多年凍土地區(qū)路基溫度場(chǎng)分布的探討

馬寶靈 趙緒濤 何曉東

0 引言

多年凍土地區(qū)公路的路基采取路堤的形式,路堤的修建改變了地表形態(tài),破壞了原有的水熱平衡條件,使得路堤以及附近土層的溫度場(chǎng)在空間和時(shí)間上發(fā)生了很大的變化,直接影響了路基的穩(wěn)定性。因此,模擬路堤溫度場(chǎng)的分布特點(diǎn)及其變化規(guī)律,具有重要的工程指導(dǎo)意義。本文在綜合考慮了溫度邊界條件、熱流密度邊界條件、對(duì)流換熱邊界條件以及路基蓄熱作用的情況下,對(duì)年平均氣溫為-5.2℃的五道梁地區(qū),東南—西北和南—北兩個(gè)不同走向,高度為1.0 m,1.5 m,2 m,2.5 m,3 m,3.5 m,4 m,4.5 m,5 m的路堤瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元計(jì)算分析,并結(jié)合工程實(shí)際,得出路基溫度場(chǎng)具有如下的分布特點(diǎn)。

1 溫度分布特點(diǎn)

1.1 路堤溫度場(chǎng)普遍存在的非對(duì)稱性

凍土地區(qū)路堤的溫度場(chǎng)受到諸多因素的影響,其淺層土體典型的溫度場(chǎng)分布具有非對(duì)稱[1,2]的特點(diǎn),具體情況如下。

1.1.1 空間上的非對(duì)稱性

1)路堤不同部位同一深度的溫度由高到低依次是:路面,陽面路肩,陰面路肩,陽面邊坡,陰面邊坡,原地面;同一深度處路堤陰陽面附近的地面處的溫度基本相同;陽面邊坡處的溫度高于陰面邊坡處的溫度;陽面路肩處的溫度高于陰面路肩處的溫度;而路面的溫度最高;其中陰坡面和陽坡面上的差異最為顯著,如圖1所示。

2)對(duì)于同一高度的路堤來說,其非對(duì)稱性特點(diǎn)在同一路基部位不同的深度具有如下的特點(diǎn):隨著深度的加深溫度的變化幅度在逐漸減小;左右邊坡的溫度差異在逐漸減小;溫度線逐漸趨向于對(duì)稱;達(dá)到最低和最高溫度的時(shí)間出現(xiàn)明顯的滯后[3],見圖2。

1.1.2 時(shí)間上的非對(duì)稱性

1)由于受到氣溫逐年升高的影響,路堤的溫度也存在逐年升高的趨勢(shì),盡管氣溫的變化很微小,但還是能夠在溫度場(chǎng)中體現(xiàn),可見氣溫對(duì)凍土影響的顯著性。2)路基表面處土層溫度場(chǎng)的非對(duì)稱性差異有冬季強(qiáng),夏季弱的特點(diǎn);隨著深度的加深其變化則是在土層自身溫度最低的時(shí)候變化強(qiáng),溫度最高的時(shí)候變化弱,如圖2所示。3)路堤修筑好后,隨著時(shí)間的推移,路堤的溫度場(chǎng)也將逐年發(fā)生變化,路基表面溫度的變化跟氣溫的變化較為一致,隨著溫度的增大,其溫度出現(xiàn)相應(yīng)程度的增加;深處土層的溫度在開始的一段時(shí)間里出現(xiàn)的程度逐漸減小的增大,隨后就趨向于穩(wěn)定的狀態(tài),如圖3所示。

1.1.3 產(chǎn)生的工程影響

凍土路堤中溫度場(chǎng)的非對(duì)稱性分布對(duì)路基的穩(wěn)定性極其不利。在凍結(jié)期,陰坡面下的土層總是先凍結(jié),并且凍結(jié)的深度也比陽坡面下的大;在融化期,陰坡面下的土層卻總是后融化,并且融化深度比陽坡面下的小。這就使得陰坡面下的凍結(jié)土層厚度大于陽坡面下的,凍結(jié)土層在橫向的厚度差別可導(dǎo)致路基出現(xiàn)凍脹變形,從而使路基出現(xiàn)縱裂等病害。導(dǎo)致這種非對(duì)稱性的主要原因是熱邊界條件的不對(duì)稱性,陰坡面、陽坡面、路肩、路面在吸收熱量方面均存在顯著的差異,因此,在設(shè)計(jì)計(jì)算分析中,考慮路基外界因素的差異并模擬實(shí)際邊界條件進(jìn)行計(jì)算是十分必要的。

1.2 非對(duì)稱性與路堤高度和路基的走向的關(guān)系

1)與路堤高度的關(guān)系。對(duì)于低路堤,其高度較低,路堤的橫斷面較小,使得路堤的熱阻較小,對(duì)外部溫度變化的響應(yīng)迅速,無法阻止熱量向下的傳遞,融深不斷下降;隨著路堤高度的增加,其熱阻不斷增大,邊坡面積增大,散熱效果好,路堤的年最高溫度隨著路堤高度的增加而降低,所以將路堤高度提高到一定的程度能起到保護(hù)凍土的作用,但是也并非越高越好,超過臨界高度[5]會(huì)對(duì)工程的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響;而路堤陰陽坡面的溫度差異卻隨著路堤高度的增加而增加,主要是由于路堤的增高,導(dǎo)致了陰陽坡面邊界條件的差異增大,從而使得陰陽坡面的差異變大。

2)與路基走向的關(guān)系。路基的走向是影響多年凍土地區(qū)路基溫度場(chǎng)的一個(gè)重要因素,由于走向的不同,其陰陽坡效應(yīng)[1]程度不同,即路基的左右邊坡的日照時(shí)間、太陽輻射吸收量、積雪厚度與覆蓋的時(shí)間,以及受到主導(dǎo)風(fēng)速影響的對(duì)流條件等因素的差異不同,導(dǎo)致了路堤溫度場(chǎng)陰陽面的差異不同。通過對(duì)計(jì)算的分析來看,東—西走向的差異最為顯著;東南—西北走向的路基的差異明顯;南—北走向的路基,除了受到季節(jié)性風(fēng)向引起的對(duì)流換熱的不對(duì)稱而產(chǎn)生的微小的溫度差異外,溫度基本上是對(duì)稱的。

2 結(jié)語

本文通過對(duì)多邊界條件凍土路堤的有限元分析,得出路堤溫度場(chǎng)的分布在空間和時(shí)間上具有非對(duì)稱性,以及這種非對(duì)稱性與路堤高度、路堤走向的關(guān)系。路堤溫度場(chǎng)的非對(duì)稱性導(dǎo)致路堤不同部位土體的凍結(jié)、融化的時(shí)間先后以及深度存在著差異,極易出現(xiàn)縱向裂縫等病害;因此,對(duì)凍土路堤溫度場(chǎng)邊界條件的分析具有顯著的工程指導(dǎo)意義。

[1] 汪海年.青藏高原多年凍土地區(qū)路基溫度場(chǎng)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2004:5.

[2] 黃顯貴,韓永強(qiáng),王鐵行.新筑凍土路堤溫度場(chǎng)的變化過程[J].西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2002,22(4):37-39.

[3] 王鐵行,竇明健.多年凍土地區(qū)路堤熱差異分析[J].煤田地質(zhì)與勘探,2004,32(1):70-73.

[4] 竇明健,胡長(zhǎng)順,何子文,等.青藏公路多年凍土段路基病害分布規(guī)律[J].冰川凍土,2002,24(1):11-15.

[5] 王鐵行.多年凍土地區(qū)路基計(jì)算原理及臨界高度研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2000:6.