共和-玉樹高速公路多格茸段凍脹丘與公路路基的相互影響

吳吉春， 盛 煜

（中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

多年凍土作為一類特殊巖土體，在寒區(qū)工程建設(shè)中受到廣泛關(guān)注［1-2］。在全球氣候變暖背景下，北半球多年凍土處于持續(xù)退化中［3-5］，人類活動的影響對多年凍土的退化起到推波助瀾的作用［6］。青藏高原多年凍土大多處于高溫不穩(wěn)定狀態(tài)，對外界擾動的響應(yīng)十分敏感，工程活動顯著改變其地表狀況，促使多年凍土加速退化［7-8］。特別是公路工程建設(shè)，由于路面材料特殊的熱物理性質(zhì)和道路交通載荷等因素的作用下，對多年凍土的影響十分顯著［9-11］。多年凍土融沉是青藏高原公路工程中面臨的最主要的凍土工程問題［12-13］，特別在高含冰多年凍土地段［15］。所以在公路建設(shè)中，查明高含冰地段的分布是一項重要工作。凍脹丘是一類特殊的高含冰地段，在多年凍土區(qū)工程建設(shè)中應(yīng)需要避讓。

飽和土凍結(jié)時水分向凍結(jié)鋒面遷移，水分凍結(jié)體積膨脹，遂產(chǎn)生凍脹。凍脹丘是地層凍結(jié)發(fā)生凍脹的一種極端表現(xiàn)形式，主要表現(xiàn)為地表隆起呈丘狀，其典型特征是具有厚層純冰核或高含冰地層［15-16］。理論上，凍脹在地表的隆起高度即代表了地下冰層累計厚度，是一類典型的高含冰地段。從凍脹丘發(fā)育和保存時間分類，凍脹丘可以分為季節(jié)性和多年生兩種類型［17］。其中季節(jié)性凍脹丘多分布在多年凍土或深季節(jié)凍土區(qū)，地下冰層主要分布在活動層厚度以內(nèi)，規(guī)模比較小，一般在地表回凍到一定深度時開始形成，到次年融化季節(jié)來臨前達到最大，在融化季節(jié)末完全消融、消失［18］。由于季節(jié)性凍脹丘冰層埋藏較淺，表層覆蓋土層受冰層頂托而張裂，多形成源于頂部的放射狀裂縫，在地表容易辨識［17-18］，在工程勘查中可以規(guī)避，也可以由于工程建設(shè)改變水分運移通道和（或）地層熱狀況，甚至由于工程實體的壓力抑制其發(fā)生，在工程建設(shè)中其危害不太顯著。多年生凍脹丘形成時間多超過千年，有些甚至超過萬年［19-20］，頂部的裂縫可能被風(fēng)沙填充，如果沒有表面塌陷等現(xiàn)象，則無明顯痕跡顯示其為凍脹地形，往往可能被誤判為孤山、固定沙丘、冰礫阜等孤立的丘狀地貌，從而在勘查中被忽略。多年生凍脹丘一般比較高大，也即意味著其地下冰層厚度和分布范圍均較季節(jié)性凍脹丘大，發(fā)生融沉?xí)r，其沉降量十分可觀，對工程建設(shè)，特別是公路工程影響顯著。

共和-玉樹高速（簡稱共玉高速）是我國在多年凍土區(qū)建設(shè)的第一條高速公路，全線和G214 國道并行。線路穿越多年凍土區(qū)路段約360 km，其中多年凍土路段總長約200 km。在查明沿線多年凍土分布及主要含冰特性的基礎(chǔ)上，在相應(yīng)地段，路基建設(shè)采取了適當(dāng)?shù)墓こ檀胧﹣眍A(yù)防多年凍土融沉的發(fā)生［21］。其中，長石頭山到黃河谷地之間的多格茸盆地堆積了厚層細(xì)顆粒沉積物，地下冰比較發(fā)育，是典型高含冰路段。盆地中南部分布著眾多孤立的丘狀地形，經(jīng)過表面形態(tài)調(diào)查和鉆探勘察，確定為一類多年生凍脹丘［22］。新建的共玉高速有幾處橫切這類凍脹丘而過，凍脹丘下伏巨厚的地下冰層對公路投入運營以后的路基穩(wěn)定形成潛在的威脅。在青藏高原公路建設(shè)中，公路跨越凍脹丘布設(shè)尚屬首次，本文擬以公路K430+070 處凍脹丘為例，初步分析凍脹丘對公路路基穩(wěn)定性的影響。

