(一)年平均地温

为了研究冻土地温对路基病害发育过程的影 响,沿青藏公路 G109 线,选取 20 km 年平均地温 为 –3 ~ –0.5℃的路段,依据年度病害发展情况,将 其分为稳定区、基本稳定区、不稳定区、极不稳定区四大类,如图 1 和图 2 所示,其中最大概率使用 年限指统计样本中大多数路段的病害时间周期;平 均使用年限反映病害发生的平均周期。

图 1  年平均地温与最大概率使用年限关系

 

图 2  年平均地温与平均使用年限关系

 

由图 1、表 1、表 2 可知,随着年平均地温的 升高,最大概率路基使用年限呈不断递减趋势,在 年平均地温低于 –3.0℃的稳定区,80% 路段的使用 年限已超过40年;当年平均地温提升至–3.0~–1.5℃ 时,同样使用寿命的路段比率降至 35 %,大部分调 查路段使用寿命缩短 10 年以上;年平均地温继续 提升至 –1.5~–0.5℃时, 65 % 的路基在 15 年内发生 病害,剩余 35 % 路基使用寿命不超过 10 年;年平 均地温提升至 –0.5~0℃,80 % 路基使用寿命不超 过 10 年。图 2 所提出的平均使用年限可由下式计 算得出:

式(1)中,T 为平均使用年限;n 为时间段个数,笔者划分为 5 个时间段(40 年);Ti 为每个路段的时间年限;ρ 为每个时间段 内路基长度占总调查长度的比率(可直接采用表 2 中 不同冻土稳定分区内,各寿命使用年限对应的路段占 有率代替),本次总调查路段为 20 km。经计算,年平 均地温每提升 0.5℃,道路平均使用寿命降低 4 年以上; 从使用年限降低幅值上分析,年平均地温在 –1.5℃左 右变化时,对路基时间尺度效应影响最为显著。

(二)上限退化速率

为分析加铺沥青路面对冻土退化速率的影响, 并确定退化速率对路基病害发育过程的影响,沿 G109 线选取 69 km 典型路段进行调查。首先,确 定年平均地温与冻土上限退化速率的关系,如图 3 所示,之后从概率角度分析上限退化对路基病害发 生时间的影响。

图 3  年平均地温与冻土上限退化速率的关系

 

由图 3 可知,年平均地温与冻土上限退化速率 呈正相关关系,在年平均地温低于 –3℃工况下,多 年冻土上限退化速率小于 10 cm/a(见表 1),之后 随着地温的抬升,上限退化速率逐渐加速,但其退 化加速趋势呈现先缓后急的趋势,在 –3℃至 –1.5℃ 区间内,地温每抬升 0.5℃,退化速率仅提高约 1.67 cm/a;在 –1.5℃至 0℃区间内,地温每抬升 0.5℃,退化速率迅速加快,提升至 5 cm/a;地温与 冻土上限退化速率的关系表明,–1.5℃附近是冻土 高低温转化的关键节点,当冻土年平均地温高于该 值时,上限退化速率将呈不断加速趋势。

(三)含冰量

在稳定区,含土冰层路段比率仅占 9 %,而在极不稳定区这一比例上升至 46 %,如图 4 所示。高 含冰量路段比率越高,道路平均使用寿命越短,尤 其在高温、高退化速率冻土区,含土冰层路基大都 在路面铺筑 2~3 年内病害显著,5 ~ 10 年后便因病 害严重而急需整治。

图 4  含冰量与道路稳定性分级关系

 

(四)特殊处治措施

为防治冻土路基病害,提高路基稳定性,在 2003 年青藏公路的整治改建工程中,在部分病害路 段设置了特殊结构措施,主要包括热棒、XPS(挤 塑聚苯乙烯泡沫塑料)板、片块石、通风管等,在部分地质条件恶劣的路段采用两种措施。该特殊结 构于 2003 年建设完成,迄今已有 13 年的地温、变 形、病害监测数据,为分析特殊结构对冻土路基病 害的影响,收集了这些路段的地温、变形、病害监 测数据,分析如表 3、表 4、图 5 所示。

表 3  青藏公路沿线特殊措施路段病害时间效应研究

 

注:降温、隔热有效率指采用特殊处治措施后降温显著路段与样本总路段的比值;预防路基病害有效率指采用特殊处治措施后未出现影响道路通行能力的 路段与样本总路段的比值。

表 4  青藏公路特殊措施路段病害率与路基修筑时间关系 %

 

图 5  不同处治措施路基使用年限分析

 

由图 5 可知,在冻土地质条件恶劣的路段, 如未采取特殊措施,约 80 % 的路段在 2~4 年内 会产生严重的路基病害,且重建后路基仍不稳定; 在热棒、片块石、XPS 板、通风管路基等处治措 施下,道路病害的有效预防率为 60 % ~ 80 %,且 大部分病害将在路基建成后 2~5 年内集中出现, 之后病害发生率逐步稳定,说明特殊处治措施路 段需要进行二次整治,且整治后路基工作状态逐 渐稳定。

1. 热棒路基病害发育过程

在所调查的 10 处热棒路基样本中,仅有 1 处 地温监测数据显示,热棒未能起到良好的降温效 果,该种措施在青藏公路沿线降温、阻热有效率为 90 %。在热棒正常工作路段,70 % 的路段病害得到 有效缓解,尤其在高路基工况下,热棒效果更为明 显,使用时间达到 13 年;30 % 的路段在 2~4 年内 表现出严重的纵裂、沉陷等病害,严重影响道路的 通行能力。采用热棒处治后的最大问题是部分路段 纵裂严重,这些纵裂往往贯通整个处治路段,并且均在距离热棒 2 ~ 3 m 处。

2. 片块石路基病害发育过程

在所调查的片块石路基样本中,仅有 55% 的片 块石路基起到了明显的降温效果,与热棒相比,片 块石在降温效果上存在不足,但在与对比断面的分 析中,80 % 的片块石路基起到了缓解病害的作用; 剩余的 20 % 中,10 % 的片块石路基从第 4 年开始 出现路面病害,10 % 的路基直到第 8 年才出现路 面病害。

3. XPS 保温板路基病害发育过程

在所调查的保温板路基样本中,90 % 的保温 板路基均起到阻止路面吸收热量向冻土路基传递的 效果,但所有处治措施中仅 60 % 的路段起到了预 防病害发生的效果。在保温板路基修筑初期,道路 病害发生率较小,仅为 3 % ~ 15 %,从第 4 年开始, 病害发生率迅速提高,第 8 年达到 40 % 左右,其 中多以沉陷和坑槽为主。保温板作为一种被动阻热 措施,可延缓冻土融化造成道路病害的时间,但不 能从根本上消除病害,如图 6 所示。

图 6  保温板路基局部坑槽

 

4. 通风管路基病害发育过程

在所调查的通风管路基样本中,90 % 的通风管 路基可以通过通风效应,引入外界冷风来降低路基 温度,尤其是对部分采用了温控开关的试验路段, 通风管风门可在暖季关闭,冷季打开,大大提高了 降温效能,70 % 的通风管路基可有效预防道路病害。 且当通风管与片块石联合使用时,可将病害处治有 效率提高至 80 %。同时应注意,受路面沉陷及风沙堆积的影响,部分通风管可能会出现堵塞,影响结 构的降温效果,如图 7 所示。

图 7  通风管路基总体情况