岛状冻土路基竖向位移周期性热响应试验研究

常继峰 贾 贞

（1.哈尔滨学院 工学院,哈尔滨 150086；2.黑龙江省地下工程技术重点实验室（哈尔滨学院）,哈尔滨 150086）

在高纬高寒岛状冻土区,随着极端气候及人类生产活动对公路地温环境不断产生热扰动,路基下部多年冻土的退化程度逐渐加大,路基结构极易发生热融沉、冻胀开裂等较为严重的路基病害,从而直接威胁公路的运营安全[1].为了准确掌握岛状冻土路基的热变形规律,有效减少路基病害,提高公路使用性能,应首先对路基土体竖向位移的主要影响因素进行分析和优化,为此工程师们做了大量工作,既往的研究成果主要集中于以下两个方面：

1)目前针对多年冻土区公路工程的研究主要集中于西部高海拔地区,该地区由于冻土体量大且较为连续,加之地表散热性较好,因此路基的差异性热变形相对较小[2]；我国北方高纬度地区则明显不同,由于地表以黏性土为主,吸水性强,散热差,路基下部多为高温冻土,对热交换较为敏感,冻土上限退化程度较高,退融速率较快,同时,由于冻土体量差异较大,且分布不连续,因此导致不同路基断面的热稳定差异较大.

2)既往研究多偏向于通过路面的竖向位移情况反映路基的整体热稳定性,针对冻土路基内不同土层的差异性热稳定特征研究相对较少,且相关研究也大多采用数值计算、仿真模拟等方法进行理论分析[3].由于理论分析假设条件较多,且存在着一定的主观性,导致计算结果与实际值存在较大偏差,因此,为了能够准确反映岛状冻土路基热稳定状态的规律性特征及主要影响因素的作用效果,还应按照气温及地温的变化规律,对路基内不同土层关键节点处的竖向热位移进行周期性试验观测.

本文以高纬高寒地区前嫩公路岛状冻土路段为研究载体,选取代表性路基断面进行试验观测,通过对各试验断面不同土层竖向位移的数据采集及对比分析,揭示了高纬度地区岛状多年冻土路基竖向热位移的年周期性规律特征,以及主要影响因素的作用效果,为该地区公路工程建设与决策提供科学依据.

1 试验设计

1.1 试验断面

前嫩公路全长163.417 km,路线范围内以高含冰量的富冰及饱冰多年冻土路段为主,冻土埋深0.47～25.12 m,土层厚度3.25～21.71 m,冻土温度-0.1℃～-1.7℃[4],综合考虑冻土融沉性质、地基处理方式及冻土上限处土体特征等路基热稳定性影响因素,在试验路段共选取8个代表性路基断面作为试验断面,各试验断面的基本情况见表1,地质状况如图1所示.

表1 各试验断面基本情况

图1 各试验断面地质情况

1.2 测点布置

由于道路中线处为沥青路面,吸热、封水效果较好,边界条件相对稳定,变异性较小[5-6],而路肩处竖向位移受路基内水分迁移而发生的侧向变形影响较大,因此将道路中线处作为路基竖向位移试验观测位置,每个试验断面内共设置3个位移观测点,分别布置于路基填土层和活动层的中央,以及冻土上限处(y1,y2,y3),测点布置如图2所示.

图2 试验测点布置示意图

1.3 试验设备

试验设备主要由沉降磁环、限位管箍及固定导管组成,如图3所示.沉降磁环通过限位管箍附着在导管测点位置上,在公路施工期间,在各试验断面路基中线处钻孔埋设导管,工后数据采集选用CHXKJ(91C4)型沉降测试仪[7],该测试仪由导线、绕线盘、接收装置及测头组成,精度为1.0 mm,量程为100 m,误差±0.1 mm,符合冻土路基土体竖向热位移观测试验的数据要求.

图3 竖向位移试验设备

1.4 数据采集

在工后一个年周期内,每月月底通过对测点位置处沉降磁环上部及下部的位置数据进行读取[8],获得各试验断面相应位置处的竖向位移数据,由于导管底部埋置较深,可假定其处于固结约束状态,不发生竖向位移,因此沉降磁环相对导管上端的距离(Si)为：

式中：Ji,Hi分别为导管上沉降磁环在导线进入与返回过程中相对导管上端的距离(mm).