1 多格茸盆地凍脹丘基本特征

1.1 區(qū)域介紹

多格茸盆地是一小型山間盆地，大致呈北西-南東走向，長約40 km，北東向?qū)捈s20 km，盆地平均海拔4 300 m。盆地東北方向為布青山脈支脈長石頭山，南部由一些低緩丘陵與黃河主河道寬闊谷地相隔，形成相對封閉的獨立盆地，僅通過其西南方向一條相對寬展、平坦的河谷與黃河主河道相通。214 國道和新修的共玉高速公路并行翻越長石頭山后，俯沖進入盆地，向西南方向橫穿盆地，從盆地出口河谷邊緣穿出盆地。盆地底部平坦，從東北部的長石頭山向西南方向的出口略有傾斜，大致每千米降低7 m。受地形影響，盆地西南部位地表水體較豐富，大大小小的湖泊星羅棋布，數(shù)條蜿蜒回環(huán)的季節(jié)性溪流向出口匯集。在湖泊之間地面隆起高低、形態(tài)各異的小型土丘或臺地，經(jīng)過表面形態(tài)調(diào)查和鉆探勘察，證實這些隆起地形為一類多年生凍脹丘，這些凍脹丘較密集地分布在多格茸盆地中部-西南部，形成了高原罕見的凍脹丘群。這些凍脹丘從外觀形態(tài)上看，大多為近圓形和橢圓形底面的渾圓丘體，相對高度在3～8 m，底面直徑從數(shù)十米到數(shù)百米不等；側(cè)面看，有些似錐形，有些似穹蓋形，有些底面直徑很大且無明顯頂部，形成凍脹臺地。和常見的季節(jié)性凍脹丘不同，這些凍脹丘頂部并沒有放射狀延伸的張裂縫，部分凍脹丘在陽坡面或頂部形成明顯的熱融沉陷，有的沉陷洼地中積水。

1.2 地層基本特征

共玉高速K430 附近位于多格茸盆地中南部，靠近盆地出口，是盆地地表、地下水匯集的場所。該地段凍脹丘分布比較密集，往往數(shù)個凍脹丘相鄰伴生。該地段松散沉積物主要有三層，表層約1 m厚度全新世黃土狀粉質(zhì)土，中部為厚約數(shù)米的晚更新世風(fēng)積細(xì)砂或粉砂，7～8 m 以下為河湖相細(xì)砂-粉黏土互層沉積物。充足的水分和有利于水分遷移從而發(fā)生分凝作用的細(xì)顆粒土地層結(jié)合，形成了凍脹丘發(fā)育的良好場所。該地多年凍土上限約在1.8 m，凍脹丘下高含冰地層出現(xiàn)在約4～30 m 深度區(qū)間。其中，在細(xì)砂地層中形成微層冰透鏡和細(xì)小冰脈，在粉質(zhì)土層中往往形成含土冰層或厚達20 cm 的純冰層，黏性土層中形成厚約2～4 cm 的純冰層（圖1）。

圖1 凍脹丘中的地下冰Fig.1 Ground ice underlying frost mound：lenticular ice（a）；layered ice（b）；pure ice layer（c）

1.3 K430+070處公路跨切凍脹丘概況

在多格茸盆地中，G214 國道橫穿而過，但是均避開凍脹丘布設(shè)，所以并沒有凍脹丘對路基穩(wěn)定構(gòu)成威脅。新建的共玉高速與214 國道并行，在多格茸盆地采用分幅修筑，兩幅路基有多處橫切凍脹丘頂部或邊坡，其中，左幅路基在K430+070 處從一凍脹丘頂部橫切而過，在凍脹丘頂部最大開挖深度超過3 m，路基鋪筑以后路面距丘頂2.5 m（圖2）。此處凍脹丘分布比較密集，附近緊鄰214 國道左側(cè)存在一座較大凍脹丘，高度超過8 m，底面直徑約80 m，頂部和側(cè)面部分塌陷，塌陷坑內(nèi)積水。公路所切的凍脹丘與214 國道邊凍脹丘相伴而生，由于前期取土以及新建公路挖方，此凍脹丘地表形態(tài)已不完整，后期又對殘余部分進行了整平，目前在地表已經(jīng)沒有明顯的凍脹丘形態(tài)（圖3）。

