更新时间：2022-08-26 11:10
路基临界高度是指在不利季节当路基分别处于干燥、中湿、潮湿或过湿状态时，路床表面（路槽底面）距地下水位或地表积水水位的最小高度，或者说与分界相对稠度相对应的路基离地下水位或地表积水水位的高度。根据土质、气候因素，其高度可按当地经验确定，以H1、H2、H3、分别代表干燥与中湿、中湿与潮湿、潮湿与过湿状态的临界高度。对于新建公路，路基尚未建成，无法按平均稠度确定路基湿度状况时，可通过路基临界高度值与路基设计高度来确定路基的干湿类型。
由于水、热、力、耦合计算的复杂性, 还难以实现根据变形及强度指标进行冻土路基的设计, 仍然是根据冻土路基中温度分布进行设计。在这种设计思路指导下, 临界高度已成为多年冻土地区公路路基设计中的一个控制指标。合理的临界高度对于冻土路基的安全有着十分重要的意义, 基于此, 本文以青藏公路为依托, 综合考虑路基走向、边坡坡率、风速、辐射、蒸发等多种因素, 对冻土路基温度场进行了计算, 经过分析冻土路基中的温度分布和变形特点, 并结合青藏公路的路况调查结果, 对冻土路基临界高度进行研究。
高原多年冻土地区路基路面典型结构研究课题组对青藏公路病害类型进行了多次调查工作。调查发现路基沉陷、波浪起伏、纵向裂缝较为严重, 各种病害的发育与工程建设历史存在明显的关联性 。青藏公路 “八五改建” 后, 病害相当严重。“八五改建” 是 1974 年 ～ 1985 年对青藏路的全面改建阶段, 此次改建铺筑了沥青路面 , 大大提高了青藏路的通行能力和使用性能 , 但路面吸高原多年冻土地区路基路面典型结构研究课题 热能力加大, 不利于路基稳定 , 而且路基高度仍然很低, 在调查路段所测的 38 个改建工程数据中 , 路由于 “八五改建” 后病害严重, 1992～1996年对青藏公路进行了一期整治, 一期整治采用的主要措施是加高路基, 一期整治工程在调查中, 共测得60个路基高度数据, 平均高度2.1m ,较“八五改建”工程有了大幅提高,个别路段路基高度大于4m 。“八五改建”工程的38 个调查路基高度数据中, 没有一个数据大于2.5m, 一期整治后, 在调查得到的60个路基高度数据中,有6 个大于3.0m ,15 个大于2.5m ,有35 个大于2m 。提高路基高度收到了显著效果, 路基沉陷、波浪病害大幅减小, 但纵向裂缝病害却大幅增加。调查中发现, 一期整治后, 路基高度大于3.0m 的路段,纵向裂缝特别发育。由此可以看出, 一期整治后, 部分路段路基高度过高导致纵向裂缝特别发育, 而路基高度过低则是引起“八五改建” 工程病害严重的原因, 因此, 路基高度即不能太小、也不能太大, 必须选择合理的高度。
冻土地区大多数地段, 上限附近冻土层中含冰量比较高, 修筑路基时, 如果引起上限下降, 上限处冻土层融化, 形成融化槽, 高含冰冻土的融化会产生非常显著的下沉量, 这往往会使路基破坏, 出现沉陷, 波浪等病害。因此, 在冻土路基设计中, 保证上限不下降已成为一个基本原则, 要求路基高度不小于临界高度。临界高度是保证冻土上限不下降的路基最小填土高度。但单凭此临界高度值进行路基的设计还很不够, 因为路基高度大于临界高度, 只能保证上限不下移, 避免了因上限下移对路基的危害, 但并没有考虑上限以上路基土中的不安全因素, 因而在实际工程中大量存在这样的现象:虽然路基高度大于临界高度, 但路基仍然出现了一系列病害。因此, 为了保证路基的安全, 路基的设计高度不仅要保证上限不下降, 而且要保证路基本身是安全的。鉴于此, 对冻土路基临界高度的定义应该拓宽, 本文将冻土路基临界高度定义为保证路基处于安全状态的填土高度, 并根据冻土路基的特点, 结合路况调查结果, 认为冻土路基的临界高度应有下和上两个值, 下临界高度是保证上限不下降的路基最小高度, 上临界高度是保证上限以上路基部分安全的填土高度。
上临界高度是一个新概念, 需要认真研究, 下临界高度的研究, 则早已为人们所重视, 国内的冻土工作者, 早在 80 年代就提出了确定下临界高度的方法, 并给出了计算公式, 但都是总结观测数据得到的。由于观测时的冻土条件现在已经发生了变化 , 根据当时观测结果得到的结论其适用性现在已大大降低, 因此, 有必要对下临界高度再进行研究。本文通过对冻土路基二维相变非稳态温度场进行计算 , 经过对计算结果的分析归纳, 对比路况
