青藏公路高路基病害形成機(jī)理研究

青藏公路高路基病害形成機(jī)理研究

0青藏公路多年凍土區(qū)路基融沉變形特征及路基病害防治技術(shù)研究青藏高原內(nèi)青藏公路格爾木-拉薩段位于自然環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件復(fù)雜的青藏高原內(nèi)部。在624公里高的連續(xù)多年凍土和島嶼狀多年凍土區(qū)中，有許多類型的多年生多年凍土和多年制冷土。1954年初通車(chē)時(shí)為砂礫路面,在發(fā)現(xiàn)大量多年凍土引起的路基翻漿沉陷問(wèn)題后,1955~1958年進(jìn)行了第一次改建,整修路基并修建部分簡(jiǎn)易橋涵。1973年交通部決定成立青藏公路科研組,對(duì)在多年凍土區(qū)修筑瀝青路面的有關(guān)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行深入研究。自鋪筑瀝青路面后,路基下多年凍土層持續(xù)升溫,凍土上限不斷下降,凍土熱敏感性增強(qiáng),路基整體下沉,路基中心變形過(guò)大,致使路拱消失而發(fā)展成反拱、波浪、坑槽及不均勻沉陷,使路基縱橫向產(chǎn)生扭曲。眾多凍土工程工作者針對(duì)青藏公路多年凍土區(qū)路基融沉變形特征及其引發(fā)的相關(guān)路基病害開(kāi)展了大量研究,提出瀝青路面下融化盤(pán)的形成與發(fā)展是造成路基病害的主要原因,并提出抬高路基高度能有效保護(hù)凍土,抑制路基病害的發(fā)生與發(fā)展。1991~1999年按照保護(hù)凍土、控制融化速率的原則,采用提高多年凍土區(qū)路基高度、設(shè)置保溫護(hù)道、加鋪保溫材料等措施,對(duì)青藏公路多年凍土區(qū)公路路基進(jìn)行了整治改建。經(jīng)過(guò)整治,原有的路基病害得到了有效的控制,但隨著路基高度的抬升,路基內(nèi)相繼出現(xiàn)了眾多縱向裂縫、路基開(kāi)裂、路肩(邊坡)滑移、橫向傾斜等一系列高路基病害。目前,研究人員普遍認(rèn)為此病害是由于路基陰陽(yáng)坡面效應(yīng)致使路基內(nèi)融化盤(pán)向陽(yáng)坡側(cè)偏移引起的。作者在2005年大量實(shí)地調(diào)查研究的基礎(chǔ)上,認(rèn)為高路基病害有其自身的形成特點(diǎn),其影響因素是多方面的,路基內(nèi)融化盤(pán)偏移無(wú)法完整全面的解釋所有高路基病害。為此,本文基于近幾年來(lái)青藏公路病害調(diào)查資料,系統(tǒng)分析了高路基病害的類型、特點(diǎn)及其形成機(jī)理,最終提出了治理此類病害的建議。1青藏公路基礎(chǔ)病1.1病害路徑分析根據(jù)青藏公路病害調(diào)查結(jié)果,作者認(rèn)為青藏公路多年凍土區(qū)填土路基病害大體可分為兩類,即低路基病害與高路基病害。這兩類病害區(qū)分的依據(jù)是填土路基的高度是否能引發(fā)兩側(cè)邊坡較明顯的陰陽(yáng)坡面效應(yīng)。如果路基高度能引發(fā)兩側(cè)邊坡較明顯的陰陽(yáng)坡面效應(yīng),進(jìn)而引發(fā)的一系列路基病害統(tǒng)稱為高路基病害,反之則稱之為低路基病害。由于高路基病害具有非對(duì)稱性特征,因此又可稱之為非對(duì)稱性路基病害,同樣低路基病害又可稱之為對(duì)稱性路基病害。路基邊坡所吸收的太陽(yáng)輻射總量的差異與路基走向、邊坡坡度有關(guān),因此區(qū)分高、低路基病害的路基高度也非固定值,而是隨公路走向及邊坡坡度的改變而改變。東西走向或近于東西走向的路基陰陽(yáng)坡面較好判斷,南坡為陽(yáng)坡,北坡為陰坡。