圖2 共玉高速K430+070附近橫切凍脹丘路段Fig.2 Frost mound transected by Gonghe-Yushu Highway at mileage K430+070

圖3 K430+070附近凍脹位置及周圍環(huán)境Fig.3 Location and surroundings of frost mound site at Gonghe-Yushu Highway mileage K430+070

為了了解此處凍脹丘在公路瀝青路面影響下的熱狀況及評估凍脹丘地下冰融化對路基穩(wěn)定性的影響，布設(shè)了多年凍土地溫監(jiān)測剖面。監(jiān)測剖面包括路基中心、左右路肩和天然地面4個地溫孔，其位置如圖2。監(jiān)測斷面布設(shè)在凍脹丘頂部偏東位置，開挖深度大約2 m。天然孔位于路基左側(cè)約20 m 處，從地面形態(tài)和土質(zhì)看，天然孔位置可能在早期施工中被開挖，地表以細(xì)砂為主，而盆地地表普遍發(fā)育的細(xì)粒粉質(zhì)土缺失，零星生長著幾株禾本科植物，明顯和該地段原生植被不同，屬于次生種群。天然孔地面雖然曾經(jīng)遭擾動，但地溫數(shù)據(jù)反映多年凍土上限依然保持在1.8 m 左右，年平均地溫約為-0.3 ℃。

2 公路路基修筑對凍脹丘下地層熱狀況的影響

K430+070附近路基及路面水穩(wěn)層在2013年11月以前修筑完成，2014 年6 月完成瀝青路面鋪筑。凍脹丘兩側(cè)由路堤過渡，路堤高約1.0～1.5 m，底層鋪設(shè)0.5 m 厚的塊石，凍脹丘開挖段也填埋了一定厚度的塊石，地表沒有顯露（圖3）。監(jiān)測斷面鉆孔布設(shè)在2013 年9 月前完成，測溫探頭布線、數(shù)采設(shè)備調(diào)試安裝在2013 年11 月初完成，開始采集數(shù)據(jù)。測溫探頭來自中國科學(xué)院凍土工程國家重點實驗室標(biāo)定的熱敏電阻，測溫精度為±0.05 ℃，數(shù)采設(shè)備用Campbell 公司CR3000 型數(shù)據(jù)采集儀，每4 小時采集一次數(shù)據(jù)。2015 年因為更換設(shè)備，數(shù)據(jù)采集暫時中止。目前獲得了從2013 年11 月到2015 年3 月期間包含一個完整凍融周期的地溫數(shù)據(jù)，也涵蓋了瀝青路面鋪筑前后一定時段，可以滿足進行初步地溫分析的需要。本文中天然孔深度均自地面算起，路面鉆孔深度自水穩(wěn)層面算起，右路肩孔由于數(shù)據(jù)異常，分析中沒有采用。圖4中，我們選擇了三個監(jiān)測孔0.5 m 和5.0 m 兩個深度處的地溫，顯示了地溫的時間變化過程。

2.1 路基施工對凍脹丘下凍土層的影響

在K430+070 監(jiān)測剖面上，路基中心孔和左右路肩孔均存在挖方，原天然地表被破壞，隨后經(jīng)歷了壓實、換填塊石、鋪筑水穩(wěn)層等一系列工程擾動，改變了地表熱狀況，使得路基導(dǎo)熱效率更高，淺層地溫對外界氣溫變化響應(yīng)迅速，能夠明顯反映出地面狀況的變化。圖4（a）中2013—2014 年冬季天然孔和路基孔0.5 m 地溫對比明確體現(xiàn)了這種變化，表現(xiàn)在：（1）進入冷季，路基下地溫快速下降，天然孔經(jīng)歷了大約1 個月的零點幕階段才開始下降，暖季開始，天然孔零點幕階段遠(yuǎn)大于路基孔，反映了經(jīng)過工程活動改造的路基土較天然地表淺層土層中的含水量小很多；（2）路基下0.5 m 地溫變化遠(yuǎn)大于天然孔，而且路基下地溫小幅波動在天然孔地溫中幾乎被完全“過濾”，說明路基地層導(dǎo)熱效率較天然地層高。在圖4（b）中，天然孔地溫約為-0.5 ℃，略能看出年變化的波動；而路基下兩孔地溫約為-0.2 ℃，中心孔略低，兩孔地溫均無明顯年變化，而且隨著時間推移顯出持續(xù)升溫趨勢。

