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《中國公路學報》2015年第十二期

摘要：

為了給多年凍土區公路路基病害的防治和凍土路基的設計、施工與養護提供參考，以漠北公路工程為依托，通過理論分析和現場監測對多年凍土區路基不均勻變形狀況及成因進行了分析，并得出路基內部不均勻變形隨時間的發展規律，探討了路基不均勻變形的成因。結果表明：多年凍土區高等級寬幅路基橫、縱向均存在明顯的不均勻沉降變形，變形主要發生在暖季，而在冷季基本保持穩定；在運營初期，路基變形整體上隨運營時間的增加呈緩慢增加的趨勢，早期路基變形主要為路基下原天然季節活動層壓縮變形，且以整體變形為主；隨著運營時間的增加，路基工程活動對其下部多年凍土的影響開始逐漸顯現，部分路段（尤其是高溫多年凍土路段）多年凍土層開始出現不均勻融化，從而導致路基不均勻融化下沉加劇。

關鍵詞：

道路工程；凍土路基；分層沉降監測；不均勻變形；變形成因

中國是世界第三凍土大國，多年凍土區總面積占中國國土面積的22．4％［1］。多年凍土是一種特殊土體，由于其地質特性和熱敏感性，導致多年凍土區道路工程病害與一般地區不同，其病害形式主要為與熱穩定性相關的熱融下沉、邊坡滑塌等道路變形病害，不均勻變形破壞是其最主要病害形式。早期多年凍土區道路工程病害穩定性監測主要以路基熱穩定性（溫度）監測為主，隨著對多年凍土路基病害機理研究的不斷深入及監測技術的發展，研究者逐漸開始意識到對多年凍土變形等因子監測的重要性，并開始在青藏公路、G214公路等沿線布設水準點開展凍土路基變形破壞研究［2－8］，但由于多年凍土區特殊的自然地理環境等客觀條件的限制，多年凍土區公路路基變形研究及監測仍以常規地表變形測量為主。由于采用水準儀等常規地表測量方法獲得的觀測數據只能反映路基路面表層變形情況，不能揭示路面下凍土路基內部的具體變形狀況和變形機理，因此，多年凍土區路基不均勻變形破壞內部成因仍有待進一步分析和研究。近年來，隨著變形監測技術的不斷發展，分層沉降監測技術的應用使得多年凍土路基變形狀況及破壞成因的研究取得了重大進展［9］，其監測結果不僅能反映路面表層變形情況，還可以深層次地反映路面下各層土體的變形情況，揭示路面表層變形與路面下路基各層土體變形的關系，探明多年凍土路基路面變形狀況及破壞成因。本文以漠北公路為依托，并對采用一般常規地表測量和分層沉降自動監測技術等手段獲得的變形監測結果進行分析，剖析多年凍土區路基不均勻變形狀況及變形成因，以期對多年凍土區公路路基病害的防治和凍土路基的設計、施工與養護等提供科學依據。

1漠北公路沿線氣候和凍土特征

1．1氣候特征漠北公路是中國最北部的一條多年凍土區高等級公路，沿線區域屬于寒溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫約－3．9℃，極端最低氣溫－53．3℃，極端最高氣溫38℃；冬季漫長而寒冷，有霜期從9月上旬至翌年5月下旬，冰凍期可長達8個月之久，全年平均積雪期為165～175d；夏季溫暖而短促，雨季集中在6月下旬至7月中旬，占全年降水量的75％左右，這在一定程度上抑制了該區氣溫升高，正因為如此，造成該區年平均氣溫較低，這也成為該區域多年凍土得以保存和發育的基本條件。全球氣候變暖加劇了該區域多年凍土的退化。根據漠河氣象站觀測資料分析，漠河20世紀60年代到21世紀初期，1月份月平均氣溫由－33．7℃升高到約－28℃；7月份的月平均氣溫基本保持不變，反映出凍土在冷季回凍不足，促使凍土溫度升高的趨勢。多年凍土溫度升高、凍土退化，給公路沿線凍土路基的穩定性造成了一定影響。

