路基臨界高度

由於水、熱、力、耦合計算的複雜性, 還難以實現根據變形及強度指標進行凍土路基的設計, 仍然是根據凍土路基中温度分佈進行設計。在這種設計思路指導下, 臨界高度已成為多年凍土地區公路路基設計中的一個控制指標。合理的臨界高度對於凍土路基的安全有着十分重要的意義, 基於此, 本文以青藏公路為依託, 綜合考慮路基走向、邊坡坡率、風速、輻射、蒸發等多種因素, 對凍土路基温度場進行了計算, 經過分析凍土路基中的温度分佈和變形特點, 並結合青藏公路的路況調查結果, 對凍土路基臨界高度進行研究。

高原多年凍土地區路基路面典型結構研究課題組對青藏公路病害類型進行了多次調查工作。調查發現路基沉陷、波浪起伏、縱向裂縫較為嚴重, 各種病害的發育與工程建設歷史存在明顯的關聯性 。青藏公路 “八五改建” 後, 病害相當嚴重。“八五改建” 是 1974 年 ～ 1985 年對青藏路的全面改建階段, 此次改建鋪築了瀝青路面 , 大大提高了青藏路的通行能力和使用性能 , 但路面吸高原多年凍土地區路基路面典型結構研究課題 熱能力加大, 不利於路基穩定 , 而且路基高度仍然很低, 在調查路段所測的 38 個改建工程數據中 , 路由於 “八五改建” 後病害嚴重, 1992～1996年對青藏公路進行了一期整治, 一期整治採用的主要措施是加高路基, 一期整治工程在調查中, 共測得60個路基高度數據, 平均高度2.1m ,較“八五改建”工程有了大幅提高,個別路段路基高度大於4m 。“八五改建”工程的38 個調查路基高度數據中, 沒有一個數據大於2.5m, 一期整治後, 在調查得到的60個路基高度數據中,有6 個大於3.0m ,15 個大於2.5m ,有35 個大於2m 。提高路基高度收到了顯著效果, 路基沉陷、波浪病害大幅減小, 但縱向裂縫病害卻大幅增加。調查中發現, 一期整治後, 路基高度大於3.0m 的路段,縱向裂縫特別發育。由此可以看出, 一期整治後, 部分路段路基高度過高導致縱向裂縫特別發育, 而路基高度過低則是引起“八五改建” 工程病害嚴重的原因, 因此, 路基高度即不能太小、也不能太大, 必須選擇合理的高度。

凍土地區大多數地段, 上限附近凍土層中含冰量比較高, 修築路基時, 如果引起上限下降, 上限處凍土層融化, 形成融化槽, 高含冰凍土的融化會產生非常顯著的下沉量, 這往往會使路基破壞, 出現沉陷, 波浪等病害。因此, 在凍土路基設計中, 保證上限不下降已成為一個基本原則, 要求路基高度不小於臨界高度。臨界高度是保證凍土上限不下降的路基最小填土高度。但單憑此臨界高度值進行路基的設計還很不夠, 因為路基高度大於臨界高度, 只能保證上限不下移, 避免了因上限下移對路基的危害, 但並沒有考慮上限以上路基土中的不安全因素, 因而在實際工程中大量存在這樣的現象:雖然路基高度大於臨界高度, 但路基仍然出現了一系列病害。因此, 為了保證路基的安全, 路基的設計高度不僅要保證上限不下降, 而且要保證路基本身是安全的。鑑於此, 對凍土路基臨界高度的定義應該拓寬, 本文將凍土路基臨界高度定義為保證路基處於安全狀態的填土高度, 並根據凍土路基的特點, 結合路況調查結果, 認為凍土路基的臨界高度應有下和上兩個值, 下臨界高度是保證上限不下降的路基最小高度, 上臨界高度是保證上限以上路基部分安全的填土高度。

上臨界高度是一個新概念, 需要認真研究, 下臨界高度的研究, 則早已為人們所重視, 國內的凍土工作者, 早在 80 年代就提出了確定下臨界高度的方法, 並給出了計算公式, 但都是總結觀測數據得到的。由於觀測時的凍土條件現在已經發生了變化 , 根據當時觀測結果得到的結論其適用性現在已大大降低, 因此, 有必要對下臨界高度再進行研究。本文通過對凍土路基二維相變非穩態温度場進行計算 , 經過對計算結果的分析歸納, 對比路況