圖4 監(jiān)測孔0.5 m和5.0 m地溫隨時間的變化Fig.4 Developing process curves of ground temperature in depth of 0.5 m and 5.0 m in various borehole

在鋪筑瀝青路面以前（2014 年6 月以前），路基表面仍然保持淺色，相比原天然地面吸熱能力沒有明顯變化，路基下地溫相比天然孔變化幅度增加，源于換填、壓實等工程活動對表層物質(zhì)熱物理性質(zhì)的改變，可以看作施工過程對下伏多年凍土的影響。圖5是2013年11月28日和2014年5月28日各孔地溫曲線對比。從11 月28 日地溫曲線圖中可以看出，淺地表已經(jīng)回凍，其表層地溫遠(yuǎn)低于天然地表。路基上兩個鉆孔0.5 m 深度處地溫已經(jīng)下降至-6 ℃左右，而天然孔相同深度地溫約-0.1 ℃。但是天然孔多年凍土上限較淺，此時活動層已經(jīng)完全回凍，與多年凍土層銜接。同時，路基下多年凍土上限（以路面算，達到3.8 m左右）相比天然孔（1.8 m）增加了2.0 m，盡管表層有較高的散熱效率，但遠(yuǎn)沒有達到銜接狀態(tài)，依然保留了約2 m 厚的融化夾層。路基下兩孔多年凍土層地溫在12 m 深度以上均高于天然孔，以15 m 深度地溫作為年平均地溫，路基中心孔和路肩孔均比天然孔略低，隨著深度增加，這一差值有增加趨勢。說明路基位置在公路施工以前，原天然地表條件下多年凍土保存條件較現(xiàn)天然孔位置更好一些，也說明施工對多年凍土造成的熱影響在一年時間內(nèi)已經(jīng)波及到12 m 深度，考慮到挖除的2 m 厚度，這一深度應(yīng)該達到14 m。5 月底，本地區(qū)已經(jīng)進入融化季節(jié)，地溫曲線反映經(jīng)過一個完整的冬季，下伏多年凍土放熱狀況。5 月地溫曲線再次明確顯示路基表層高效的傳熱性能，天然孔融化深度只有0.3 m，0.5 m 地溫只有-0.4 ℃，路基下融化已經(jīng)達到或超過2 m，0.5 m 地溫達5.7 ℃。在2～12 m 深度區(qū)間，天然孔顯示了正地溫梯度，說明多年凍土層在冬季正常放熱；而路基下保持負(fù)地溫梯度，多年凍土層中暖季吸收的熱量在冷季不能有效釋放，處于熱積累狀態(tài)。12 m 以下地溫變化不大。

圖5 監(jiān)測斷面鉆孔地溫對比Fig.5 Ground temperature profile of various borehole

自從2012年開始公路施工至2013年年底，由于施工造成路基下多年凍土顯著退化，表現(xiàn)為多年凍土上限大幅下降（考慮挖除部分，上限下降了約4 m），多年凍土上層地溫明顯上升，在1年多的路基施工期間，這一影響波及到12 m 深度處。高原施工多在融化季節(jié)開展，施工過程對多年凍土的熱擾動包括三個方面：（1）地表挖方，使得原多年凍土埋藏深度變淺，熱量由地表傳遞至多年凍土層的熱阻減小，多年凍土原上限接受的熱量和傳入多年凍土層的熱量增加；（2）路基土及路基填料的壓實加強了表層導(dǎo)熱效率，使夏季有更多的熱量進入多年凍土層中，但是也有利于冬季散熱，綜合來看，表層填土導(dǎo)熱性能的改變不是路基下熱量積累的主要貢獻者。然而，夏季施工填土本身的熱量對加熱下伏土層卻不可忽視；（3）工程機械在施工過程中對地面的摩擦、震動可能對地層中的熱量積累也有所貢獻。

