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多年冻土地区路基变形形态在很大程度上决定于路基下伏多年冻土融化形态的形状,融化形态的不对称将会引起路基的变形差异,从而导致纵向裂缝等病害的发育。本文主要针对青藏高原多年冻土区路基阴阳坡现象及其引起的纵向裂缝病害形成机理展开研究。研究过程中主要通过对野外实测资料的分析和数值模拟等方法,指出阴阳坡现象和纵向裂缝病害在多年冻土区路基工程(无论是普通路基还是采取特殊措施的路基)中是普遍存在的,且其对路基安全运营的危害程度随气候变暖、冻土的退化而逐渐加剧。同时,预测了不同年平均气温、不同走向、不同高度、不同路面形式下的路基在运营年限内其下融化形态的发展趋势。在以上工作的基础上,以不同工况下路基下伏多年冻土的热状况为依据,通过热-力耦合模型对纵向裂缝形成与冻土温度场变化之间的关系进行探讨,尝试对路基纵向裂缝病害形成机理进行解释。主要结论有:
(1)纵向裂缝的发育主要是由于路基基底的不均匀融沉造成的土体在横向上拉裂引起,其发育位置受融化盘大小和位置的影响。高路堤由于左右路肩、边坡的太阳辐射、地表湍流等地表与大气之间的热交换条件不同,使路基中的地温分布状态存在较大的差异,偏移的融化盘是导致路基在阳坡一侧发育纵向裂缝的主要因素。
(2)多年冻土年平均温度和路基高度是影响纵向裂缝发育的主要因素。在各工况下,高路基更有可能发育纵向裂缝,当路基高度低于2.5m时,发育纵向裂缝的可能性较小。在低温稳定多年冻土区,各工况下路基在运营50年内基本满足热稳定性且阴阳坡效应不显著,发育纵向裂缝的可能性比较小。高温、高路基下发育纵向裂缝的可能性比较大。
(3)在高温极不稳定多年冻土区,阴阳坡效应会随着路基高度的增加和气温的升高而急剧加强。各高度、各走向及各路面形式下的高路基在筑路初期就表现出发育纵向裂缝的趋势,并随时间的推移,纵向裂缝可能出现的位置逐渐往阳坡一侧偏移。随路基高度的增加,偏移程度加剧。砂砾路面下的偏移程度大于沥青路面下的偏移程度,但沥青路面下土体的位移基本上大于砂砾路面下的位移。
(4)在亚稳定多年冻土区,各高度、各走向及各路面形式下的路基在运营初期基本满足热稳定性,但随着气温的升高逐渐表现出热不稳定性和高路基阴阳坡现象明显。受路基填土初始温度的影响,高路基在筑路当年有发育纵向裂缝的趋势,随着路基内温度的调整路基趋于满足热稳定性,发育纵向裂缝的可能性减小,随后又随着气温的升高发育纵向裂缝的可能性逐渐增大。
(5)对于阴阳坡效应显著的路基,由于路基上表面土体大体(除过阳坡附近的少部分土体由于其下冻土的融化而向路基中心移动外)往阳坡一侧偏移,纵向裂缝在路面上出现的位置比基底更应该偏向阳坡一侧,所以,纵向裂缝的在路基内的表现形式是倾斜分布的。