毛雪松，陳燕琴，樊宇朔，楊錦鳳

(長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

在高寒多年凍土地區(qū)修筑道路會(huì)受到多年凍土這一特殊的工程地質(zhì)所限制，同時(shí)道路的修筑會(huì)使得多年凍土升溫與退化，使水、熱成為影響路基工程穩(wěn)定性及耐久性的兩個(gè)重要因素。路基中溫度場(chǎng)的改變影響著土體中熱量的傳遞，但溫度本身無(wú)法改變土體的工程性質(zhì)，它必將借助于土體中的水分為介質(zhì)來(lái)引起土體性質(zhì)發(fā)生改變，土體中的水分在特殊條件氣候條件下，發(fā)生不均勻遷移、凍脹及融化，致使路基強(qiáng)度呈現(xiàn)不均勻分布，引起路基病害，其中縱向裂縫是多年凍土地區(qū)的典型病害形式，近年來(lái)該病害愈發(fā)嚴(yán)重[1]。針對(duì)凍土工程中水熱變化對(duì)路基縱向裂縫的影響問(wèn)題，我國(guó)學(xué)者做了大量系統(tǒng)的研究。毛雪松基于水熱耦合效應(yīng)對(duì)凍土路基穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[2]。徐安花研究了路基縱向裂縫在路基橫斷面上的分布規(guī)律[3]。劉超對(duì)多年凍土區(qū)路基和塊石路基結(jié)構(gòu)的路基應(yīng)力—應(yīng)變場(chǎng)、沉降變形特征等進(jìn)行了計(jì)算分析[4]。李勇認(rèn)為影響路基穩(wěn)定性的主要因素是凍土路基防護(hù)措施的強(qiáng)弱和水熱影響程度[5]。馬歷權(quán)的研究表明路堤邊坡濕度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的周期性變化是路堤邊緣縱向裂縫產(chǎn)生的直接原因[6]。雒妞麗基于青藏公路路基現(xiàn)場(chǎng)病害調(diào)查及路基濕度測(cè)試，分析了水對(duì)凍土路基穩(wěn)定的影響[7]。李明永通過(guò)對(duì)青藏鐵路路基的溫度及水分測(cè)試，認(rèn)為土體0℃趨勢(shì)線的存在使水分向凍結(jié)面遷移是水分急劇增大的主因[8]。高軍帥、王立乾等對(duì)路基縱向裂縫的形成原因與防治措施進(jìn)行了研究[9-10]。根據(jù)上述分析，目前從熱角度采用理論模型研究多年凍土路基縱向裂縫病害的較多，但是在水熱綜合效應(yīng)對(duì)多年凍土路基縱向裂縫的影響研究方面較少。

水、熱共同作用及相互影響是路基縱向裂縫產(chǎn)生的主要因素。本文以實(shí)體工程青藏公路為依托，通過(guò)路況調(diào)查分析青藏公路路基病害發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合青藏公路五道梁地區(qū)的典型路段的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)變化特性，在此基礎(chǔ)上從水、熱變化綜合作用的角度分析縱向裂縫的成因。

1 青藏公路典型路段路基病害調(diào)查

為了研究青藏公路路基病害發(fā)展趨勢(shì)，探究青藏公路病害發(fā)生原因?qū)η嗖毓返湫吐范沃饕『M(jìn)行調(diào)查，得到調(diào)查統(tǒng)計(jì)情況如圖1所示。由圖1可以看出，路基主要病害為縱向裂縫、路基沉降、不均勻變形，近年來(lái)路基縱向裂縫愈發(fā)嚴(yán)重，其中2000年調(diào)查路段未出現(xiàn)縱向裂縫，2004、2005、2007、2009年縱向裂縫分別占主要病害總和的30%、31%、62%、64%。路基縱向裂縫所占比例逐年上升，且調(diào)查表明主要有路面邊緣帶沉陷性弧狀沉陷性裂縫、路肩沉陷性縱向裂縫、路面中間帶張性縱向裂縫這三種[2]。

