仵靖
（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102627）
路基是道路承重的主体结构，其稳定性直接关系到道路的使用和安全性能。通常情况下，人们利用保证冻土的结冰状况及控制地热状态变化，限制冻土融化状态，使其在可以承受的限度内来处理多年冻土道路工程的稳定性问题。多年冻土中含有大量冰，因此对热量扰动极为敏感[1]。针对多年冻土路基变形问题，除开展常规的道路工程地质研究、测量、勘察、测试和稳定性评估工作之外，还应适时合理地进行施工检测，保证道路工程的安全性。多年冻土区的道路路基常年在外界严寒环境、人为车辆荷载等自然环境与人为影响的共同作用下，特别容易发生变形，比如出现翻浆、融沉等变形病害，严重影响多年冻土区的交通运输安全，降低人们的驾乘舒适性。
尽管目前国内外都很重视对于路基监测方面的研究，设计了许多监测技术和监测仪器；
但尚缺乏一套针对多年冻土区路基监测系统的构建方法，工程技术人员大多通过监测路基下部温度场变化来评价路基稳定性状况。超声多普勒测量是基于超声波特性和多普勒原理的一种测量方法，不受冰冻土质影响，测量效率极高，而且几乎不受被测介质的干扰参数影响，尤其还带有其他检测技术所没有的抗强腐蚀、不导电性、放射性，能完成极端环境等条件的地质测量任务，是一种精准、稳定、快速的测量方法[2]。
为深入研究多年冻土区路基变形情况，分析其病害演化过程和特征，以便更好地提出多年冻土区路基路面变形病害防治对策，本文结合公路路基及多年冻土区特点，设计了基于超声多普勒的、人工观测与自动监测相结合的多年冻土区路基变形监测方法，对多年冻土区的路基路面变形情况进行监测。
1.1 布设监测设备
影响冻土公路路基变形的因素有很多，包括冻土地温、含冰量、冻土上限、路基高度与工程措施等[3]。高含冰量冻土路段是多年冻土区公路变形病害的主要路段，因此监测设备主要布置在高含冰量冻土路段，以便获得更完全准确的监测数据。对监测地的现行路基单侧钻孔，钻孔与监测路基在同一水平线，做垂直孔洞6个，孔洞深大约在20 m。1号洞与路基坡边缘的距离大约在30 m；
2号洞与路基坡边缘的距离较小，大约在10 m以内；
3号洞与路基坡边缘的距离大约在8 m以内；
4号洞与路基坡边缘的距离则为6 m；
5号洞与路基坡边缘的距离在4 m以内；
6号洞则在路基坡的边缘，与基脚相连。见图1。
图1 监测点布置
确定好孔洞位置后，在6个孔洞内分别安装超声多普勒监测仪。监测仪一端为超声波信号发射器，用以发射监测冻土区路基土质构造的信号波；
另一端安装信号接收器以及小波降噪处理器，用以接收土质所反射的回波信号，对信号降噪处理，方便之后及时进行线上的监测及数据分析；
同时辅助以高热敏电阻传感器，配套安装6个，保证间隔距离为5 m、深度20 cm，接收多年冻土区路基土质温度变化，实时监测温度对路基冰冻、融化的影响。
1.2 监测原理
超声波能量很大，能够产生显著的声压，很容易被监测到。为了直观理解超声多普勒测量原理，构建出超声多普勒测量的数学模型。见图2。
图2 超声多普勒测量数学模型
根据图2及超声波在不同介质分界面发生反射的特性，利用安装在孔洞一侧的超声传感器超声发射探头，向路基的土地介质发射中心频率为3 MHz的超声波，当传播路径上遇到微小的固体颗粒，超声波被散射，测量仪另一侧的接收探头接收回波信号。这种回波含有多普勒频移分量，通过检测超声波在路基回波信号，对其进行分析处理，就可以从中测得路基形状信号；
根据超声波移频，可以检测到路基的距离和状态，分析出路基地质变化以及土质运动轨迹。
1.3 计算路基土质数据
路基的变形和基底土质温度变化状况密切相关，冻土融化产生的变形，是多年冻土路基变形的主要因素。冻土土质固体颗粒的变化运动速度为u，超声发射探头发射信号α，接收回的回波信号为α+△α。需要对回波信号进行解调，得到含有路基路面冻土土质变化周期信息的频移信号。在冻土区的土壤水分流速方程为
式中：H为冻土土壤的导水系数；
μ为压力水头；
α为水势梯度；
n为水流通量；
m为土壤负压。
由于冻土土壤中的水分不完全是液态，大多是以固态存在，即
式中：θ为液态水在土壤中的等效体积；
表示土壤中固态水的密度；
θ1表示初始含水量；
θX表示饱和含水量。
土壤的水分移位变化方程可以表示为
由以上公式可以计算出土壤包括固液态在内的总含水量，冻土土壤的水系数可以通过该数学模型计算。
土壤水体移位变化会影响路基的土质稳定，变形为
式中：ωn为弹性变化；
ωm为温度变化；
ωcv为土壤塑性的变化。
路基瞬态平衡表示如下
式中：∂为平衡精度等级；
M为路基参数；
ε为水平方向的渗透系数；