2 周期性特征分析

2.1 大气温度

影响岛状冻土路基热稳定状态的外部因素主要是大气温度的变化[9],通过现场实测,试验路段年周期内各月的平均气温如图4所示.

图4 试验路段年周期气温变化曲线

2.2 路基地温

年周期内部分试验断面中线处各土层的地温变化曲线如图5所示.

图5 试验断面地温变化曲线

由图5可以看出,各试验断面年周期内的地温变化具有明显的阶段性特点：1～4月,各土层的初始温度虽有所不同,但受大气温度影响,各土层温度很快降到0℃以下,并持续降低,该期间路基处于持续冻结状态；5～9月,随着大气温度升至0℃以上,路基各土层温度随之逐渐升高,并最终转变为正温状态；10～12月,路基地温场随大气温度开始逐步降温,并在期间末尾,各试验断面冻土上限处的地温再次降到0℃以下,此时年周期内的冻融过程结束.由于各试验断面冻土上限埋深位置及含冰量的差异,造成年周期内各试验断面同一土层间的温度变化范围存在着较大差异.

2.3 位移特征

年周期内部分试验断面各土层竖向累积位移曲线如图6所示.

图6 试验断面各土层竖向位移累积曲线

结合大气温度及路基地温变化可以看出,年周期内各试验断面的竖向位移均表现出较为相似的阶段性变化特点：

1)1～4 月,当大气温度始终处于0℃以下时,路基由于遭受冻结,土体刚度相对较大,位移量值相对较小,但对于地下水位较高的试验断面,由于聚冰效应导致水分不断侵入路基内部,从而形成局部冻胀,因此该期间部分土层土体竖向位移出现正向发展现象.

2)5～9 月,当大气温度始终处于0℃以上时,路基土体刚度随之逐渐减小,竖向位移发展方向发生改变,位移量值开始增加,但由于高等级公路路基土体的压实度相对较高,因此该期间路基各土层的竖向累积位移虽逐渐增大,但路基整体的热稳定状态相对较好.

3)10～12 月,受上一阶段路基内部累积热效应的影响,冻土上限发生退融,路基土体的竖向位移量值随之迅速增加,随着气温在0℃以下并持续降低,位移速率明显减小,由此可见,冻土上限处土体刚度对路基整体的热稳定状态起着关键作用,由于该期间路基的退融深度远大于冻结深度,导致路基活动层与冻土上限间易形成高温含水夹层,从而对路基的热稳定状态构成严重威胁.

3 影响因素分析

由于冻土上限处的埋深、含水率,以及地基处理方式的不同,导致各路基试验断面竖向位移的发生时间及发展程度存在着较大差异[10].

3.1 冻土上限覆土厚度

在冻土上限处土质及地基处理方式均相同的富冰冻土路基中,对比分析含水率相近,而覆土厚度存在差异的路基试验断面,如图7所示.

图7 差异性覆土厚度土层竖向累积位移对比

由图7可以看出,当路基遭受冻结时,对比试验断面间的土体位移较为接近,覆土厚度对路基热稳定性的影响相对较小；随着路基解冻,试验断面K85+580(H=4.95 m)、K89+200(H=3.3 m)由于冻土上限覆土厚度较小,与高覆土试验断面相比,较易受到外部环境短期热效应的影响,当冻土上限处发生退融时,其上部土体的竖向位移随之较快发展,年周期内各土层的累积沉降量均大于高覆土对比试验断面.

高覆土试验断面K59+100(H=6.39 m)在冻结状态下各土层均表现出了不同程度的冻胀,其中冻土上限处的冻胀变形较其它土层明显偏大,而当冻土上限发生退融时,路基上部土体的竖向位移突增后逐渐恢复,其原因主要是由于冻结过程中冻土上限与活动层间形成的高温含水夹层所致；高覆土试验断面K59+217(H=7.1 m)年周期内各土层竖向累积位移仅表现为轻微冻胀,由此可见采用碎石桩加固措施在提高路基承载力的同时,通过对地基土的挤密,在一定程度上可抑制土中水的渗流,从而有利于防止路基内形成高温含水夹层.