2.2 瀝青路面鋪設(shè)對下伏多年凍土的影響

2014 年6 月以后，該路段完成了瀝青路面的鋪筑。黑色路面強烈的吸熱作用顯著改變地氣間的熱量交換過程，加劇下伏地層中的熱量積累。圖6對比了瀝青路面鋪設(shè)前后2013 年和2014 年相同日期（11 月28 日）鉆孔的地溫。對比天然孔兩個年份的地溫，2014 年天然地面（0.2 m 深度）溫度較2013年低約1 ℃左右。位于路基下的兩孔對比發(fā)現(xiàn)，季節(jié)融化層中地溫存在較大差異，表現(xiàn)為瀝青路面鋪設(shè)以后地溫較鋪設(shè)以前大幅升高，0.5 m 深度處升高幅度可達6 ℃，向下逐漸遞減，在多年凍土上限（約4 m）以下，兩個年份的地溫幾乎完全相同。如果考慮天然孔反映的2014年更冷一些的情況，則瀝青路面鋪筑以后引起的表層地溫升溫幅度應(yīng)該更大一些。說明鋪設(shè)瀝青路面比路基施工過程對路面下地層熱量積累更大，而且是在施工擾動基礎(chǔ)上的進一步增加。在工程初期，這些積累的熱量在冬季會被部分釋放到外界，來保持活動層回凍過程中的銜接狀態(tài)；長期來看，路基下保持著熱量凈積累狀態(tài)，形成融化夾層不可避免。同時，活動層中熱量積累狀態(tài)阻止了下伏多年凍土層中熱量的散失，使其保持持續(xù)升溫，發(fā)生融化也是必然結(jié)果。

圖6 瀝青路面鋪筑前后同一時期地溫對比Fig.6 Comparing ground temperature between before and after asphalt paved

為了使對比更具一般性，同樣從圖4 中瀝青路面鋪筑前后兩個冬季路基下0.5 m 地溫變化過程曲線可以顯著地看出這種差異。表1 列出了各孔0.5 m深度處監(jiān)測期內(nèi)最冷月（1月）和最熱月（8月）地溫月平均值。首先，天然孔2015 年1 月0.5 m 地溫較2014 年低1.1 ℃，表明同期2014—2015 年冬季比2013—2014 年冬季更冷，然而路基下兩孔2015年1 月平均地溫較2014 年分別高7.8 ℃（中心）和5.3 ℃（左路肩）。造成升高幅度不同的原因是路肩孔緊貼瀝青路面邊緣，并沒有直接覆蓋瀝青面層，所以，瀝青路面的增溫效應(yīng)應(yīng)該以中心孔增溫來計算。其次，我們對比中心孔和天然孔同期的0.5 m平均地溫，2014 年1 月，瀝青尚未鋪設(shè)，由于高效的散熱能力，中心孔0.5 m 地溫較天然孔低11.1 ℃，而2015 年1 月，瀝青鋪設(shè)以后，它們之間的差值僅為2.2 ℃，路面冬季散熱能力極大削弱。在夏季，2014年8月中心孔0.5 m地溫較天然孔高8.5 ℃，即路面吸熱能力很強。和施工期路基比較，瀝青路面鋪設(shè)以后，其強吸熱性能抵消了冬季路基下土層向外界散熱，夏季則增強了向下伏土層的傳熱，從而形成了下伏土層中強烈的熱量積累，加速多年凍土升溫和融化。

表1 各孔0.5 m 深度最冷月和最熱月地溫平均值（單位：℃）Table 1 Mean ground temperature of the coldest and warmest month at depth 0.5 m from different boreholes（unit：℃）

3 凍脹丘路段多年凍土變化趨勢及對公路的影響預(yù)估

近年來氣候變暖，青藏高原普遍出現(xiàn)多年凍土上限下降［4-5］，多格茸盆地的大多數(shù)凍脹丘形態(tài)完整，沒有明顯的塌陷跡象，這與凍脹丘地下冰埋藏深度有關(guān)，高含冰地層一般出現(xiàn)在4～5 m 深度，而多年凍土上限在1.8 m，也就是說自然升溫條件還不足以引起凍脹丘地下冰層融化（個別冰層埋藏較淺部位除外）。然而，公路工程活動挖除了表層保護地層，使得地下冰埋藏變淺，而且極大地改變了原來地氣熱交換過程，造成路基下大量熱量積累，將會促使地下冰開始融化，進而出現(xiàn)路基沉陷［7，10］，影響道路安全。

