季節(jié)性凍土地區(qū)路基的水溫分布和變化

李榮華，高熙賀

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與測(cè)繪工程分院，陜西 咸陽(yáng) 712100)

?

季節(jié)性凍土地區(qū)路基的水溫分布和變化

李榮華，高熙賀

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與測(cè)繪工程分院，陜西 咸陽(yáng) 712100)

我國(guó)凍土面積占全國(guó)總面積的75%，在東北、青藏高原等地區(qū)較為多見(jiàn)。凍土自身具有凍脹、融沉及開(kāi)裂等特點(diǎn)，如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)凍土的高效處理，路基穩(wěn)定性將會(huì)大打折扣。從季節(jié)性凍土特點(diǎn)及危害入手，結(jié)合具體研究對(duì)象深入分析季節(jié)性凍土地區(qū)路基水溫分布及變化，最后提出防范季節(jié)性凍土地區(qū)路基凍害相關(guān)建議及措施，希望為我國(guó)道路工程施工提供更多支持。

季節(jié)性；凍土地區(qū)；路基；水溫分布

1 季節(jié)性凍土地區(qū)路基的水溫分布和變化分析

1.1天然測(cè)溫孔溫度情況

受到天然測(cè)溫孔土體溫度的影響，不同深度土體溫度時(shí)程曲線波型具有較強(qiáng)的相似性，基本與外部溫度變化具有一致性。進(jìn)入冬季之后，氣溫逐漸下降，土體溫度隨著深度的增加而不斷升高，波動(dòng)幅度不大，且地溫變化具有明顯的滯后性，尤其是深度越深，滯后情況越明顯[1]。

1 2014年11月10日14時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)； 2 2015年1月14日14時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)； 3 2015年1月20日14時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)； 4 2015年2月12日14時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)； 5 2015年4月18日14時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)； 6 2015年5月12日14時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)

1.2工況Ⅰ測(cè)溫情況

冬季，10月～1月氣溫下降，工況Ⅰ溫度變化規(guī)律為：地溫下降幅度較為明顯，對(duì)不同測(cè)點(diǎn)下降溫度進(jìn)行平均值計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，下降溫度基本在在9℃左右，且隨著深度的增加，降幅也會(huì)由大變小。相比較來(lái)看，路肩溫度下降較路基中心更為明顯。當(dāng)氣溫逐漸上升時(shí)，地溫依舊保持在較低的溫度。到了2～4月時(shí)，左右側(cè)邊坡表層測(cè)點(diǎn)溫度開(kāi)始上升。而對(duì)于路基水分來(lái)說(shuō)，絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)含水率具有明顯的下降，能夠達(dá)到0.4%～1.5%，降幅并不大，且表層含水率降幅略高于下部，路肩略大于路基中心。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)暖時(shí)，絕大部分含水率降幅有所提升，能夠達(dá)到0.1%～0.5%，路肩與路基中心降幅基本一致。根據(jù)溫度數(shù)據(jù)推算可知，該區(qū)域最大凍深能夠達(dá)到1.3 m，較天然測(cè)溫孔凍深小很多，可以證明壓實(shí)填方路基能夠保障路基內(nèi)部溫度保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

1.3工況Ⅱ測(cè)溫情況

與上述時(shí)間一樣，地溫下降幅度明顯，各個(gè)測(cè)點(diǎn)均能夠達(dá)到10℃以上，且隨著深度的增加，降幅會(huì)逐漸變小。當(dāng)氣溫轉(zhuǎn)暖后，地溫依舊保持下降趨勢(shì)，且沿著深度方向的降幅在逐漸增加。對(duì)于水分變化來(lái)看，路基表層與路肩水分受到晝夜溫差的影響，會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)現(xiàn)象，水溫也會(huì)下降。進(jìn)入到1月份后，同一斷面延深度方向含水率降幅逐漸變小，而同一深度路肩含水率降幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于路基中心。據(jù)此，通過(guò)地溫與水溫能夠判斷出，工況Ⅱ最大凍深能夠達(dá)到2.1 m，凍深較上一工況更大、更多。究其根本是路基上層鋪設(shè)了80 cm的砂礫層，其導(dǎo)熱系數(shù)較土基更大，更易受到外界環(huán)境的影響。