1．2凍土特征漠北公路沿線多年凍土主要分布在低洼溝谷的沼澤化濕地以及河谷階地背陰地帶。凍土分布及含冰量狀況較為復雜多樣，凍土類型主要以多冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土為主，既有高溫極不穩定多年凍土，又有低溫穩定多年凍土。沿線凍土地質勘察結果表明：地基主要以腐殖土、粉質黏土、含礫粉質黏土、全風化礫巖等為主。典型土層結構基本為表層0．3～0．5m的草皮腐殖土，其下為2．0～6．0m厚的粉質黏土、含礫粉質黏土或級配不良中粗砂，6m以下大多為全風化或強風化砂礫巖。在地基各層土體中，表層草皮腐殖土具有高壓縮性，整體上地層中上部土體融沉性強，因此，在該區域修筑的道路工程路基極易發生不均勻融沉變形破壞。

2凍土路基不均勻變形理論

研究表明［10］，多年凍土的沉降變形主要包括路基和季節活動層土體壓縮變形、多年凍土層的融化變形以及多年凍土的蠕變變形。

2．1季節活動層土體的壓縮性路基土體經過凍結作用后，土體中孔隙度比凍結前大很多。凍土融化時，在自重荷載作用下，融化的水被擠出使土顆粒增密，壓縮性明顯增大。試驗也證明［11］，未凍結過的土體和凍土融化時的壓縮曲線存在明顯差異，融化過程中孔隙比的變化量最大，即使在自重荷載作用下，凍土融化過程中也會產生很大的沉降量。因此，除了多年凍土層的融化變形和蠕變外，多年凍土路基季節活動層土體在反復凍融作用下也將會產生較大的沉降變形。

2．2凍土融化層的壓縮性大多數情況下，凍土融化后，壓縮性都比較大。整體狀構造的凍土，融化時壓縮性較小。層狀和網狀構造的凍土融化時的壓縮性很高，經常有明顯的沉降，以致出現突陷現象。土體凍結使其構造發生急劇的變化，融化后不僅影響其壓縮性，對其滲透性也有顯著影響。崔托維奇［11］的試驗證明：粉質黏土凍結融化后的土體壓縮速度增加7～10倍。

2．3凍土融沉變形的影響因素評價凍土融沉的一個非常重要的指標是凍土含冰程度，即凍土體積含冰量。體積含冰量與土體的組合關系構成凍土的冷生構造，決定了凍土的融化壓縮沉降量。試驗表明［12］凍土的融沉系數主要取決于凍土的含水量及密度。（1）含水（冰）量在凍土融化過程中，冰轉變為水，土體在自重作用下排水，土顆粒發生相對位移。試驗表明［11］：凍結黏性土的含水量小于等于塑限含水量時，融化過程中將出現微小的膨脹性；當超過塑限含水量后，融化時就會產生融沉。從工程角度考慮，融沉系數在0％～1％范圍內，地基土產生的微弱變形將不至于引起工程構筑物的變形破壞，超過該范圍就可能引起變形破壞，其對應這個界限的凍土含水量稱為起始融沉含水量。一般情況下，黏性土的起始融沉含水量接近且略大于其塑限含水量。不論是粗顆粒凍土、細顆粒凍土，還是凍結泥炭土，其融沉系數均隨其含水量的增加而增大。由此可知，引起凍土融化下沉的含水量是超出起始融沉含水量的部分，即凍土的總含水量與起始融沉含水量的差值。（2）干密度凍土的融沉實質上是凍土融化過程中土體孔隙縮小所致。如果沒有冰的擴脹作用，凍融過程不會引起土體結構的變化。當土體的孔隙比小于某個數值時，凍土融化過程不出現下沉現象，或者融沉系數小于1％，此時的土體密度為最佳密度，稱為起始融沉干密度。試驗表明［12］：當凍土的干密度小于最佳密度時，凍土融沉系數隨其干密度的減小而逐漸增大。（3）土顆粒組分土體固體顆粒組分對凍土融沉系數的主要影響是引起不同顆粒組分土體在凍結過程中的水分遷移能力變化。細顆粒土的水分遷移強烈，特別是粉質土、粉質黏土等，可以產生不同厚度的冰包裹體，形成層狀凍土構造，融化時可以出現較大的融沉系數。在相同的有效融沉含水量下，粉質黏土的融沉系數最大，其次是重黏土，礫石土最弱。粗顆粒土水分遷移能力取決于粉黏粒含量，在飽水條件下，粗顆粒土融沉系數隨著粉黏粒含量的增加而增大。當粉黏粒含量（質量分數，后文同）小于12％時，融沉系數的增大較緩慢，一般不超過4％。當粉黏粒含量大于12％時，融沉系數急劇增大。