由于青藏高原的輻射具有明顯的非對(duì)稱性,公路沿線上午的輻射總量要比下午的輻射總量大20%以上,因此,對(duì)南北走向的路基,東坡為陽(yáng)坡,西坡為陰坡。另外,從路基病害的表現(xiàn)形式上來(lái)分,路基病害可分為融沉病害與凍脹病害。調(diào)查結(jié)果表明,青藏公路融沉病害約占病害路段的80%以上,變形的類型主要包括路基的橫向傾斜變形、縱向裂縫與路基開(kāi)裂、路肩(邊坡)開(kāi)裂與滑移、縱向凹陷與波浪沉陷等。凍脹病害主要表現(xiàn)為凍脹丘、冰錐與路基凸起開(kāi)裂等。1.2不同部位路基內(nèi)熔融盤(pán)厚度對(duì)路基沉降變形的影響由于青藏高原太陽(yáng)總輻射量、輻射平衡值均較大,黑色瀝青路面的修筑,凍土路基對(duì)太陽(yáng)輻射吸收率增大約20%,另外,瀝青路面阻礙了路基表面蒸發(fā)過(guò)程,產(chǎn)生的蒸發(fā)耗熱不能有效釋放,影響凍土與大氣間的熱量交換。觀察表明,瀝青路面的地表年平均溫度高于天然地表4℃以上,較天然地面下的土層提前20~30d融化,滯后20d左右凍結(jié),唐南地區(qū)這種差異就更大。在這種熱狀態(tài)的影響下,瀝青路面下土層的熱量年總收入大于年總支出,致使多年凍土融化,凍土上限下移,在路基內(nèi)形成凹形融化盤(pán)。在低路堤的情況下,如果陰陽(yáng)坡面的影響較小,路基內(nèi)融化盤(pán)相對(duì)于路中線較為對(duì)稱,融化盤(pán)的最大深度出現(xiàn)在路基中心,這時(shí)路基病害常表現(xiàn)為路基整體下沉、路基中心凹陷(圖1)。因此,當(dāng)多年凍土上限處含冰量較高時(shí),融化盤(pán)的形成與發(fā)展是形成低路基病害的主要原因,主要表現(xiàn)為兩點(diǎn):①在相同條件下,融化盤(pán)厚度越大,路基沉降變形就越大,隨著融化深度增大,路基的固結(jié)沉降變形滯后時(shí)間越長(zhǎng);②路基內(nèi)“鍋底形”的融化盤(pán),成為大量的地表水滲入和凍結(jié)層上水匯入的“聚水盆”,加速了融化盤(pán)的發(fā)展,進(jìn)而增大了路基的沉降變形,成為路基不穩(wěn)定的隱患。1.3青藏公路路基病害分布總結(jié)青藏公路建設(shè)的歷史經(jīng)驗(yàn),青藏公路多年凍土區(qū)路基病害與路基高度密切相關(guān)。八五改建期間路基高度普遍偏低,沿線路基平均高度不足1m,路基病害主要表現(xiàn)為沉陷、波浪與翻漿變形。據(jù)統(tǒng)計(jì),在較穩(wěn)定凍土路段,路基沉陷率高達(dá)90.3%,波浪率高達(dá)77.4%。在青藏公路一期與二期整治改建期間,大幅度提高路基高度,一期路基平均高度約為2.0m,二期路基平均高度約為2.5m。經(jīng)整治,以對(duì)稱性沉降變形為主的低路基病害得到了有效控制,但隨著路基高度的抬升,路基內(nèi)相繼出現(xiàn)了眾多以縱向裂縫為主的高路基病害。作者在2005年對(duì)青藏公路沿線多年凍土路段的高路基病害進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查,調(diào)查結(jié)果如表1所示。調(diào)查結(jié)果表明,目前青藏公路路基的病害形式主要表現(xiàn)為高路基病害,占總病害路段的60%以上。高路基病害則以路基縱向裂縫與路肩(邊坡)開(kāi)裂為主,約占高路基病害總數(shù)的58.9%。此次調(diào)查還發(fā)現(xiàn),發(fā)生嚴(yán)重路基縱向裂縫的路段達(dá)到50余km,最大裂縫寬度達(dá)40cm。