青藏公路大量工程实践表明 , 只要路堤修筑在一定高度 H0 , 路基下冻土上限就保持不变 , 而当路堤修筑高度低于此高度 H0 时, 路基下冻土上限就发生下移, 此下临界高度与冻土天然上限深度 、 土性 、面层材料、 地形、 气温等有关。确定下临界高度, 是为了保护多年冻土, 这只适用于稳定型冻土 , 即适用于年平均气温低于 -4 ℃、 10m 深度处的土温常年处于负温的冻土。对稳定型冻土场地, 采用有限元法, 对年平均气温 -4.0 ℃, 天然上限 2.6m , 沥青路面和砂砾路面, 高度 H 分别为0.5m 、 1.0m 、 1.5m 、 2.0m 、 3.0m 的路基进行了计算, 分别给出 0.5m 、 1.0m 、 1.5m (砂砾面)、 2.0m (沥青面)及 3.0m 高度路基的上限。 当路基高度为0.5m 时 , 不管是砂砾面层还是沥青面层 , 上限均下移 。当路基高度 2.0m 时, 两种材料路面下的上限均上升。当路基高度 1.0m 时, 出现了砂砾路面下上限上升而沥青路面下上限下降。进一步对砂砾路面路基高度在0.5 ～ 1.0m 区间 , 沥青路面路基高度在1.0 ～ 2.0m 区间取值进行试算 , 计算得到维持砂砾路面和沥青路面下上限不变的路基高度分别为 0.62m和 1.79m 。 对天然上限公别为 1.95m 、 2.27m 和2.95m 的场地进行了计算 , 得到砂砾路面路基的下临界高度分别为 0.85m 、 0.70m 和 0.64m , 沥青路面路基的下临界高度分别为 2.06m 、 1.93m 和 1.64m 。对计算结果进行回归分析 , 得到下临界高度计算式 :砂砾路面 : HL =1.41 -0.31·HN (1)从路况调查结果可知, 青藏公路经“八五改建”后, 路基平均高度0.9m, 大部分路段的路基高度低于上式所确定的下临界高度, 路基病害严重, 一期整治后, 路基平均高度2.1m, 大部分路段的路基高度大于上式所确定的下临界高度, 路基病害显著减少。
普遍认为, 路基高度的增加, 使上限上升, 事实上对高路堤来说并非如此, 图3所示为修筑4m、3m 、2.3m 、1.5m 、1.0m 高度路堤后,沥青面层路基中最大融土深度随时间的变化曲线。 路基修筑后, 每年的最大融化深度几乎不随时间变化, 始终维持在上限深度, 上限并非上升, 这是由于高路堤蓄热量比较大, 在路基冻结层中存在未冻(融)土核。4m高路基修筑后12年, 3m高路堤修筑后7 年,2.3m 高路基修筑后3 年,路基中常年存在非冻(融)土核, 随着路基高度的增加, 路基中长年存在非冻(融)土核的时间越长, 虽然并未引起上限下降, 但未冻(融)土核的存在对路基稳定性是相当不利的。未冻(融)土核常常会出现上部冻结减小而下部融化扩展的情况, 此时, 冻结和融化是同时存在的, 很难严格区分融土核或未冻土核, 总之, 都是正温核。为了描述方便, 以下将未冻土核和融土核均称为融土核。由于路基中的温度分布是非对称的, 融土核常常偏于阳坡面 ,为东北走向路基、沥青路面和砂砾路面,3m 高路基中的冻融界面图。从图可看出,融土核不仅偏向阳坡面, 而且融土核的大小 、 位置、 形状均随时间而变 ,融土核变化区域内的土虽然也经历冻融循环, 但其冻融历程和性质与两侧土不一样, 其变形也和两侧不一样, 当融土核周围土产生冻胀变形时, 产生冻胀反力, 对融土核土产生压密作用, 会出现周围土体积膨胀而中间压密体积减缩的现象。当周围土融化时, 周围土层产生融沉, 而未冻土核比较密实的土几乎是不变形的, 这必然使路基产生不均匀沉降, 当沉降差超过容许值时, 路基就会破坏, 不均匀沉降也会在路基中产生复杂的应力分布, 再加上车辆荷载的作用, 冻土路基极易出现纵向开裂、反拱等病害。融土核越偏向阳坡面, 融土核土受到的侧向约束越小, 不均匀变形越大, 路基越易出现纵向开裂病害, 即使融土核位于路基中心部位, 也会出现反拱病害。因此, 在冻土路基设计时, 应最大可能地消除融土核的存在, 大量计算表明, 路基高度越大, 其中存在融土核的月份越多、年限越长, 而且融土核的规模越大。路基高度越小, 其中存在融土核的月份越少, 年限越短, 融土核的规模也越小。为了避免融土核的危害, 应最大限度地减少融土核存在的时间及减小融土核的规模, 这就要求采用高度较小的路基, 在保证上限不下降的情况下, 路基高度越小越好, 因此, 为了保证路基的安全, 对路基的最大高度应予限制, 路基高度不应大于一定的值, 此值即上临界高度。
