青藏公路路基路面不均匀变形有限元计算分析★

李洪蛟 吴婷婷

(中国葛洲坝集团国际工程有限公司，北京 100022)

1 不均匀变形的影响因素

冻土融沉引起的青藏公路的不均匀变形主要受以下四方面的因素影响。

1.1 路基

1)填土高度。

青藏公路是沥青路面，沥青路面有很强的吸热作用，路基高度越高，路基内部吸收的热量就越多，而且填土高度越高，热量越不容易散失，因此就导致部分热量常年聚集在高填土路基内部，如果不及时处治就会引起多年冻土的热融下沉，路基内部聚集的热量会使冻土产生融化区，进而导致路基的不均匀沉降变形[1]。

2)土体容重。

土体的自重和容重成正比关系，土体的自重随容重的增减而增减。在高填土路堤段，土体的容重越大就会越增加天然地基土体的承重，尤其在季节活动层软弱，路基内部存在融化夹层的路段，很容易引起路基的不均匀沉降变形。

3)填土力学性质。

青藏公路无论是在新建还是在改建过程中，一直处在经济条件与施工条件贫乏的情况下，施工机械不够完备，环境条件影响大，都会导致路基填筑不均匀，压实度指标不能满足标准，造成施工过程中压实不均匀;青藏公路一直以来路基防护工程不完善，很多路段甚至没有路基防护工程。因此，在特殊的地理位置和环境条件下造成路基和路面的损坏。

1.2 季节活动层

青藏公路路基基底的季节活动层大部分为亚粘土，这种土质受水的影响很大，含水率是影响季节活动层性质的关键因素。青藏公路的路基、路面防水和排水设施不完善，路基两侧常年积水，其季节活动层含水率过大，土体变得异常松软，其模量也大幅度下降，最终影响了原天然地基的承载能力，此时的土质具有更大的变形性和可压缩性，导致路基产生不均匀沉降变形，到冬季严寒季节，含水率大的土质产生冻胀，导致土体膨胀，经过冻胀融沉的反复作用，路基路面最终产生不均匀变形。

1.3 多年冻土融化区

根据前期的现场调研数据显示，在楚玛尔河地段多年冻土融化区的融化深度为2 m～3.6 m，近些年年平均地温逐渐升高，多年冻土层普遍存在着上限下移的现象，尤其再加上水的影响，就产生了以融沉为主的公路路基病害，其融化深度越深，融化范围越大，对不均匀变形的影响就越大。

1.4 多年冻土层状态

随着年平均地温的升高，多年冻土就变得十分脆弱，再加之在建设过程中人为的扰动，就会加速冻土的融化速率。所以，多年冻土的年平均地温是地质条件划分时最重要的评价指标之一[2，3]。

多年冻土的分布类型、年平均地温、水文地质等因素造成了青藏公路路基路面错综复杂，为此预防处治路基路面的不均匀变形要综合考虑[4]。

2 有限元模型的建立

本文主要针对青藏公路路基两侧坡脚积水，路基填土高度不一，原天然地表呈现波浪起伏，存在融化夹层的特殊路段进行分析。

2.1 不均匀变形计算模型

针对存在融化夹层情况的路基路面建立模型，其主要模型参数为:路基顶面宽度为10 m，边坡坡率为1∶1.5，路基高度范围采用0.5 m～3 m进行分析，季节活动层厚度为2 m;融化夹层深度范围为冻土上限下2 m～3.6 m，其融化夹层半径为4.5 m，地基宽度取路基两侧坡脚外10 m[5]，在进行有限元模型计算时，融沉区形状设为矩形，路基单元采用平面应变问题进行分析，建立对称的二维有限元模型，如图1所示。

2.2 模型参数

在进行有限元的模型计算过程中需要分析的参数及各参数取值如表1所示[6]。

表1 参数取值表

由于土体模量受水和温度等的影响，会产生一定范围的变化，此值为一定范围的值。

3 计算方案

在保证正确、全面分析的前提下，为精简计算工作量，首先采用正交试验对各模型计算参数进行组合分析。根据JTG D50-2006公路沥青路面设计规范以及经验取值得出各影响因素的参数范围。采用五因素五水平进行分析，如表2所示。

表2 正交试验分析表

根据上述计算方案的分析，分别得到25种工况下，在横向不均匀变形情况下的基层层底附加应力以及在纵向不均匀变形情况下不均匀变形波幅的情况。

通过对计算结果中车辆荷载作用下的基层层底荷载应力与不均匀变形引起的附加应力之和，分别与不同年限下基层层底容许弯拉应力值进行对比分析，可最终得出，在设计年限内路面基层层底几乎都会产生拉裂破坏，有的甚至在运营的前两年就产生破坏。

把计算结果通过Origin进行回归分析后，可得出各因素之间的关系式:

其中，H为路基填土高度，m;h为融化深度，m;E1为路基填土模量，MPa;Ej为季节活动层模量，MPa;Er为融化区模量，MPa。

通过计算可得，青藏公路路基路面纵向不均匀变形波幅的范围为0.6 cm ～7.2 cm。

4 结语

根据青藏公路路基路面不均匀变形的特点、产生原因及影响因素，建立有限元模型，并通过ABAQUS有限元计算得出了纵向不均匀变形波幅与各模型参数之间的相关关系式，并通过以上分析可得基层层底大部分在第六年就会产生拉裂破坏。

[1] 王绍令，赵 林，李述训，等.青藏公路多年冻土段沥青路面热量平衡及路基稳定性研究[J].冰川冻土，2001，23(2):111-118.

[2] 吴紫汪，程国栋，朱林楠，等.冻土路基工程[M].兰州:兰州大学出版社，1988.

[3] 窦明健，胡长顺.多年冻土地区路基设计原则及其应用[J].冰川冻土，2001，23(4):402-406.

[4] 温 智，盛 煜.退化性多年冻土地区公路路基地温和变形规律[J].岩石力学与工程学报，2009，28(7):1477-1483.

[5] 杨蓓蓓.多年冻土地区沥青路面结构设计方法研究[D].西安:长安大学硕士论文，2005.

[6] 裴建中.多年冻土地区路基纵向裂缝形成机理及处治对策研究[D].西安:长安大学博士论文，2004.