圖1 青藏公路典型路段路基病害

2 典型路段溫度場(chǎng)及水分場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

路基內(nèi)部土體濕度與溫度是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。因此，對(duì)路基內(nèi)部水分與溫度進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，是分析路基內(nèi)部濕度與溫度變化特性及其相互影響的基礎(chǔ)，從而為進(jìn)一步分析路基縱向裂縫形成過(guò)程提供參考。

2.1 試驗(yàn)路段自然環(huán)境

青藏公路K3020+200處位于連續(xù)分布多年凍土區(qū)的五道梁地區(qū)，其海拔在4 600 m以上，年平均氣溫-5.6 ℃，全年凍結(jié)期是11～12月(翌年1～2月)。年降水量 265 mm，年最大積雪深度為14 cm。公路沿線的高降雨量時(shí)段多集中于 5～9 月，其中最大降雨量為87 mm。太陽(yáng)總輻射量最大三個(gè)月為5月至7月，其中最大輻射量為24 MJ(m2·d)-1，太陽(yáng)有效輻射量最大三個(gè)月為3月、4月、10月，其中最大輻射量為10 MJ(m2·d)-1。地形上處于低洼地帶，道路兩側(cè)匯水面積較大，路側(cè)常常出現(xiàn)季節(jié)性積水，植被稀少。多年凍土類(lèi)型以連續(xù)為主，有局部融區(qū)，多年凍土厚度達(dá)40 m至60 m；最大季節(jié)融化深度為1.5 m至2.8 m，凍土構(gòu)造為水平層狀，凍土現(xiàn)象為冰椎、凍脹丘等。

2.2 典型斷面觀測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)溫度、水分傳感器埋設(shè)

K3020+200 的道路橫斷面如圖 2 所示，路基填土高度為4.5 m，路基頂面寬為10 m，邊坡坡度為1∶1.5。該斷面兩側(cè)自然環(huán)境基本類(lèi)似，因此溫度傳感器和水分傳感器僅埋設(shè)半幅路基內(nèi)。共埋設(shè)9層溫度傳感器與水分傳感器，共75只溫度傳感器和75只水分傳感器。傳感器的埋設(shè)位置如圖3所示,其中傳感器垂直間距、水平間距分別為0.5 m、1 m。傳感器最深埋設(shè)為天然地表以下1.5 m。測(cè)溫元件采用高精度熱敏電阻，其測(cè)溫精度為0.01℃,標(biāo)定范圍為-50℃～50℃，熱敏電阻采用非線性元件，其標(biāo)定區(qū)間的最大值為0.5℃。水分傳感器探頭為平面三叉形,長(zhǎng)度為5 cm，其數(shù)據(jù)測(cè)試原理為能量脈沖原理。

圖2 試驗(yàn)路段橫斷面示意簡(jiǎn)圖

圖3 傳感器布置方案圖

3 溫度場(chǎng)變化特性分析

3.1 路基溫度隨深度變化規(guī)律

從路肩和路中溫度隨深度變化曲線(圖4)可看出，深度在3 m以?xún)?nèi)的路基土體溫度隨時(shí)間波動(dòng)大，主要受大氣溫度的影響；而3 m以下路基土體溫度隨時(shí)間變化波動(dòng)小，受當(dāng)?shù)貧夂蜃兓绊戄^小。5月份時(shí)，大氣溫度為0℃以上，路基內(nèi)部溫度隨深度增加而基本呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明其內(nèi)部溫度滯后于大氣溫度時(shí)間越長(zhǎng)；同時(shí)路肩溫度梯度變化比路中溫度梯度變化小，這主要是由于路面吸收太陽(yáng)輻射能向下傳遞使路中升溫快，而路肩受風(fēng)對(duì)邊坡蒸發(fā)散熱的影響升溫慢。9月份時(shí)，隨深度增加而路基溫度呈下降趨勢(shì)，路肩下深度3 m以?xún)?nèi)土體處于融化狀態(tài)，溫度最高為7℃左右，路中3.5 m以?xún)?nèi)處于融化狀態(tài)，最高溫度為14℃。2010年9月及2011年9月的路基內(nèi)部溫度隨深度變化特性基本一致，即路基內(nèi)部溫度隨大氣溫度而周期性變化。