3.1 凍脹丘路段下多年凍土目前狀態(tài)及路基穩(wěn)定性

監(jiān)測斷面上天然孔位置曾經(jīng)挖方，目測挖除深度在1.5～2.0 m，擾動后多年凍土上限調(diào)整到目前地面以下1.8 m 位置，這與周圍其他天然地表條件下上限深度接近。當(dāng)時挖方對地面的擾動似乎對上限位置沒有影響，然而根據(jù)前面分析，路基下由于施工影響造成的升溫只波及到12 m 深度處，12 m以下天然孔地溫高于路基中心孔。假設(shè)沒有擾動前各孔地溫一致（事實上，斷面上各孔位置相近，地面、地層狀況相似，地形相同，理論上地溫是一致的），那么說明天然孔地溫在挖方以后有所升高，當(dāng)時挖除地表粉質(zhì)土層暴露出下伏的砂土層造成的影響僅表現(xiàn)為促使多年凍土地溫升高。鉆探結(jié)果表明，天然孔現(xiàn)地面以下1.8 m 出現(xiàn)含土冰層，正是該層豐富地下冰阻止了凍土層融化，因地表改變進入地中的熱量增量有足夠時間向下傳遞，從而保持上限位置，僅僅使地溫升高。

公路路基位置經(jīng)歷了挖方和填方、壓實、鋪設(shè)瀝青等工程活動以后，擾動遠(yuǎn)比前期挖方嚴(yán)重，目前凍土上限在路面以下3.8 m 深度，原地面距離路面2.0 m，凍土天然上限按1.8 m 計算，則因為公路施工造成凍土上限實際下降了約4 m（圖7）。路基中心孔鉆探結(jié)果揭示，路面約4 m 深度以下出現(xiàn)含土冰層或純冰層。目前多年凍土上限已經(jīng)接近或處于高含冰地層位置。這一現(xiàn)狀我們也可以在地溫分析中得到證實。在圖4（b）中，路基下兩孔5.0 m 深度處地溫均保持在-0.2 ℃左右，在監(jiān)測時期內(nèi)基本不變，即是說路基下兩孔年變化深度均在5 m 左右，雖然路基填方有較高的導(dǎo)熱效率，但夏季熱量向下傳遞沒有突破這一深度。與高原其他地區(qū)10～15 m 的年變化深度相比，說明該斷面上4～5 m 附近地層水分（包括地下冰和未凍水）含量較高，該層熱量的收支主要用于水分的相變（地下冰和未凍水之間的相互轉(zhuǎn)化），而抑制了地溫的變化，這一推測與凍脹丘地下冰埋藏深度相符。觀察2014 年5 月28 日地溫（圖5）曲線形態(tài)細(xì)節(jié)，發(fā)現(xiàn)路基下兩孔在2～4 m 深度存在兩處明顯的地溫曲線拐點，上面拐點代表暖季開始地表升溫傳遞深度，下面拐點表示之前的冬季地表降溫傳遞深度，也就是說，2013 年冬季路面溫度很低（見前面論述），但這種降溫趨勢只是傳遞到上限位置3.8 m 附近，此處地溫接近0 ℃，已經(jīng)處于相變階段的冰水混合狀態(tài)，只有足夠的未凍水在相變時釋放潛熱才能補償活動層中冬季散失的熱量，從而保持地溫在0 ℃附近基本不變。另一方面，如前所述，瀝青路面鋪筑以后路面下熱量積累更加顯著，然而對比瀝青路面鋪筑 前后的2013 年11 月28 日和2014 年11 月28 日地溫曲線（圖6），發(fā)現(xiàn)下多年凍土上限并沒有明顯變化，說明即使鋪設(shè)了瀝青路面，一個夏季在活動層中積累的熱量沒有使上限位置的地下冰完全融化，也只有充足的冰含量才能阻擋積累的熱量繼續(xù)向下融化凍土層，來加深上限。總之，從鉆探資料和地溫分析均充分證明了目前上限位置已經(jīng)處于高含冰地層。

圖7 K430+070附近凍脹丘監(jiān)測剖面地表及凍土上限變化Fig.7 Sketch of permafrost table changes in profile of frost mound transected by Gonghe-Yushu Highway

由于路基下多年凍土上限沒有加深，截至目前，該段跨凍脹丘路段路基還算穩(wěn)定，路面沒有出現(xiàn)顯著變形。路基下填方的塊石在后期平整過程中完全掩埋失去通風(fēng)的作用，對路基穩(wěn)定性起不到應(yīng)有作用。