青藏公路大量工程實踐表明 , 只要路堤修築在一定高度 H0 , 路基下凍土上限就保持不變 , 而當路堤修築高度低於此高度 H0 時, 路基下凍土上限就發生下移, 此下臨界高度與凍土天然上限深度 、 土性 、面層材料、 地形、 氣温等有關。確定下臨界高度, 是為了保護多年凍土, 這隻適用於穩定型凍土 , 即適用於年平均氣温低於 -4 ℃、 10m 深度處的土温常年處於負温的凍土。對穩定型凍土場地, 採用有限元法, 對年平均氣温 -4.0 ℃, 天然上限 2.6m , 瀝青路面和砂礫路面, 高度 H 分別為0.5m 、 1.0m 、 1.5m 、 2.0m 、 3.0m 的路基進行了計算, 分別給出 0.5m 、 1.0m 、 1.5m (砂礫面)、 2.0m (瀝青面)及 3.0m 高度路基的上限。 當路基高度為0.5m 時 , 不管是砂礫面層還是瀝青面層 , 上限均下移 。當路基高度 2.0m 時, 兩種材料路面下的上限均上升。當路基高度 1.0m 時, 出現了砂礫路面下上限上升而瀝青路面下上限下降。進一步對砂礫路面路基高度在0.5 ～ 1.0m 區間 , 瀝青路面路基高度在1.0 ～ 2.0m 區間取值進行試算 , 計算得到維持砂礫路面和瀝青路面下上限不變的路基高度分別為 0.62m和 1.79m 。 對天然上限公別為 1.95m 、 2.27m 和2.95m 的場地進行了計算 , 得到砂礫路面路基的下臨界高度分別為 0.85m 、 0.70m 和 0.64m , 瀝青路面路基的下臨界高度分別為 2.06m 、 1.93m 和 1.64m 。對計算結果進行迴歸分析 , 得到下臨界高度計算式 :砂礫路面 : HL =1.41 -0.31·HN (1)從路況調查結果可知, 青藏公路經“八五改建”後, 路基平均高度0.9m, 大部分路段的路基高度低於上式所確定的下臨界高度, 路基病害嚴重, 一期整治後, 路基平均高度2.1m, 大部分路段的路基高度大於上式所確定的下臨界高度, 路基病害顯著減少。

普遍認為, 路基高度的增加, 使上限上升, 事實上對高路堤來説並非如此, 圖3所示為修築4m、3m 、2.3m 、1.5m 、1.0m 高度路堤後,瀝青面層路基中最大融土深度隨時間的變化曲線。 路基修築後, 每年的最大融化深度幾乎不隨時間變化, 始終維持在上限深度, 上限並非上升, 這是由於高路堤蓄熱量比較大, 在路基凍結層中存在未凍(融)土核。4m高路基修築後12年, 3m高路堤修築後7 年,2.3m 高路基修築後3 年,路基中常年存在非凍(融)土核, 隨着路基高度的增加, 路基中長年存在非凍(融)土核的時間越長, 雖然並未引起上限下降, 但未凍(融)土核的存在對路基穩定性是相當不利的。未凍(融)土核常常會出現上部凍結減小而下部融化擴展的情況, 此時, 凍結和融化是同時存在的, 很難嚴格區分融土核或未凍土核, 總之, 都是正温核。為了描述方便, 以下將未凍土核和融土核均稱為融土核。由於路基中的温度分佈是非對稱的, 融土核常常偏於陽坡面 ,為東北走向路基、瀝青路面和砂礫路面,3m 高路基中的凍融界面圖。從圖可看出,融土核不僅偏向陽坡面, 而且融土核的大小 、 位置、 形狀均隨時間而變 ,融土核變化區域內的土雖然也經歷凍融循環, 但其凍融歷程和性質與兩側土不一樣, 其變形也和兩側不一樣, 當融土核周圍土產生凍脹變形時, 產生凍脹反力, 對融土核土產生壓密作用, 會出現周圍土體積膨脹而中間壓密體積減縮的現象。當週圍土融化時, 周圍土層產生融沉, 而未凍土核比較密實的土幾乎是不變形的, 這必然使路基產生不均勻沉降, 當沉降差超過容許值時, 路基就會破壞, 不均勻沉降也會在路基中產生複雜的應力分佈, 再加上車輛荷載的作用, 凍土路基極易出現縱向開裂、反拱等病害。融土核越偏向陽坡面, 融土核土受到的側向約束越小, 不均勻變形越大, 路基越易出現縱向開裂病害, 即使融土核位於路基中心部位, 也會出現反拱病害。因此, 在凍土路基設計時, 應最大可能地消除融土核的存在, 大量計算表明, 路基高度越大, 其中存在融土核的月份越多、年限越長, 而且融土核的規模越大。路基高度越小, 其中存在融土核的月份越少, 年限越短, 融土核的規模也越小。為了避免融土核的危害, 應最大限度地減少融土核存在的時間及減小融土核的規模, 這就要求採用高度較小的路基, 在保證上限不下降的情況下, 路基高度越小越好, 因此, 為了保證路基的安全, 對路基的最大高度應予限制, 路基高度不應大於一定的值, 此值即上臨界高度。

