护坡道抑制季冻区路基冻胀效果分析

王铁权，张慧军

（长安大学公路学院，陕西西安 710064）

作者简介：王铁权（1989－），男，长安大学公路学院硕士研究生，道路与铁道专业。

张慧军（1990－），男，长安大学公路学院硕士研究生，道路与铁道专业。

摘 要：基于季冻区路基冻胀机理和影响因素，结合典型路段提出新型防冻胀护坡道路基结构。建立护坡道路基结构实体模型。采用有限差分软件FLAC 3D建立路基数值计算模型，确定模型的边界条件和计算参数，分析计算了不同宽度护坡道路基结构模型。结果表明：设置护坡道能有效地降低路基冻结深度；减少冻胀时路基的应力和变形；增强季冻区路基的稳定性；护坡道宽度取3m时其防冻胀效果最显著。

关键词：季冻区；路基冻胀；护坡道；数值分析

Abstract：According to the mechanism and influencing factors of subgrade frost heaving in seasonal frozen region，subgrade with berms structure was proposed based on typical highway to prevent the frost heaving．The solid model of subgrade was established．Numerical calculation model of subgrade was established by applying the finite difference software FLAC 3D， boundary conditions and parameters of numerical model were determined，models of subgrade with berms of different widths were analyzed and calculated．The results show that subgrade with berms can effectively reduce the freezing depth of sub－grade，decrease the stress and deformation of subgrade frost heaving，and enhance the stability of subgrade，berm that is 3m wide in given simulation conditions has the most significant effects on preventing frost heaving．

Key words：Seasonal frozen region；Subgrade frost heaving；Berm；Numerical Analysis

1 引言

季冻区路基冻胀会引发路面开裂、鼓包，缩短道路使用寿命、威胁行车安全，积极开展季冻区路基冻胀研究及防治十分重要。国外针对路基冻胀机理，主要开展了一般土体冻结过程、微观特征及参数方面的研究；我国在路基冻胀方面的研究主要集中于野外宏观冻胀观测、室内土体冻胀特征测试等方面。田亚护［1］采用有限元数值法对新、旧道路路基温度场进行对比分析；王书娟［2］对路基温度场进行自动化监测、钻探调查典型路基冻害；程培峰［3］进行室内粉砂土冻胀试验，运用冻胀模型得到粉砂土路基冻胀量；许健［4］采用热弹塑性冻胀计算模型分析路基冻胀时的变形和应力分布；刘亚芳［5］采用模糊综合评判法对土体冻胀进行预测分析；常法［6］认为碎石垫层路基能有效预防路基冻胀。本文在分析冻胀形成过程及其影响因素的基础上结合典型路段提出护坡道路基结构，采用有限差分软件FLAC 3D建立数值模型并数值分析其防冻胀效果。

2 季冻区路基冻胀机理及影响因素

2．1 路基冻胀机理

路基发生冻胀，主要是水分在路基中向冻结层迁移聚集再冻结的结果。季冻区路基在冻结过程中，路基内原有的热平衡和土水势平衡被打破。在冻结过程中，路基表面温度降低快，土体水分所具有的土水势小；底部温度相对高，水分的土水势大，路基内部形成温度梯度和土水势梯度。自然界中物体普遍的趋势是自发地从能量高的状态向能量低的状态运动或转化，因此，在温度梯度和土水势梯度的作用下，水分会从势能高的路基下部向上部势能低的冻结层迁移积聚。季节性冻土区路基土属于非饱和土，土中含有液态水和汽态水，汽态水含量很低可忽略不计，发生迁移并产生聚冰层的主要是液态水中的毛细水、薄膜水。当地下浅水层和路基边坡积水补给充沛时，水不断向冻结层迁移积聚，冻结层冰晶的体积和冻胀力不断增大，排挤土颗粒使路基产生冻胀。

2．2 影响路基冻胀因素

影响季冻区路基冻胀的主要因素归纳起来有水、温度、土质与附加荷载等，分别如下：

（1）水：水是冻胀产生的必要条件，但季冻区路基不一定在冻结时都会产生冻胀，只有当路基的含水率达到或超过起始冻胀含水量W0后路基才会产生冻胀［7］，充沛的水分补给也是冻结层冰晶体积、冻胀力不断增大的必要条件。