3.2 冻土上限含水率

为了准确分析冻土上限处含水率对岛状冻土路基竖向位移的影响,在冻土上限土质相同、覆土厚度相近,地基处理方式也相同的试验断面中,对比分析富冰冻土路基与饱冰冻土路基的土体竖向位移发展情况,如图8所示.

由图8可以看出,冻结状态下各试验断面路基土体的竖向位移均相对较小,此时冻土上限处的含水率对路基热稳定状态的影响较弱.当冻土上限处开始退融时,高含水率试验断面K13+400(w=61.7%)、K90+000(w=45.6%)表现出较强的流变性能,在水分迁移及荷载的双重作用下,冻土上限处土体位移快速向下发展,各土层年周期内的竖向累积位移均远大于低含水率对比断面K59+217(w=25.4%)、K89+200(w=22.2%),最终表现为热融沉,但由于含水率较高,冻土上限发生“冰-水”相变时所需热量相对较大,因此融沉发生时间较低含水率路基试验断面有所推迟.

3.3 地基处理方式

根据冻土上限处含水率及融沉性质的不同,试验路段地基处理主要采用清基换填及挤密桩加固两种方式[11],根据试验断面特征进行分类比较：

1)选取冻土上限覆土厚度相近,含水率差异较大的试验断面进行对比分析,如图9所示.

图9 不同含水率试验断面地基处理对比

由图9可以看出,通过对地基土的挤密加固,饱冰冻土路基试验断面K10+600、K42+050的热稳定性有所提高,其年周期内的竖向累积位移均小于覆土厚度相近的低含水率富冰冻土路基试验断面K59+100、K85+580,但其年周期内的竖向变形依然较大,路基热融沉特征仍较为明显.

2)选取冻土上限覆土厚度差异较大,含水率相近的试验断面进行对比分析,如图10所示.

由图10可以看出,试验断面K85+580由于冻土上限覆土厚度较小,且未对地基土进行挤密加固,高,随含水率的增加而显著减小,但融沉位移的发生时间则随含水率的增加有所延迟.

图10 不同覆土厚度试验断面地基处理对比

3)单一增加覆土厚度或对地基土进行挤密加固不能根本改变冻土退融发生时路基土体竖向位移快速发展的特性,若同时采取两种方式,可有效改善冻土上限处的地温环境及土体性质,从而减小竖向位移,提高岛状冻土路基的热稳定状态.其土体竖向位移较大,断面热稳定状态较差.高覆土试验断面K59+100及碎石桩试验断面K89+200年周期内各土层的竖向累积位移均小于对比试验断面K85+580；高覆土试验断面K59+100由于没有采取挤密加固措施,地基土孔隙率相对较大,承载力较弱,因此位移量值仍较大；碎石桩试验断面K89+200则由于冻土上限埋深较浅,受外部热环境影响作用明显,年周期内同样发生了较大的竖向位移.对于试验断面K59+217,由于该断面冻土上限覆土厚度较大,且同时进行了碎石桩加固地基处理,因此路基热稳定性较好,年周期内位移累积曲线呈小幅波动状,竖向位移量值较小.

4 结 论

本文以前嫩公路岛状冻土路段为研究对象,通过对路基土体竖向分层位移的试验观测,研究了年周期内岛状冻土路基的热稳定性及主要影响因素的作用效果,根据研究结果得出以下结论：

1)岛状冻土路基年周期内竖向热位移的发展过程具有较为显著的阶段特点：1～9月,位移量值较小,路基整体热稳定性较好,但受地下水影响,气温0℃以下时易发生冻胀现象；10～12月,受路基内部累积热效应影响,冻土上限易发生退融现象,从而易诱发含水夹层、热融沉等路基病害.

2)当路基处于冻结状态时,冻土上限覆土厚度、含水率对路基土体竖向位移的影响较小；当路基土体解冻后,路基的热稳定性随覆土厚度的增加而明显提