1.4分析結(jié)果

路基填土縱向位移極有可能會(huì)超過(guò)道路路基允許的范圍，且凍脹率較大，縱向位移更為明顯，在很大程度上造成了路基不穩(wěn)定情況。另外，溫度場(chǎng)分布變化，會(huì)造成凍土融沉壓縮形變，季節(jié)性凍土地區(qū)路基也存在橫向形變現(xiàn)象，隨著凍深的增加而變大。當(dāng)溫度場(chǎng)保持在恒溫情況下，土壤內(nèi)部水分遷移造成的凍脹率是影響凍土路基形變穩(wěn)定性的關(guān)鍵性因素。因此應(yīng)在施工前，對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)分析，充分了解凍土動(dòng)態(tài)變化情況，進(jìn)一步細(xì)化路基填料分類標(biāo)準(zhǔn)，使得路基施工能夠更加科學(xué)、合理。

2 防范季節(jié)性凍土地區(qū)路基凍害的措施

2.1改善路基土質(zhì)

對(duì)于路基土質(zhì)的改善，我們主要采取換填的方式，將路基凍結(jié)深度范圍內(nèi)的敏感性土壤替換為不凍脹土。如國(guó)道213線采取的換填方式取得了較好的效果。對(duì)表層以下的黑土進(jìn)行清理，換填為一定厚度的砂礫土，換填后砂礫土控制到原始地面標(biāo)高后，在墊層頂部再加上一層礫石隔離層。另外，還可以將原有翻漿部分進(jìn)行換填，換填砂礫等透水性材料，同時(shí)設(shè)置排水溝，及時(shí)將土壤內(nèi)的水分排出去，將水分控制在最佳狀態(tài)。該方法具有操作簡(jiǎn)便、適用范圍廣等特點(diǎn)，能夠在很大程度上提高施工質(zhì)量。

2.2保溫措施

保溫法在實(shí)踐應(yīng)用中，主要采用導(dǎo)熱系數(shù)較路基結(jié)構(gòu)小的材料，使保溫材料內(nèi)外熱量傳遞更小，以此來(lái)降低外部環(huán)境對(duì)路基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不良影響。不僅如此，采取這種方式，還能夠減小凍深、阻止水分向凍結(jié)面遷移，從而避免路基出現(xiàn)凍脹等問(wèn)題。現(xiàn)階段，多數(shù)保溫材料保溫效果會(huì)受到吸水率的影響，尤其是地下水位上升，地下水長(zhǎng)期浸泡，將會(huì)使材料自身具有的導(dǎo)熱系數(shù)有所升高，影響保溫效果。對(duì)此，在施工中，應(yīng)結(jié)合各個(gè)地區(qū)實(shí)際情況，合理選擇保溫材料，如新型泡沫塑料保溫層，其自身具有自重輕、吸水性差等優(yōu)勢(shì)，能夠滿足對(duì)路基的保障。

2.3控制路基水分

在施工過(guò)程中，要落實(shí)好路基、路面排水工作，針對(duì)地面水來(lái)說(shuō)，應(yīng)采取邊溝、截水溝等多種措施，避免其漫流、下滲等問(wèn)題的出現(xiàn)。現(xiàn)有研究成果中，織物包裹滲溝處理效果較好，較傳統(tǒng)換填法能夠節(jié)省更多施工成本，且抗凍脹效果較為明顯。采用排水、隔水等方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)路基內(nèi)部水分特征的改善。很多工程實(shí)踐證明，結(jié)合具體工程采取的排水方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)凍土的高效處理，避免凍土對(duì)上層路面產(chǎn)生的不良影響，為人們營(yíng)造安全、和諧的行車環(huán)境，從而促使工程綜合效益得到充分發(fā)揮。

2.4改善路面結(jié)構(gòu)