（2）温度：负温是路基土发生冻结的前提条件，温度梯度不仅决定路基土的冻结速度，而且也影响路基土的冻胀量。当大气温度骤降且冷却强度较大时，冻结锋面向下推进较快，毛细水和薄膜水来不及迁移积聚就被冻结成冰，同时，毛细水也会因为补给通道被冰晶堵塞而无法迁移［7］，路基土无明显冻胀；当气温下降慢、冷却强度小且负温持续时间长时，路基冻胀明显，冻胀量大。

（3）土质：土的分散性是决定路基土冻结时水分迁移和冻胀强度的一个基本因素［8］，粒径和级配可用来表示土的分散性。土的分散性越高，薄膜水水膜厚度越厚，水向冻结层迁移量越大，冻胀越厉害。

（4）附加荷载：路基上部附加荷载会对路基冻胀产生抑制作用，路基土在外部附加荷载的作用下会压缩固结、密实度增大、孔隙率减小，降低水分迁移速率，减少水分向冻结层的迁移积聚，从而抑制路基冻胀。

3 护坡道路基结构及其数值模型

3．1 护坡道抑制路基冻胀

从上述路基冻胀机理及影响因素可以看出，水、温度对于路基冻胀的生成及发展至关重要，因此，要达到预防路基冻胀的目的，必须消除或减弱水、温度的影响。本文从控制温度和水分两方面出发，提出在季冻区路基两侧设置护坡道的路基结构。一方面，护坡道可以增大路基热阻，减少由路基边坡两侧传入冷量对下部土体季节冻结深度的影响，起到保温的作用；另一方面，护坡道还可以阻止路基侧向地表积水渗入基底，减少水分迁移时的水源补给，同时也能减少人为活动对路基坡脚及附近天然地表的破坏。

3．2 路基模型

黑龙江鸡讷公路林口至大罗密段地处我国高纬度季节冻土区，属于深季节冻土区。本文以鸡讷公路林口至大罗密典型路段为研究对象，根据该路段的实际工程概况和自然环境特征，建立护坡道路基结构实体模型，如图1。实体模型中路基宽度为24m，高度取2m，边坡坡率为1∶1．5，路基两侧计算宽度向外延伸10m，计算深度为天然地表以下20m。计算区域土质根据现场路基土与地基土情况，可分为砂砾土、亚黏土、基岩，模型中分别采用A、B、C表示。模型中D所示填充区域即为护坡道，d表示护坡道的宽度，护道边坡坡度、填料都与路基相同。

为分析护坡道路基结构防冻胀效果，本文采用有限差分软件FLAC 3D建立数值模型，进行数值模拟分析。实体模型为对称结构，且模型中路基两侧选取的计算宽度较大，为方便计算，采用半幅路建立数值模型，如图2。同时，为了研究护坡道宽度对路基温度场、位移场的影响，分别取护坡道宽度1m、2m、3m进行数值模拟对比分析。

图1 实体模型

图2 数值模型

3．3 确定模型边界条件和初始条件

（1）温度场的初始条件和边界条件

为简化计算，暂不考虑升温效应，根据收集到的气象观测资料及附面层原理，计算区域上边界温度条件可以表示为如下正弦函数：

上式中：Ta为年平均气温，计算中取4℃；ΔT为附面层总温度增量，路基边坡和顶面取2℃，天热地表附面层取1℃；A为上边界温度的物理振幅，根据实测资料，路堤边坡和顶面取21℃，天热地表取20℃；t为道路的运营时间。则路基顶面和边坡温度三角函数、天热地表三角函数分别表示为式（2）、式（3）：