3凍土路基不均勻變形監測

為研究多年凍土路基不均勻變形狀況，以漠北公路工程（路基寬度21．5m）為依托，綜合考慮路基不均勻變形影響因素，選取典型試驗路段，分別采用常規水準地表測量與分層沉降變形監測的方法對沿線凍土路基不均勻沉降變形狀況及變形破壞成因進行分析。

3．1凍土路基變形監測方案為研究多年凍土區高等級公路路基變形特征及寬幅路基變形破壞成因，揭示凍土退化對凍土路基穩定性的影響程度等，綜合考慮公路沿線多年凍土含冰狀況、土層地質巖性、路基結構、工程措施等因素，選取漠北公路K6＋200，K24＋625，K32＋100斷面及附近路段作為路基變形試驗監測路段，各路基監測路段概況見表1。綜合考慮路基高度、多年凍土上限、土層巖性分層情況，制定各監測斷面分層沉降變形監測方案，具體如下：（1）K6＋200分層沉降變形監測方案圖1為K6＋200分層沉降變形監測孔布設示意，分路中、左路肩、右路肩、右行車道路中、左坡腳共5個沉降測量孔（左、右以公路小樁號往大樁號方向設定，下同）。其中路肩孔、路中孔深10m，前4m路基填土每2m埋設1個測沉降變形感應器，4m以下每米埋設1個；坡腳孔深5m，每米埋設1個沉降變形感應器。（2）K24＋625分層沉降變形監測方案圖2為K24＋625分層沉降變形監測孔布設，分路中、左路肩、右路肩、右行車道路中、右坡腳共5個沉降測量孔。其中路肩孔、路中孔深7m，前2m路基填土每2m埋設1個測沉降變形感應器，2m以下每米埋設1個；坡腳孔深5m，每米埋設1個沉降變形感應器。（3）K32＋100分層沉降變形監測方案圖3為K32＋100斷面的分層沉降變形監測孔布設示意，分路中、左路肩、右路肩、左行車道路中、右行車道路中、右坡腳共6個沉降測量孔。其中路肩孔、路中孔深6m，坡腳孔深4m，均為每2m布設1個沉降變形感應器。