圖2給出了青藏公路多年凍土區(qū)不同坡向的高路基病害隨路基高度的關(guān)系。圖2表明,無(wú)論是位于陽(yáng)坡還是位于陰坡的高路基病害的數(shù)量均隨路基高度的增加而明顯增大。路基高度小于0.5m的低路基均未發(fā)現(xiàn)高路基病害,高度大于2.5m的路基內(nèi)高路基病害顯著增加,占總量的75.7%,即大部分高路基病害分布在路基高度大于2.5m的路段。另外,高路基病害的分布具有明顯的坡向性。圖2表明,路基陽(yáng)坡側(cè)發(fā)育的高路基病害數(shù)量明顯要大于陰坡側(cè),陽(yáng)坡側(cè)共123處高路基病害,占總量的66.5%,而陰坡側(cè)高路基病害只有62處,占總量的33.5%。2高修高機(jī)2.1交通風(fēng)壓的結(jié)構(gòu)變化、路基研究表明,以多年凍土的年平均地溫作為描述凍土的地帶性分布主要特征,能反映多年凍土的穩(wěn)定狀態(tài)。依據(jù)年平均地溫將青藏公路沿線多年凍土分為低溫多年凍土區(qū)(年平均地溫T<-1.5℃)與高溫多年凍土區(qū)(-1.5℃≤T≤0℃)。前者屬于穩(wěn)定型多年凍土,后者屬于過(guò)渡型或不穩(wěn)定型多年凍土。在高溫多年凍土區(qū),高路基病害的形成機(jī)理因路基高度的不同而有所差異。當(dāng)路基高度小于臨界高度時(shí),路基內(nèi)由于陰陽(yáng)坡面的影響,形成非對(duì)稱性融化盤(pán)。這種不對(duì)稱一般表現(xiàn)為左側(cè)路基下融化盤(pán)厚度較右側(cè)大。在兩側(cè)路基下融化盤(pán)厚度差異較小的情況下,較易形成路基的整體傾斜變形(圖3(a));反之,當(dāng)融化盤(pán)厚度差異較大的時(shí)候,則很可能形成路基(肩)或邊坡的縱向裂縫與滑塌(圖3(b))。另外,由于融化盤(pán)的聚水作用,在大氣降水、地表水以及融化盤(pán)內(nèi)的聚水的共同作用下,在車(chē)輛荷載的反復(fù)碾壓下,路面上常出現(xiàn)大面積泥濘與翻漿。當(dāng)路基高度大于臨界高度時(shí),在當(dāng)?shù)貧夂驐l件下產(chǎn)生的最大凍結(jié)深度無(wú)法達(dá)到人為上限處,在路基內(nèi)最大凍結(jié)深度的界面與多年凍土人為上限間,形成一層隔年或多年以至永遠(yuǎn)不能凍結(jié)的融化夾層。如同融化盤(pán)一樣,融化夾層也具有很強(qiáng)的聚水特性,作為軟弱層,其承載能力十分有限。該類融化夾層上界面是冷期最大凍結(jié)深度,下界面是人為上限,如圖4所示。在凍結(jié)期,融化夾層上部具有一定的凍結(jié)厚度,因此路基路面的承載能力也相應(yīng)較強(qiáng),但由于融化夾層上下界面的凍結(jié)壓縮作用,造成封閉的融化夾層內(nèi)部應(yīng)力相當(dāng)大。到融化期,融化夾層上部?jī)鼋Y(jié)層自上而下融化,凍結(jié)層的厚度也在逐漸變薄,當(dāng)融化夾層的內(nèi)部應(yīng)力與其上凍結(jié)層的強(qiáng)度都無(wú)法抵擋路基自重及外部荷載時(shí),路基將不可避免的出現(xiàn)凹陷、滑塌等病害,進(jìn)而引發(fā)路面翻漿;反之,當(dāng)路基自重及外部荷載與其下凍結(jié)層的強(qiáng)度都無(wú)法阻止融化夾層內(nèi)部應(yīng)力釋放時(shí),將可能出現(xiàn)路基跨塌甚至爆炸等病害(1990年6月,在頭二九北坡K3395處發(fā)生的路面爆炸,直徑為6m,深度達(dá)3m)。另外,如圖4所示,當(dāng)路基內(nèi)最大凍結(jié)深度大于天然上限時(shí),路基內(nèi)將會(huì)形成“凸”型的凍結(jié)鋒面。