3.2 路基溫度橫向變化特征

對(duì)比圖4(a)、(b)可以看出，5月與9月的路基內(nèi)部溫度橫向分布基本一致。5月份時(shí)，深度為0.5 m至2.5 m以?xún)?nèi)，路中溫度大于路肩溫度，2.5 m深度以下，路肩溫度高于路中溫度，主要是由大氣降雨或路側(cè)積水入滲路肩帶來(lái)熱量所致。路基頂面以下2.5 m范圍以?xún)?nèi)，路中與路肩的溫度梯度較大，當(dāng)路基深度大于 2.5 m時(shí)，隨深度的增加，路中與路肩的土體溫度差呈減小趨勢(shì)。主要原因：靠近路基頂面，路肩與路中受氣溫、太陽(yáng)輻射,蒸發(fā)、大氣降水及路面熱量傳遞的影響差異較大。隨深度的增加，路肩與路中受外界環(huán)境的干擾減小。9月份時(shí)，路基頂面以下3.5 m以?xún)?nèi)，土體溫度為正溫，路中溫度大于路肩溫度；3.5 m以下，土體處于凍結(jié)狀態(tài)，路中溫度總體大于路肩溫度，路基溫度梯度隨深度增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，溫度隨深度逐漸降低。

圖4 路基土體溫度隨深度變化曲線

4 路基水分場(chǎng)變化特性分析

路基中水分的變化特性指的是土體中的液態(tài)水(亦即未凍水)隨季節(jié)、外界環(huán)境條件及路基深度的變化過(guò)程。

4.1 路基土體含水率隨深度變化特性

從含水率隨深度變化曲線(圖5)可看出，路肩與路中含水率隨深度變化趨勢(shì)大致相同。5月份時(shí)，氣溫為正值，在深度為1.0 m以?xún)?nèi)，路基土體開(kāi)始融化，隨深度增加，路肩土體含水率不斷增大，深度為1 m至4.0 m的土體基本處于凍結(jié)狀態(tài)，其含水率隨深度變化出現(xiàn)波動(dòng)。相同深度下，9月份時(shí)的土體含水率要遠(yuǎn)大于5月份的，這是由于：①9月份時(shí)，路基土體處于融化狀態(tài)，未凍水含量大，受溫度影響，水分遵循從高勢(shì)能向低勢(shì)能遷移，即水分向凍結(jié)冰峰面遷移，含水率增大；②9月是集中降雨期，大氣降水通過(guò)邊坡滲入路基及路側(cè)積水橫向滲入路基所致。9月份時(shí)，3 m深處的路基土體含水率達(dá)到飽和狀態(tài)，主要是地下水位上升及向上遷移導(dǎo)致的。

圖5 路基土體含水率隨深度變化曲線

4.2 路基土體含水率橫向分布特性

對(duì)比圖5(a)、(b)可看出，路基內(nèi)部含水率橫向差異明顯，在路基深度3 m以?xún)?nèi)，路肩含水率明顯大于路中含水率。路基內(nèi)部含水率的變化會(huì)影響水分運(yùn)移參數(shù)的改變，使路基土體在不同土層內(nèi)發(fā)生不均勻遷移[11]。5月份時(shí)，路基土體開(kāi)始進(jìn)入融化狀態(tài)，由于路肩下土體受氣溫影響大，凍土融化速率快，使得3 m深度以?xún)?nèi)的路中含水率小于路肩含水率；當(dāng)深度大于3 m時(shí)，路中含水率明顯大于路肩含水率，主要原因是溫度梯度使路肩水分向路中遷移。9月份時(shí)，該地區(qū)是集中降雨期，大氣降水造成路側(cè)積水或大氣降水滲入邊坡橫向遷移，致使路基深度3 m以?xún)?nèi)的路肩含水率明顯大于路中含水率；當(dāng)深度大于3 m時(shí)，路中的含水率大于路肩的。