3．2變形結果分析

3．2．1K6＋200斷面圖4為漠北公路多年凍土路段K6＋200附近2011年11月采用常規水準儀測得的路基頂面不同部位的變形狀況（與設計標高的差值，下同）。由圖4可知：各監測路段路基均發生了明顯的沉降變形，最大沉降量6～8cm。測量路段左、右兩幅路基頂面不同部位在縱向（路基走向）均呈現出顯著的不均勻變形狀況，相鄰路段縱向不均勻變形差異基本在1～10cm。路基橫向也存著明顯的不均勻變形差異，如K6＋710右幅路基左、右路肩變形差異達6cm，左、右路肩與路中變形差異超過4cm。綜合上述分析，路基頂面變形整體上在路基縱、橫向均存在著明顯的不均勻變形差異，這是多年凍土區路基路面易產生縱向裂縫、沉陷等破壞的主要原因。為進一步分析路基內部各層土體變形狀況，深入探討路基變形成因，圖5給出了漠北公路K6＋200監測斷面處路基內部不同監測部位和深度處的沉降變形隨時間的變化曲線。圖5表明：路基不同監測部位均出現了不同程度的變形，且路基在橫向上呈現出明顯的不均勻沉降變形，沉降變形由左向右逐漸增大，與圖4變形趨勢基本一致。在觀測期內，路基不同監測部位均表現出持續沉降，路基沉降速率具有階段變化性，以圖5（c）、（d）沉降曲線為例，在路基投入運營的最初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間的土層壓縮貢獻，結合K6＋200斷面處平均5m的路基填高以及1．5～2．3m的凍土上限位置，發生壓縮沉降的土層對應于腐殖土層以及多年凍土層。在其他時間段，路基沉降發展則相對較為平緩，這種情況在路中表現最為明顯。路基沉降在9月份左右突然開始迅速發展，這可能與多年凍土層受到熱擾動有關，即多年凍土融化導致路基沉降量迅速增加。通過采用上述2種變形監測方法對路基頂面和路基內部變形狀況進行分析后可得出，凍土路基在橫向和縱向均存在顯著的不均勻變形，且通過分層沉降監測分析初步得出路基變形主要由原季節活動層以及部分多年凍土層不均勻融化導致。

3．2．2K24＋625斷面圖6為漠北公路多年凍土路段K24＋625附近2011年11月采用常規水準儀測得的路基頂面不同部位的變形狀況。由圖6可知：該處路基整體沉降量較大，總體沉降量為10～25cm，左幅路基較右幅路基橫向不均勻變形嚴重，橫向不均勻沉降變形差異量為5～10cm。除K24＋625斷面處路基表面變形較大外，其他路段基本為整體變形，可能是因為K24＋625斷面處為涵洞，涵洞基底不均勻變形等造成其頂面的路基變形較大，導致該處路基發生嚴重的沉降變形。為進一步分析該處變形是否由基底涵洞下凍土融化導致的路基不均勻變形，圖7給出了漠北公路K24＋625監測斷面處采用分層沉降自動監測獲得的路基不同監測部位和深度處沉降變形隨時間的變化曲線。由圖7可以得出：該處凍土路基整體沉降量較大，路基土體變形隨時間變化較大的部位在路面下2～5m深度處，6m以下的地基變形在觀測期內隨時間的變化很小，由于該段路基高度約2．5m，天然凍土上限1．5m左右，而路基變形較大的部位在路面下2～5m深度處，因此可以得出該段路基變形主要發生在原季節活動層和多年凍土上限附近的多年凍土層。由圖7還可知：路基的沉降速度具有明顯的周期性，每年1～8月期間，路基沉降變形發展較慢，沉降量微小，從8月開始，路基沉降速度迅速增加，沉降量迅速增大，以左路肩8～10月間路基沉降變形為例，在2個月時間內，路面下2m深度處沉降量達約10cm，而前8個月，該處沉降量并無明顯變化。這可能是由于該斷面處凍土類型為富冰凍土，路基高度相對較低，多年凍土層上部填土厚度也相對較薄，因此外界溫度對多年凍土的影響在8月時便開始全面體現，由路面上傳導至多年凍土層的熱量在迅速累積并向下傳導，在8月時熱量到達多年凍土層頂板位置處，導致多年凍土層出現融沉現象。從該處路基沉降曲線可知，多年凍土層融化是導致該觀測斷面處出現大幅沉降的主要原因。進一步分析該處路基沉降曲線可發現，路基不同監測部位存在著明顯的橫向不均勻變形，左幅路基左路肩、路中沉降變形差異較大，右行車道路中和右路肩也存在著明顯的變形差異。該監測結果與圖6監測結果一致，且進一步闡釋了涵洞處路基內部變形狀況和變形隨時間的變化規律。