r为垂直方向的渗透系数；
PX为平衡状态下的路基量值。
路基的土壤位移与应变之间的关系
式中：G为土壤应力参数。
路基的土壤塑性应变
式中：ℯκ为轴差应力；
为回弹应变。
在以超声传感器为中心的圆周径向方向布设路基观测断面，通过研究路基径向方向，地质等值线的疏密程度，来判断路基路面的变形状态。同时通过计算热敏仪传输的地基土质温度数据，计算平均地温变化，辅助测量冻土区路基路面变形状态。根据计算发现，路基坡下部冻土上限有轻微抬升，沉降变形的变化量最小。
1.4 变形监测
多年冻土区的冻土路基在经历周期性冻融循环后，道床填充和活动层压缩，永久冻土层融化和压缩变形。分析不同冻土条件下路基下土体变形演化规律及机理，有针对性地对多年冻土区路基路面变形监测，还要监测路基含水量、地温(冻结深度)、地下水位及气象等，以辅助确定土质变化状态。使用加热棒或高敏电阻传感器可以对冻土区土质温度变化进行监测。使用加热棒后，基于超声多普勒测量多年冻土区路基基底土质融化深度，收集信号数据，对比普通填土路基的融化深度，根据数据判断多年冻土区路基与之相比的融化深度大小，判断冻土区路基阴阳坡之间的温度差异，分析判断多年冻土区路基的稳定程度。本文使用高敏电阻感应冻土区土质温度变化，监测期间，所有监测点的冻土上限都在波动中下降，冻土地温普遍逐年增高，多年冻土退化严重，有的已经退化为季节冻土，冻土区面积减小、低温冻土向高温冻土转化，温差的剧烈变化严重影响着道路结构的稳定性和耐久性。
多年冻土区现有路面多为沥青路面，这种结构是以半刚性基层为主的路面结构，刚度大、承载高、板体性强，能够满足日益增加的交通荷载[4]。多年冻土区土壤冰冻与融化的水热参数检测结果见表1。
表1 土壤水热参数
续表1
根据监测，发现冻土活动层厚度不断增加，多年冻土发生不同程度退化，随着建成时间的增加呈逐渐加深趋势，冻土上限这种不均匀变化使路基下形成了明显的融化盘，在常年低温和反复冻融循环作用下，冻土区路面沥青面层变脆变硬，而高强度的太阳紫外线辐射又进一步加剧了沥青的老化，外界对路基下冻土的影响程度逐渐增大，在重载交通反复作用及多年冻土退化综合作用下，路面结构产生了一系列的裂缝、变形、车辙、拥包、泛油、坑槽等病害。对于路基结构来说，路基下融化盘将可能逐渐融合到一起，直至贯通；
路基下地基的变形也将会逐步反映到路基顶面，路面破坏失去对路基冻土的保护，在自然环境与重载使用相互作用下，强烈影响路基的稳定性，从而导致严重的路基融沉破坏[5]。
使用基于超声多普勒的多年冻土区路基路面变形监测方法，加上热敏仪器对温度的监测，可以共同实现对多年冻土区路基土质变化、路基下基底冻土的变形状态进行实时监测。
为验证本文设计，分别使用传统监测方法与本文设计方法，开展多年冻土区冻土路基温度和变形演化过程监测试验。
2.1 试验准备
以多年冻土区某公路为依托，综合沿线总体概况，选择地质条件和工程条件相似的路段，分别在路基左侧布置传统监测设备，路基右侧布置超声多普勒传感仪器并实施自动连续采集，采集频率为6次/d，采集期3个月。
2.2 试验结果
两种方法分别测出两组数据，见图3。
图3 路基变动对比结果
由图3可以看出，多年冻土区冻土路基高度逐渐降低，路面主要发生沉降变形，虽然路基幅度逐渐变缓；
但仍处于逐渐下降变动中，引起路基下原地表多年冻土融化，产生明显的竖向变形。
传统方法虽然监测到路基变化速度最快，在前15 d左右；
但是监测数据后期不够精准且在45 d之后的监测期内，测量数据基本不变，维持在-0.2 mm左右。显然传统监测方法在低温冻土区耐耗性不足，出现部件故障或是受低温环境影响测量敏感度下降。
本文设计方法30～40 d期间明显下降幅度是更大的，达到约-2.5 mm，而传统方法监测数据则接近-2 mm，明显低于本文设计方法监测数据；
在75～90 d期间，测量感应更加灵敏，监测路基降沉速度变缓，约在-0.2 mm下值波动，而传统方法监测数据保持平稳，甚至有增加趋势。可见本文设计方法监测多年冻土区路基变化数据反馈及时，在低温极端环境仍能够精准监测运行，实现多年冻土区冻土路基路面变化实时与精准监测。
基于超声多普勒的多年冻土区路基路面变形监测方法设计，依托超声多普勒超声波信息传导，根据回波信号分析数据，对多年冻土区路基路面变形情况进行跟踪监测。试验表明，本文设计的方法在对多年冻土区路基变形监测方面具有极高的有效性。但超声波多普勒的监测技术在多年冻土区的实际应用过程中仍然存在技术难点，如：超声波多普勒监测设备小型化、耐恶劣工况高可靠性设备的开发等都是亟待研究解决的问题。
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