4.3 路基溫度場(chǎng)對(duì)水分場(chǎng)的影響

溫度對(duì)水分遷移的影響主要是通過(guò)改變水在土中的存在狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)的，水在負(fù)溫條件下發(fā)生凍結(jié)，改變了土體中的水分梯度，使水從含量多的地方向含量少的地方運(yùn)動(dòng)。圖6為5月份及9月份土體溫度與水分分布圖。

圖6 5月份及9月份土體溫度與水分分布圖

由圖6可看出，在5月份和9月份時(shí)，路基深度為3.5 m以?xún)?nèi)部分，土體處于正溫狀態(tài)，隨深度增加溫度降低，土中的水分向上遷移，使上層土體中水分充分富集。距路基頂面3.5 m范圍內(nèi)土體已處于正溫，路基內(nèi)部含水率隨深度增加有增大也有減小趨勢(shì)；在2 m至3.5 m之間，受大氣降水及地表水重力入滲的影響，加之溫度梯度的作用，水分向0℃線集聚明顯，致使距路基頂面2 m至2.5 m范圍含水率增大，在2.5 m處達(dá)到最大；隨著溫度降低至0℃以下，未凍水含量集聚減小，2.5 m至3.5 m以?xún)?nèi)，含水率急劇下降，主要原因是3.5 m附近存在溫度0℃趨勢(shì)線，致使 3.5 m以上水分不能往下遷移，3.5 m以下水分由于土體處于凍結(jié)狀態(tài)不能向上遷移，致使周?chē)式档汀?/p>

綜合上述分析可知，路基內(nèi)部的水分與溫度場(chǎng)是緊密相連的，路基中熱量的差異和改變引起水分的遷移和轉(zhuǎn)換。路基內(nèi)部由于溫度勢(shì)(凍結(jié))作用產(chǎn)生的遷移量大于融化過(guò)程中的重力勢(shì)遷移量，致使路基內(nèi)部水分持續(xù)增大，水分由溫度高處向溫度低處遷移，有向0 ℃線遷移的趨勢(shì)，致使水分在凍土上限附近集聚。

5 基于水、熱變化的縱向裂縫成因分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果可知，水、熱變化能造成路基產(chǎn)生縱向裂縫主要原因是：隨著溫度場(chǎng)的變化會(huì)導(dǎo)致水分場(chǎng)的變化，進(jìn)而使土體水分發(fā)生不均勻遷移，從而造成路基土體產(chǎn)生凍脹或融沉，再加上水熱變化是隨季節(jié)的周期性變化，土體的凍融循環(huán)加劇及路基土體力學(xué)性質(zhì)變化引起路基縱向裂縫的產(chǎn)生。

1)凍脹與融沉

在寒季時(shí)，大氣的負(fù)冷量增大，在土體含水率增大時(shí)，土體中的水分凍結(jié)成冰而體積膨脹導(dǎo)致凍脹作用越強(qiáng)，使已凍土體產(chǎn)生拉應(yīng)力與土體自重應(yīng)力之和大于土體的抗拉強(qiáng)度，產(chǎn)生拉裂破壞；在暖季時(shí)，大氣溫度高，太陽(yáng)輻射量大，降雨量大，一方面，在太陽(yáng)輻射作用下，路基內(nèi)部溫度升高，凍土層開(kāi)始融化，路基內(nèi)部含水量不斷增大，造成路基整體強(qiáng)度降低，在自重及荷載反復(fù)作用下，路基產(chǎn)生沉陷，進(jìn)而致使沉陷裂縫的產(chǎn)生。另一方面，在低洼路段或排水不暢路段路基外積水滲入路基內(nèi)部，滲入將給多年凍土帶入較大熱能，使凍土溫度升高發(fā)生融沉，造成位于其上的部分路基產(chǎn)生沉陷變形，路基局部沉陷變形使路基土體內(nèi)產(chǎn)生近于垂直方向的剪切應(yīng)力，剪應(yīng)力達(dá)到一定程度則出現(xiàn)開(kāi)裂破壞導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。