在融化期,當(dāng)路基上部?jī)鼋Y(jié)層還未完全融化時(shí),該凍結(jié)鋒面將成為大氣降水、雪水及邊溝水等地表水匯聚的鋒面,在匯聚水的作用下,可能發(fā)展為路基(肩)、邊坡滑塌及路基縱向裂縫的滑動(dòng)面,致使該類型的融化夾層將產(chǎn)生縱向裂縫、路肩(邊坡)滑塌等病害。2.2凍結(jié)核的形成因素在低溫凍土區(qū),雖然在施工期間,路基內(nèi)也會(huì)形成融化夾層,但由于多年凍土地溫較低,有足夠的冷能使融化夾層在年內(nèi)凍結(jié),人為上限逐漸穩(wěn)定于路基下最大凍結(jié)深度處。當(dāng)路基高度大于臨界高度時(shí),路中人為上限有一定的抬升,但坡腳人為上限(尤其是陽(yáng)坡坡腳)則有所下降,路基內(nèi)形成如圖5所示的“凸”形凍結(jié)核。造成這種情況的原因是顯而易見(jiàn)的,不管是新建路堤還是舊路改建,抬高路堤以后,邊坡都要向兩側(cè)延伸,破壞了原有的多年凍土的熱平衡條件,加上青藏公路路堤填土相對(duì)于天然地表(尤其是有植被覆蓋的天然地表)更易吸熱,位于陽(yáng)坡側(cè)的坡腳人為上限下降較為劇烈,但在陰坡側(cè),由于其吸收的太陽(yáng)輻射能相對(duì)較小,坡腳人為上限下降很微弱,甚至有所抬升。從圖5中不難看出,凍結(jié)核有兩種可能形成路基病害:①在融化期人為上限作為大氣降水與地表水的匯聚面,凍結(jié)核兩側(cè)路基受水的侵蝕,較易形成滑體,可能會(huì)沿凍結(jié)核上鋒面(人為上限)滑動(dòng),輕則形成路基縱向裂縫,重則造成路基(肩)或邊坡滑塌;②在橫斷面方向上,坡腳人為上限最低,在坡腳下較易形成融化盤(pán)。該融化盤(pán)也將成為地表水、邊坡水以及路面水的“聚水盆”,進(jìn)而導(dǎo)致融化盤(pán)進(jìn)一步擴(kuò)大。一旦坡腳成為軟弱層,極有可能造成邊坡縱裂、滑塌,進(jìn)而波及到整個(gè)路基。2.3路基沖蝕段存在的問(wèn)題青藏公路高路基病害的形成過(guò)程比較復(fù)雜,表現(xiàn)形式多樣性,不僅受到地下冰凍融等客觀因素的影響,還受到施工質(zhì)量與凍土環(huán)境的破壞等人為因素的影響。后者與前者之間相互影響,較差的施工質(zhì)量與凍土環(huán)境的人為破壞將加速路基病害的發(fā)生與發(fā)展。本次青藏公路病害調(diào)查結(jié)果表明(表1),所調(diào)查病害路段的48處邊坡沖蝕均是由于施工質(zhì)量控制不嚴(yán)引起的,其中8處邊坡沖蝕所形成的沖溝寬度達(dá)40cm,深度達(dá)30cm,嚴(yán)重處已造成土路路肩的部分滑塌,對(duì)路基穩(wěn)定性構(gòu)成了極大的威脅。邊坡沖蝕路段路基基本完好,邊坡土體松散,邊坡坡度均小于1∶1.5。因此,邊坡沖蝕的主要原因是由于邊坡土體壓實(shí)度及邊坡坡度不符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求所造成。另外,凍土環(huán)境的人為破壞也是影響青藏公路多年凍土區(qū)高路基病害的主要人為因素。由于公路填筑路基兩側(cè)取土?xí)r鏟除了原天然地表,加之邊溝排水未成體系造成局部積水嚴(yán)重,導(dǎo)致脆弱生態(tài)系統(tǒng)失衡,凍土對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)所依賴的天然屏障遭到損害。氣候變暖在凍土中的響應(yīng)進(jìn)程明顯加快,熱擾動(dòng)在短時(shí)間內(nèi)即產(chǎn)生凍土環(huán)境的惡化,加劇路基病害。