初始条件选天然地表为上边界，路基填土初始温度取为一年中天然地表的最高温度。右侧边界可视为绝热边界，模型底边界采用恒温边界条件，取15℃。

（2）位移边界条件

地基左右两侧采用X轴方向上的位移约束，底部采用Z轴方向上的位移约束。初始应力场为自重应力场，重力荷载施加于数值模型上。

3．4 模型参数选取

（1）热物理参数：根据现场实测资料及相关资料，确定各土层的热物理参数，如表1所示。

表1 热物理参数

（2）力学参数：材料的力学模型采用摩尔—库伦弹塑性理论模型，各土层物理力学参数如表2所示。

表2 物理力学参数

4 计算结果分析

基于图2所建护坡道路基结构数值模型，采用有限差分软件FLAC 3D的流固热耦合模型数值分析路基温度场和应力场。

4．1 路基温度场云图

图3中分别为普通路基和护坡道宽度取1 m、2m、3m路基温度场1月份分布云图。分析比较图3中各温度场可见，相对于普通路基，不同宽度护坡道路基都能不同程度地降低路基冻结深度，降低幅度由路基中心向路基两侧逐渐增大，路基坡脚处降低幅度最大。这说明护坡道填土增大了路基两侧边坡热阻，能有效阻止边坡和坡脚处冷量的传入，提升冻结线高度，起到了保温作用；同时，由于无法阻止冷量从基顶传入路基，从而导致路基中心附近冻结深度降低不明显。比较护坡道路基温度场云图，易见宽度为3m时护坡道保温效果最好。

4．2 路基应力场云图

路基1月份发生冻胀时产生的竖向应力场云图如图4所示。比较图4中各路基应力云图，可以看出，路基设置护坡道前后其土体应力状态发生了很大的变化。普通路基冻胀时，路基土体坡脚处较大范围内产生拉应力；路基设置不同宽度的护坡道后，拉应力区域明显向外移动到护坡道坡脚处，同时拉应力范围也相应地减小。比较设置了护坡道的路基应力云图，可以看出，护坡道宽度为31m的路基，拉应力区域离路基最远，其次是护坡道宽度为2m、1m的路基。上述分析结果说明铺设护坡道有助于减少冻胀对路基的破坏，尤其是减小对坡脚的破坏，极大地提高了路基的安全稳定性，并且护坡道宽3m时路基稳定性最好。

图3 路基温度场1月份分布云图

图4 路基应力场1月份分布云图

5 结语

（1）季冻区路基内水分在温度梯度和土水势梯度综合作用下向冻结层迁移积聚，冰晶体积和冻胀力不断增大，排挤土颗粒使路基产生冻胀；水、温度、土质、附加荷载等因素影响着路基冻胀。

（2）基于季冻区路基冻胀机理及影响因素，以黑龙江鸡讷公路林口至大罗密段为依托，提出设置护坡道防冻胀路基结构，并建立实体模型。采用有限差分软件FLAC 3D建立数值模型，确定模型的边界条件、初始条件和计算参数，进行数值计算。

（3）计算结果表明，护坡道能有效保护路基温度、降低季冻区路基冻结深度、减小路基冻胀应力和竖向变形、提高路基稳定性，并且护坡道宽度为3m时抑制冻胀效果最好。

参考文献

［1］ 田亚护，肖伟，沈宇鹏，等．隔热层对季节冻土区无砟轨道路基冻胀防治的适应性分析［J］．铁道学报，2014， 5：018．

［2］ 王书娟，陈志国，秦卫军，等．季节性冰冻地区路基冻胀机理分析［J］．公路交通科技，2012，29（7）：20－2．

［3］ 程培峰，宇德忠，徐云哲．季冻区粉砂土冻胀试验及路基冻胀模型［J］．中外公路，2011，31（2）：20－22．

［4］ 许健，牛富俊，李爱敏，等．季节冻土区保温法抑制铁路路基冻胀效果研究［J］．铁道学报，2010，32（6）：124－131．

［5］ 刘亚芳，杨有海．铁路路基冻胀模糊综合评判［J］．低温建筑技术，2009，31（10）：106－107．

［6］ 常法，李东庆，张坤，等．季节冻土区路基冻胀翻浆防治措施试验研究［J］．甘肃农业大学学报，2011，46（3）：147－155．

［7］ 尚云飞．高寒地区路基土冻胀影响因素研究［J］．黑龙江交通科技，2011（12）．

［8］ 王蕴，袁文忠，孔令奇．季节性冻土地区路基冻胀翻浆浅析［J］．四川建筑，2008，28（2）．