隨著道路工程施工不斷發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)道路凍害進(jìn)行了大量研究，并提出了很多方法。因此在選擇路面結(jié)構(gòu)層時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以立足于當(dāng)?shù)丶竟?jié)性凍土溫度變化趨勢(shì)等合理選擇結(jié)構(gòu)層，如石灰土、煤渣石灰土等，形成更加穩(wěn)固的路面結(jié)構(gòu)，提高道路施工質(zhì)量。當(dāng)前，較為成功的路面結(jié)構(gòu)層普遍采用的是多層結(jié)構(gòu)結(jié)合，如橡膠顆粒+粉煤灰土材料，形成的冷阻層，以此來(lái)阻隔地表負(fù)溫下降傳遞，從根本上避免季節(jié)性凍土區(qū)道路凍害問(wèn)題的產(chǎn)生。在具體施工中，路基路面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以建立在填筑、填料基礎(chǔ)之上。雖然這種方法具有較強(qiáng)的可行性，但是季節(jié)性凍土具有復(fù)雜性，對(duì)于多次凍融循環(huán)后的區(qū)域效果并不明顯[2]。

除了上述措施，對(duì)于凍害的防治，還可以采用綜合性方式和方法，將排水、填筑等措施有機(jī)整合到一起，充分利用各種方式和方法的優(yōu)勢(shì)，使得施工更具針對(duì)性，形成合力，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)季節(jié)性凍土的有效防范。隨著我國(guó)道路交通工程改革持續(xù)深化，我們還需要加大對(duì)季節(jié)性凍土溫度變化趨勢(shì)的研究力度，充分了解并掌握其變化規(guī)律，并在施工前對(duì)凍土進(jìn)行試驗(yàn)，考慮方向因素后，減少施工盲目性，設(shè)計(jì)出科學(xué)的施工方案，為施工實(shí)踐活動(dòng)做好充分的準(zhǔn)備，從而提高道路交通施工質(zhì)量及效率。

3 結(jié) 論

根據(jù)上文所述，季節(jié)性凍土作為道路工程施工過(guò)程中的重難點(diǎn)，對(duì)路面整體穩(wěn)定性、安全性將會(huì)產(chǎn)生深刻的影響。因此在施工中，我們要樹(shù)立正確施工理念，加大對(duì)季節(jié)性凍土溫度分布及變化的研究，充分掌握溫度變化規(guī)律，為道路工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)，使得道路工程設(shè)計(jì)更加科學(xué)、合理。此外，在施工中，還可以根據(jù)實(shí)際施工情況，從路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化、控制路基水分等多個(gè)層面入手，加強(qiáng)對(duì)季節(jié)性凍土路基的改善，不斷提高路基施工質(zhì)量，逐步形成完善的道路交通體系，從而促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、健康發(fā)展。

[1] 李文壇, 楊有海. 季節(jié)凍土區(qū)防凍脹護(hù)道對(duì)保溫路基地溫特征影響效果研究[J]. 低溫建筑技術(shù), 2009(8): 90-91.

[2] 萬(wàn)一農(nóng). 換填法抑制季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基凍脹效果分析[J]. 電氣化鐵道, 2008(6): 25-27.

ChangesandDistributionsofWaterTemperatureinSeasonalFrozenSoilArea

LI Ronghua, GAO Xihe

(TrafficandMeasuringEngineeringBranchinYanglingVocationalandTechnicalCollege，Xianyang,Shangxi712100,China)

Our vast land covers an area of a very broad, as is complex geological types. The highway construction and construction is of a certain negative impact. The frozen soil area accounts for 75% of the total area of the whole country, and it is more common in the northeast and the Qinghai Tibet Plateau. The frozen soil has its frost heaving and thaw settlement and cracking characteristics if you cannot achieve in the efficient processing of frozen soil. Subgrade stability will be greatly reduced. This article will start from the seasonal frozen soil characteristics and hazards to combine with the specific object of study in-depth analysis of the temperature distribution and variation of subgrade in seasonal frozen soil area. We finally puts forward our relevant suggestions to prevent subgrade frost damage in seasonal frozen regions and measures, as hopes to provide more support for the road construction in our country.

Seasonal; Frozen soil region; Subgrade; Water temperature distribution

2016-08-25

校級(jí)課題:季節(jié)性凍土地區(qū)路基變形研究(A2016021)

李榮華(1986-)，女，山東菏澤人，講師，研究方向：道路與鐵道工程、巖土工程，手機(jī)：15991694010，E-mail：76922706@qq.com.

U416.1

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.043