3.2 凍脹丘路段未來凍土變化和路基穩(wěn)定性

在未來一段時期內(nèi)，由于瀝青路面強吸熱特性，填方塊石又起不到相應(yīng)的降溫作用，路基下活動層內(nèi)的熱量積累造成多年凍土的持續(xù)融化，由于含冰量較高，其融化短期內(nèi)不能直觀顯現(xiàn)（比如2013 年底到2014 年底，圖6 所示），但隨著時間累積，最終會直接以路基沉降的方式呈現(xiàn)。粗略估計，在公路建成通車后幾年時間內(nèi)，凍脹丘路段路基沉降即會出現(xiàn)，因為地層均為高含冰地層，沉降會持續(xù)發(fā)展［14，23］。由于凍脹丘段地層高含冰量會形成較大的融沉量，在正常地段向凍脹丘路段過渡段，發(fā)生差異沉降，可能形成橫向裂縫。在凍脹丘段內(nèi)，由于路面沉陷的不均勻性，會形成波浪起伏，嚴(yán)重影響行車安全。根據(jù)青藏公路的檢測結(jié)果，瀝青路面鋪設(shè)以后幾年到十幾年的時間，多年凍土上限下降到路面以下7～8 m［24］，當(dāng)多年凍土上限深度超過路面寬度時，路基兩側(cè)凍土層對路基下地層的側(cè)向影響超過路面自上而下的影響，上限下降將趨于穩(wěn)定，路基有可能達到穩(wěn)定。對于凍脹丘路段來說，連續(xù)的高含冰地層可能會減緩凍土上限下降速度，但會保持較大沉降量，同時也延緩了沉降趨于穩(wěn)定的時間，也就是說在公路運營以后很長時間內(nèi)該地段將處于持續(xù)沉降變形中，而且沉降量較一般多年凍土路段大。

凍脹丘中心部位自地面隆起高度超過3.5 m，意味著凍脹丘下伏分凝冰總厚度超過3.5 m。分凝冰在7～8 m 深度以內(nèi)以微層狀冰透鏡為主形成冰土混合的飽冰凍土或含土冰層，估計地下冰的累計厚度超過1 m。8 m 以下為薄層純冰層與土層互層結(jié)構(gòu)，冰層累計厚度超過2.5 m。以此推算，未來幾十年內(nèi)，路基下多年凍土上限如果在7～8 m 達到穩(wěn)定，路基沉降總量可能超過1 m。如果將來氣候升溫，使本區(qū)多年凍土全面退化，則凍脹丘下冰層全部融化，路基沉降最終可能達到3.5 m 以上，不加處理，該處將發(fā)展成為熱融湖塘。

4 結(jié)論

在共玉高速多格茸盆地段，由于對凍脹丘認(rèn)識不足，公路有幾處橫切凍脹丘，凍脹丘下賦存著豐富的地下冰，對公路長期安全運營造成很大隱患。在多年凍土區(qū)公路建設(shè)中，跨凍脹丘路段的穩(wěn)定性問題以前尚未遇到過，本文根據(jù)目前收集的數(shù)據(jù)，初步分析了凍脹丘和公路相互影響，對路基穩(wěn)定性做出定性的評價，得到以下結(jié)論：

（1）多格茸盆地凍脹丘分布數(shù)量多，密度大，在保持公路順直的要求下無法避讓，凡是在路基修筑時存在挖方地段，均屬于凍脹丘或凍脹地形影響范圍，路基下地層中多為高含冰凍土。

（2）在天然狀態(tài)下，這些凍脹丘大多保持穩(wěn)定，個別凍脹丘局部塌陷。公路施工活動極大地改變了原來地面狀況，施工過程中開挖、換填、碾壓、鋪筑瀝青等活動造成了活動層中強烈地?zé)崃糠e累。

（3）目前由于工程活動的影響，凍脹丘路段路基下凍土上限已經(jīng)達到高含冰地層，短期來看，路基下多年凍土上限融化由于需要大量的潛熱，向下移動速度很慢，但是伴隨發(fā)生的融沉量不容忽視。

（4）公路運營以后，在未來很長一段時間內(nèi)，路基下凍土上限將持續(xù)加深，將會造成持續(xù)的路基沉降，初步估計，路基達到穩(wěn)定前的累積沉降量可達1 m甚至更多。