融土核的規模大小、 存在的時間在路基修築後逐年發生變化, 為此對瀝青路面3.0m和1.5m高路基修築後的温度場逐年進行了計算, 從計算結果可以看出, 所有高度路基温度場變化過程中, 都會出現融土核。因此, 確定上臨界高度時, 消除融土核是不可能的。路基修築後, 路基中融土核的規模逐年減小, 存在的月份也變少, 只要一定的路基高度能保證路基中融土核存在的時間短、規模小, 使路基不出現病害, 就可將滿足此條件的最大路基高度作為上臨界高度。確定具體的上臨界高度值較困難, 只能採用相對的方法, 從圖中還可以看出, 融土核的規模與存在的時間是密切相關的, 融土核規模越大, 存在的月份越多。反之, 融土核存在的月份越多, 規模也越大。

路基修築後如圖所示, 雖然融土核規模逐年發生變化, 但每年當融土核規模最大時 (約在 12 月 10 日), 融土核上部距路面的凍土層厚度每年幾乎是相等的 , 以此厚度作為標準 , 以融土核年最大厚度不大於此標準厚度來確定上臨界高度 。在實現凍土路基的變形及強度計算之前 , 只能採用近似的相對標準。路基修築後第一年 , 在路基土自重及車輛荷載作用下, 路基本身會發生沉落及更復雜的變形, 處於重要的調整期, 這時期影響路基變形的因素較多, 出現病害並不一定是由温度場引起的。因此, 以路基修築後第二年的温度場確定上臨界高度 , 只要第二年融土核最大厚度不大於標準厚度 , 以後各年融土核最大厚度一定小於標準厚度。温度場逐年變化圖已清晰地反映了這一點 , 對年均氣温 -4 ℃, 天然上限 2.6m 場地不同高度路基進行了試算 , 得到這一場地路基的上臨界高度為1.90m , 對不同天然上限地區的計算表明, 天然上限不同 , 上臨界高度不同 。計算點是天然上限分別為 1.95m 、 2.27m 、 2.6m及2.95m 時的計算結果 , 其近似呈直線分佈, 對計算結果進行迴歸分析, 得到瀝青路面路基上臨界高度HU 可近似按下式進行計算:HU =5.03 -0.81·HN (3)對砂礫路面路基, 其中的融土核規模遠小於修築後同期瀝青路面路基中的融土核規模 。對砂礫路面路基 , 採用與上述計算瀝青路面路基上臨界高度相同的標準, 計算得到年平均氣温-4.0 ℃、 天然上限2.6m 場地砂礫路面路基的上臨界高度為 2.7m 。計算過程同上述瀝青路面一樣 對計算結果進行迴歸分析, 上述確定上臨界高度, 是根據路基修築後第二年的温度場資料確定的, 如果依照第三年及以後的温度場資料, 仍保持上述上臨界高度不變, 則確定標準將提高, 即要求融土核規模更小, 路基將更加安全。因此, 在路面修築過程中, 如果分二次鋪築, 第一次在路基竣工後即鋪築, 第二次在若干年後如第三年後鋪築, 則第二次鋪築路面將更加安全有效, 第二次鋪築不僅是對已有病害的整治, 而且此時路基安全等級提高, 這使得第二次鋪築路面再出現病害的可能性減小, 有利於保持路面的平整度, 有利於行車的舒適高效。

凍土路基上臨界高度對路基高度最大值做了限制, 為了保證路基的安全, 路基高度不宜大於上臨界高度。由於高路基修築時的蓄熱量及修築後路基坡面的吸熱量都比較大, 使路基中的温度分佈變得複雜, 從而使變形複雜化。正如前文所述, 這對路基的安全是不利的, 這一點已為實踐所證實, 對青藏公路的調查已經發現, 在高度大於3.0m的路堤中, 縱向裂縫特別發育, 此時的路基高度大於式(3)所確定的臨界高度。因此, 對凍土路基高度最大值進行限制是必需的。

由於路基設計高度必須處於上、 下臨界高度之間, 高吸熱性的瀝青路面路基的上、下臨界高度區間比較小, 這給線路設計造成一定的困難, 而低吸熱性的砂礫面層路基的上、下臨界高度區間比較大,採用低吸熱性的面層材料, 會給線路設計帶來方便。

本文將臨界高度的概念拓寬為保證路基處於安全狀態的填土高度, 基於大量的計算結果, 對凍土路基中的温度分佈和變形規律進行分析, 並結合青藏公路的路況調查結果, 提出了凍土路基的臨界高度應有下和上兩個值, 並得到了確定砂礫路面路基和瀝青路面路基下臨界高度和上臨界高度的計算方法。計算結果反映了工程實際, 特別是採用上臨界高度對凍土路基的最大高度進行限制, 是保證凍土路基安全所必需的。 ^[1]