m，坡脚孔深4m，均为每2m布设1个沉降变形感应器。

3．2变形结果分析

3．2．1K6＋200断面图4为漠北公路多年冻土路段K6＋200附近2011年11月采用常规水准仪测得的路基顶面不同部位的变形状况（与设计标高的差值，下同）。由图4可知：各监测路段路基均发生了明显的沉降变形，最大沉降量6～8cm。测量路段左、右两幅路基顶面不同部位在纵向（路基走向）均呈现出显著的不均匀变形状况，相邻路段纵向不均匀变形差异基本在1～10cm。路基横向也存着明显的不均匀变形差异，如K6＋710右幅路基左、右路肩变形差异达6cm，左、右路肩与路中变形差异超过4cm。综合上述分析，路基顶面变形整体上在路基纵、横向均存在着明显的不均匀变形差异，这是多年冻土区路基路面易产生纵向裂缝、沉陷等破坏的主要原因。为进一步分析路基内部各层土体变形状况，深入探讨路基变形成因，图5给出了漠北公路K6＋200监测断面处路基内部不同监测部位和深度处的沉降变形随时间的变化曲线。图5表明：路基不同监测部位均出现了不同程度的变形，且路基在横向上呈现出明显的不均匀沉降变形，沉降变形由左向右逐渐增大，与图4变形趋势基本一致。在观测期内，路基不同监测部位均表现出持续沉降，路基沉降速率具有阶段变化性，以图5（c）、（d）沉降曲线为例，在路基投入运营的最初2年，每年9～12月，沉降速率迅速增大，沉降主要由路面下4～9m间的土层压缩贡献，结合K6＋200断面处平均5m的路基填高以及1．5～2．3m的冻土上限位置，发生压缩沉降的土层对应于腐殖土层以及多年冻土层。在其他时间段，路基沉降发展则相对较为平缓，这种情况在路中表现最为明显。路基沉降在9月份左右突然开始迅速发展，这可能与多年冻土层受到热扰动有关，即多年冻土融化导致路基沉降量迅速增加。通过采用上述2种变形监测方法对路基顶面和路基内部变形状况进行分析后可得出，冻土路基在横向和纵向均存在显著的不均匀变形，且通过分层沉降监测分析初步得出路基变形主要由原季节活动层以及部分多年冻土层不均匀融化导致。

3．2．2K24＋625断面图6为漠北公路多年冻土路段K24＋625附近2011年11月采用常规水准仪测得的路基顶面不同部位的变形状况。由图6可知：该处路基整体沉降量较大，总体沉降量为10～25cm，左幅路基较右幅路基横向不均匀变形严重，横向不均匀沉降变形差异量为5～10cm。除K24＋625断面处路基表面变形较大外，其他路段基本为整体变形，可能是因为K24＋625断面处为涵洞，涵洞基底不均匀变形等造成其顶面的路基变形较大，导致该处路基发生严重的沉降变形。为进一步分析该处变形是否由基底涵洞下冻土融化导致的路基不均匀变形，图7给出了漠北公路K24＋625监测断面处采用分层沉降自动监测获得的路基不同监测部位和深度处沉降变形随时间的变化曲线。由图7可以得出：该处冻土路基整体沉降量较大，路基土体变形随时间变化较大的部位在路面下2～5m深度处，6m以下的地基变形在观测期内随时间的变化很小，由于该段路基高度约2．5m，天然冻土上限1．5m左右，而路基变形较大的部位在路面下2～5m深度处，因此可以得出该段路基变形主要发生在原季节活动层和多年冻土上限附近的多年冻土层。由图7还可知：路基的沉降速度具有明显的周期性，每年1～8月期间，路基沉降变形发展较慢，沉降量微小，从8月开始，路基沉降速度迅速增加，沉降量迅速增大，以左路肩8～10月间路基沉降变形为例，在2个月时间内，路面下2m深度处沉降量达约10cm，而前8个月，该处沉降量并无明显变化。这可能是由于该断面处冻土类型为富冰冻土，路基高度相对较低，多年冻土层上部填土厚度也相对较薄，因此外界温度对多年冻土的影响在8月时便开始全面体现，由路面上传导至多年冻土层的热量在迅速累积并向下传导，在8月时热量到达多年冻土层顶板位置处，导致多年冻土层出现融沉现象。从该处路基沉降曲线可知，多年冻土层融化是导致该观测断面处出现大幅沉降的主要原因。进一步分析该处路基沉降曲线可发现，路基不同监测部位存在着明显的横向不均匀变形，左幅路基左路肩、路中沉降变形差异较大，右行车道路中和右路肩也存在着明显的变形差异。该监测结果与图6监测结果一致，且进一步阐释了涵洞处路基内部变形状况和变形随时间的变化规律。