3．2．3K32＋100斷面圖8為漠北公路多年凍土路段K32＋100附近2011年11月采用常規水準儀測得的路基頂面不同部位的變形狀況。由圖8可知，2幅路面路基縱向不均勻沉降變形較大。圖9為K32＋100路基不同監測部位和深度處變形隨時間的變化。圖9表明：K32＋100斷面處路基整體變形較大，且變形較大土層主要發生在路基下2～4m范圍內，該范圍內地基變形反映到路基頂面的沉降變形也較大。以路基下2m深度處沉降變形為例對路基不同監測部位的沉降變化規律進行分析可得出，路基各部位的沉降量均在2010年9～10月間迅速產生，隨后沉降曲線歸于平緩，4m以下深度處的沉降自觀測開始起未表現出明顯沉降量，說明K32＋100斷面處沉降來自于深度4m以上的土層壓縮，該處土層對應于原天然地表淺層土，K32＋100處的原地表處理方案為清除地基軟弱土層，從沉降曲線來看，該處理方案有效，路基在較短時間內完成了大部分的沉降量，隨后趨于穩定。綜上分析，路基下各層土體隨路基運營時間的變化規律為：路基沉降變形主要發生在運營初期，在路基運營2～3個月后，路基各部位的沉降變形才逐漸趨于穩定，這可能是由于在基底清除多年凍土軟弱層過程中，基坑積水嚴重，致使換填過程中地基施工質量難以控制，從而造成路基施工完成的早期工后沉降較大。

4多年凍土路基不均勻變形破壞成因

在上述路基不均勻變形分析的基礎上，為進一步揭示寬幅凍土路基變形成因，在漠北公路K6＋200處布設了路基溫度監測斷面，以對路基內部溫度場的變化過程進行分析。圖10，11分別為運營后路基橫斷面上的溫度和變形分布。圖10（a）、（b）分別為2010年10月10日建成當年和2012年10月10日（運營2年后）路基內部溫度場分布。通過對比分析可知：路基的修建造成路基下多年凍土上限不均勻下移，而導致其上的路面發生了不均勻變形。圖11為漠北公路K6＋200斷面處2010年7月路基剛建設完成時和2013年6月（運營3年后）路基內部土體變形狀況。由圖11（a）得出，路基剛建成時路基下土體變形主要為原季節活動層壓縮變形；隨著運營時間的增加，路基下部土體變形的不均勻性顯著增加［圖11（b）］，結合圖10（b）可以得出，路基下部土體變形的不均勻性可能主要由路基多年凍土上限不均勻下移導致。5結語（1）凍土路基在橫、縱向上均存在著顯著的不均勻沉降變形，且路基變形主要發生在暖季（7月至10月），在冷季（11月至次年6月）路基基本保持穩定。路基變形成因主要由路基下原季節活動層土體凍融壓縮和多年凍土層不均勻融化導致。在運營初期，凍土路基變形主要以原季節活動層土體凍融壓縮變形為主，且路基變形形式也以整體變形為主；在運營一段時間后，路基工程活動對路基下部多年凍土的影響開始逐漸顯現，部分路段（尤其是高溫多年凍土路段）多年凍土層土體開始不均勻融化，進而導致路基不均勻沉降變形。（2）在漠北多年凍土區采用清除多年凍土軟弱層技術措施相對可靠。采用清除多年凍土軟弱層換填砂礫后，路基在運營后較短時間內完成了大部分的沉降量，隨后趨于穩定，充分說明了該技術措施的可靠性和可行性。（3）由于多年凍土區自然環境惡劣等客觀條件的限制，當前多年凍土路基不均勻變形破壞過程和機理的研究分析還不是很深入，尚不能從三維空間上深度闡釋某病害的發展過程和病害機理。針對這一難題，可以考慮采用分布式布里淵光纖監測技術從連續“面”或者三維“體”角度對凍土路基開展連續監測來解決，其可深度剖析和揭示當前多年凍土路基大面積的波浪、不均勻沉陷等病害的發展過程和病害機理，監測結果對凍土區路基病害的防治和凍土路基的設計、施工與養護等也均具有重要意義。

參考文獻：

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作者：李金平 王佐 張娟 袁堃 單位：中交第一公路勘察設計研究院有限公司