如青藏公路的曲水河附近,由于自然和人為活動(dòng)破壞了斜坡凍土的熱平衡狀態(tài),引起地下冰融化產(chǎn)生熱融滑塌,滑塌體長(zhǎng)為100~150m,寬為80~100m。這種熱融滑塌與融凍泥流具有溯源侵蝕性質(zhì),直到斜坡沒(méi)有地下冰為止,往往淹沒(méi)路基。楚瑪爾河高平原、通天河南岸、扎加藏布河兩岸等地處高平原,路基兩側(cè)橫向排水不暢,形成大量熱融洼地,且逐年擴(kuò)大,加速了凍土路基下地下冰的融化,往往引起路基邊坡的滑塌。青藏公路整治改建期間,路基兩側(cè)遺留大量積水取土坑,加速了路基下多年凍土融化,進(jìn)而造成路基下沉,引起路基形成縱向或弧形裂縫(圖6)。3高路基病害治理方案青藏公路多年凍土區(qū)高路基病害的發(fā)生、發(fā)展有眾多不同于低路基病害的特點(diǎn)。因此,對(duì)高路基病害的治理應(yīng)因地制宜,結(jié)合病害的形成特點(diǎn),采取不同的治理方案。本文在綜合考察分析青藏公路沿線高路基病害特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,針對(duì)不同特點(diǎn)的病害,提出幾種治理方案。3.1多年凍土區(qū)不同坡面效應(yīng)下的地溫增溫治理方案當(dāng)填土路基高度小于路基臨界高度時(shí),高路基內(nèi)融化盤(pán)具有向陽(yáng)坡側(cè)偏移的特點(diǎn),因融化盤(pán)引發(fā)的病害大多分布在路基向陽(yáng)面。類病害可采取兩種方案進(jìn)行治理:①鋪筑工業(yè)隔熱材料,有效降低填土路基高度,減小陰陽(yáng)坡面效應(yīng)所引發(fā)的融化盤(pán)偏移,抬升多年凍土上限,該方法仍然屬于被動(dòng)保溫的范疇,雖然能有效抬升多年凍土上限,但無(wú)法延緩年平均地溫的增溫趨勢(shì),建議高溫多年凍土區(qū)不采用;②調(diào)控陽(yáng)坡側(cè)地溫。諸如此類的方法有:在向陽(yáng)坡面鋪設(shè)遮陽(yáng)板、碎石邊坡、保溫隔熱板等,在有條件的情況下進(jìn)行植物防護(hù),在向陽(yáng)側(cè)路肩埋設(shè)熱棒等。3.2夾層防凍措施在高溫凍土區(qū),當(dāng)路基高度大于臨界高度時(shí),路基內(nèi)將可能發(fā)育融化夾層。相對(duì)于融化盤(pán)而言,融化夾層的治理更加復(fù)雜。因?yàn)槠浒l(fā)育在高溫凍土區(qū),因此應(yīng)盡可能選擇主動(dòng)冷卻的工程措施,使融化夾層能完全回凍。治理融化夾層的路基結(jié)構(gòu)形式可選擇:片塊石路基、熱棒路基、遮陽(yáng)板路基(可調(diào)控式)和通風(fēng)管路基等。3.3生物護(hù)坡措施凍結(jié)核發(fā)育于低溫凍土區(qū),因?yàn)榈蜏貎鐾料鄬?duì)較為穩(wěn)定,因此凍結(jié)核引發(fā)病害的治理也相對(duì)較為簡(jiǎn)單。對(duì)高路基病害機(jī)理的分析中得知,如果能有效控制坡腳融化盤(pán)的形成與發(fā)展,則能有效治理凍結(jié)核引發(fā)的高路基病害。減小或消除坡腳融化盤(pán)最簡(jiǎn)單有效的途徑是在陽(yáng)坡側(cè)鋪設(shè)排水保溫護(hù)道。鋪設(shè)護(hù)道的高度為當(dāng)?shù)芈坊R界高度的0.7倍。當(dāng)然,在條件許可的情況下,盡可能恢復(fù)破壞的植被。3.4粗粒土填筑路基綜合分析氣候、水文、工程質(zhì)量及維持通車(chē)和造價(jià)等各方面條件,并結(jié)合青藏公路的實(shí)際施工情況,當(dāng)沿線為砂類土?xí)r路基填方可就地取土;當(dāng)為粘性土、地表水文條件較好時(shí),路堤下部可就地取土,路堤上部