3．2．3K32＋100断面图8为漠北公路多年冻土路段K32＋100附近2011年11月采用常规水准仪测得的路基顶面不同部位的变形状况。由图8可知，2幅路面路基纵向不均匀沉降变形较大。图9为K32＋100路基不同监测部位和深度处变形随时间的变化。图9表明：K32＋100断面处路基整体变形较大，且变形较大土层主要发生在路基下2～4m范围内，该范围内地基变形反映到路基顶面的沉降变形也较大。以路基下2m深度处沉降变形为例对路基不同监测部位的沉降变化规律进行分析可得出，路基各部位的沉降量均在2010年9～10月间迅速产生，随后沉降曲线归于平缓，4m以下深度处的沉降自观测开始起未表现出明显沉降量，说明K32＋100断面处沉降来自于深度4m以上的土层压缩，该处土层对应于原天然地表浅层土，K32＋100处的原地表处理方案为清除地基软弱土层，从沉降曲线来看，该处理方案有效，路基在较短时间内完成了大部分的沉降量，随后趋于稳定。综上分析，路基下各层土体随路基运营时间的变化规律为：路基沉降变形主要发生在运营初期，在路基运营2～3个月后，路基各部位的沉降变形才逐渐趋于稳定，这可能是由于在基底清除多年冻土软弱层过程中，基坑积水严重，致使换填过程中地基施工质量难以控制，从而造成路基施工完成的早期工后沉降较大。

4多年冻土路基不均匀变形破坏成因

在上述路基不均匀变形分析的基础上，为进一步揭示宽幅冻土路基变形成因，在漠北公路K6＋200处布设了路基温度监测断面，以对路基内部温度场的变化过程进行分析。图10，11分别为运营后路基横断面上的温度和变形分布。图10（a）、（b）分别为2010年10月10日建成当年和2012年10月10日（运营2年后）路基内部温度场分布。通过对比分析可知：路基的修建造成路基下多年冻土上限不均匀下移，而导致其上的路面发生了不均匀变形。图11为漠北公路K6＋200断面处2010年7月路基刚建设完成时和2013年6月（运营3年后）路基内部土体变形状况。由图11（a）得出，路基刚建成时路基下土体变形主要为原季节活动层压缩变形；随着运营时间的增加，路基下部土体变形的不均匀性显著增加［图11（b）］，结合图10（b）可以得出，路基下部土体变形的不均匀性可能主要由路基多年冻土上限不均匀下移导致。5结语（1）冻土路基在横、纵向上均存在着显著的不均匀沉降变形，且路基变形主要发生在暖季（7月至10月），在冷季（11月至次年6月）路基基本保持稳定。路基变形成因主要由路基下原季节活动层土体冻融压缩和多年冻土层不均匀融化导致。在运营初期，冻土路基变形主要以原季节活动层土体冻融压缩变形为主，且路基变形形式也以整体变形为主；在运营一段时间后，路基工程活动对路基下部多年冻土的影响开始逐渐显现，部分路段（尤其是高温多年冻土路段）多年冻土层土体开始不均匀融化，进而导致路基不均匀沉降变形。（2）在漠北多年冻土区采用清除多年冻土软弱层技术措施相对可靠。采用清除多年冻土软弱层换填砂砾后，路基在运营后较短时间内完成了大部分的沉降量，随后趋于稳定，充分说明了该技术措施的可靠性和可行性。（3）由于多年冻土区自然环境恶劣等客观条件的限制，当前多年冻土路基不均匀变形破坏过程和机理的研究分析还不是很深入，尚不能从三维空间上深度阐释某病害的发展过程和病害机理。针对这一难题，可以考虑采用分布式布里渊光纤监测技术从连续“面”或者三维“体”角度对冻土路基开展连续监测来解决，其可深度剖析和揭示当前多年冻土路基大面积的波浪、不均匀沉陷等病害的发展过程和病害机理，监测结果对冻土区路基病害的防治和冻土路基的设计、施工与养护等也均具有重要意义。

参考文献：

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作者：李金平 王佐 张娟 袁堃 单位：中交第一公路勘察设计研究院有限公司