2)水分的遷移

路基中單獨(dú)溫度場(chǎng)的變化是無(wú)法誘發(fā)路基病害，只有當(dāng)溫度場(chǎng)的變化引起土體水分的不均勻遷移，才會(huì)引起路基病害的產(chǎn)生。土體凍結(jié)時(shí)，土體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，出現(xiàn)了凍結(jié)鋒面及冰晶體，破壞了土中的水量平衡，導(dǎo)致水分產(chǎn)生遷移。在溫度作用下，水分由溫度高處向溫度低處遷移，有向0℃線遷移的趨勢(shì)，在土體接近于范圍內(nèi)含水率有增大趨勢(shì)，隨著含水率的增大土體空隙間水分增多，增大了土體之間的潤(rùn)滑作用，使土體回彈模量急劇衰減，使土體強(qiáng)度降低，使路基強(qiáng)度不均勻分布，而凍結(jié)區(qū)未凍水的繼續(xù)凍結(jié)將產(chǎn)生凍結(jié)膨脹壓力，導(dǎo)致土體受壓變形，產(chǎn)生沉陷，最終導(dǎo)致縱向裂縫的生成。

3)凍融疏松

修筑完工的路基暴露在大氣環(huán)境中，在溫度周期變化、大氣降水、地表水和地下水的影響下，土體經(jīng)歷著干濕和凍融循環(huán)作用，其土顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)與排列方式發(fā)生改變，土體凍結(jié)時(shí)，冰晶體擴(kuò)大能使土顆粒破裂，解凍后，土體變得比較疏松，進(jìn)而使得路基土體密度及力學(xué)特性發(fā)生了變化，路基土體變得松軟，路基整體強(qiáng)度下降，致使路基承載能力降低。當(dāng)路基土層豎向變形不均勻時(shí)，且行車(chē)荷載在路面上造成的應(yīng)力大于路面抗彎拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生縱向裂縫。

6 結(jié) 語(yǔ)

1)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明縱向裂縫為青藏公路典型病害類(lèi)型，且主要有路面邊緣帶沉陷性弧狀沉陷性裂縫、路肩沉陷性縱向裂縫、路面中間帶張性縱向裂縫這三種。

2)選擇K3020+200作為典型橫斷面埋設(shè)溫度傳感器及水分傳感器，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)了路基內(nèi)部水分和溫度的變化過(guò)程。揭示了凍土路基內(nèi)部溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)變化的特性：路基內(nèi)部溫度變化滯后于路基表面，并隨深度增加呈下降趨勢(shì)，隨大氣溫度而呈季節(jié)性周期變化，溫度梯度隨深度增加而遞減；5月、9月水溫分布圖表明，受大氣降水及地表水重力入滲的影響，加之溫度梯度的作用，水分向0℃線集聚明顯，致使距路基頂面2 m至3.5 m范圍含水率增大；隨著溫度降低至0℃以下，未凍水含量集聚減小，2.5 m至3.5 m以?xún)?nèi)，含水率急劇下降。

3)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，水、熱變化能引起路基縱向裂縫產(chǎn)生的原因在于隨著溫度場(chǎng)的變化會(huì)導(dǎo)致水分場(chǎng)的不均勻遷移，路基產(chǎn)生凍脹或融沉，凍融循環(huán)引發(fā)的凍融疏松等，從而引發(fā)路基土體性能發(fā)生改變引起路基縱向裂縫產(chǎn)生。

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