融土核的规模大小、 存在的时间在路基修筑后逐年发生变化, 为此对沥青路面3.0m和1.5m高路基修筑后的温度场逐年进行了计算, 从计算结果可以看出, 所有高度路基温度场变化过程中, 都会出现融土核。因此, 确定上临界高度时, 消除融土核是不可能的。路基修筑后, 路基中融土核的规模逐年减小, 存在的月份也变少, 只要一定的路基高度能保证路基中融土核存在的时间短、规模小, 使路基不出现病害, 就可将满足此条件的最大路基高度作为上临界高度。确定具体的上临界高度值较困难, 只能采用相对的方法, 从图中还可以看出, 融土核的规模与存在的时间是密切相关的, 融土核规模越大, 存在的月份越多。反之, 融土核存在的月份越多, 规模也越大。
路基修筑后如图所示, 虽然融土核规模逐年发生变化, 但每年当融土核规模最大时 (约在 12 月 10 日), 融土核上部距路面的冻土层厚度每年几乎是相等的 , 以此厚度作为标准 , 以融土核年最大厚度不大于此标准厚度来确定上临界高度 。在实现冻土路基的变形及强度计算之前 , 只能采用近似的相对标准。路基修筑后第一年 , 在路基土自重及车辆荷载作用下, 路基本身会发生沉落及更复杂的变形, 处于重要的调整期, 这时期影响路基变形的因素较多, 出现病害并不一定是由温度场引起的。因此, 以路基修筑后第二年的温度场确定上临界高度 , 只要第二年融土核最大厚度不大于标准厚度 , 以后各年融土核最大厚度一定小于标准厚度。温度场逐年变化图已清晰地反映了这一点 , 对年均气温 -4 ℃, 天然上限 2.6m 场地不同高度路基进行了试算 , 得到这一场地路基的上临界高度为1.90m , 对不同天然上限地区的计算表明, 天然上限不同 , 上临界高度不同 。计算点是天然上限分别为 1.95m 、 2.27m 、 2.6m及2.95m 时的计算结果 , 其近似呈直线分布, 对计算结果进行回归分析, 得到沥青路面路基上临界高度HU 可近似按下式进行计算:HU =5.03 -0.81·HN (3)对砂砾路面路基, 其中的融土核规模远小于修筑后同期沥青路面路基中的融土核规模 。对砂砾路面路基 , 采用与上述计算沥青路面路基上临界高度相同的标准, 计算得到年平均气温-4.0 ℃、 天然上限2.6m 场地砂砾路面路基的上临界高度为 2.7m 。计算过程同上述沥青路面一样 对计算结果进行回归分析, 上述确定上临界高度, 是根据路基修筑后第二年的温度场资料确定的, 如果依照第三年及以后的温度场资料, 仍保持上述上临界高度不变, 则确定标准将提高, 即要求融土核规模更小, 路基将更加安全。因此, 在路面修筑过程中, 如果分二次铺筑, 第一次在路基竣工后即铺筑, 第二次在若干年后如第三年后铺筑, 则第二次铺筑路面将更加安全有效, 第二次铺筑不仅是对已有病害的整治, 而且此时路基安全等级提高, 这使得第二次铺筑路面再出现病害的可能性减小, 有利于保持路面的平整度, 有利于行车的舒适高效。
冻土路基上临界高度对路基高度最大值做了限制, 为了保证路基的安全, 路基高度不宜大于上临界高度。由于高路基修筑时的蓄热量及修筑后路基坡面的吸热量都比较大, 使路基中的温度分布变得复杂, 从而使变形复杂化。正如前文所述, 这对路基的安全是不利的, 这一点已为实践所证实, 对青藏公路的调查已经发现, 在高度大于3.0m的路堤中, 纵向裂缝特别发育, 此时的路基高度大于式(3)所确定的临界高度。因此, 对冻土路基高度最大值进行限制是必需的。
由于路基设计高度必须处于上、 下临界高度之间, 高吸热性的沥青路面路基的上、下临界高度区间比较小, 这给线路设计造成一定的困难, 而低吸热性的砂砾面层路基的上、下临界高度区间比较大,采用低吸热性的面层材料, 会给线路设计带来方便。
本文将临界高度的概念拓宽为保证路基处于安全状态的填土高度, 基于大量的计算结果, 对冻土路基中的温度分布和变形规律进行分析, 并结合青藏公路的路况调查结果, 提出了冻土路基的临界高度应有下和上两个值, 并得到了确定砂砾路面路基和沥青路面路基下临界高度和上临界高度的计算方法。计算结果反映了工程实际, 特别是采用上临界高度对冻土路基的最大高度进行限制, 是保证冻土路基安全所必需的。