熱擾動(dòng)對(duì)凍土區(qū)片塊石路基熱狀態(tài)變化特性的影響研究

舒 航

（中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川 成都 610081）

0 引言

隨著公路建設(shè)工程向西藏、青海等區(qū)域不斷推進(jìn)，凍土路基及其相關(guān)問題逐漸走入了人們的視野，成為公路建設(shè)過程中亟待解決的障礙。凍土是一種特殊的地質(zhì)材料，其溫度在冰點(diǎn)以下，內(nèi)部含有豐富的冰質(zhì)體，與常規(guī)土壤和巖石有著明顯區(qū)別，既表征了一種材料類型，也表征了一種環(huán)境類型[1]。多年凍土是指其冰凍狀態(tài)維持2a以上的特別凍土，往往是受到非常復(fù)雜的自然地質(zhì)和地理環(huán)境的綜合影響而形成，是地質(zhì)、氣象、歷史等多方面互相作用的產(chǎn)物[2]。目前，由于自然氣候變遷、大氣污染和人類活動(dòng)等綜合原因，導(dǎo)致多年凍土區(qū)的吸放熱平衡狀態(tài)產(chǎn)生了傾斜。其直接原因是體現(xiàn)在凍土區(qū)受到的地表輻射加強(qiáng)、熱量傳輸狀態(tài)出現(xiàn)截?cái)嗷蚣訌?qiáng)等，進(jìn)而引起凍土區(qū)溫度的逐漸升高，最終出現(xiàn)了凍土區(qū)難以抑制的收縮和退化現(xiàn)象，并且這一現(xiàn)象正在不斷加劇[3-6]。

隨著凍土區(qū)域的不斷收縮，建設(shè)在凍土區(qū)的公路路基穩(wěn)定性將面臨更大的考驗(yàn)。程培峰等[7]通過埋設(shè)溫度傳感器，監(jiān)測凍土區(qū)路基溫度變化情況，發(fā)現(xiàn)凍土區(qū)出現(xiàn)了較為明顯的退化問題。丁彪等[8]重點(diǎn)研究了凍土區(qū)路基常發(fā)現(xiàn)的病害問題，重新計(jì)算了多項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，從而更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)多年凍土區(qū)公路損壞狀態(tài)。為了有效地克服熱擾動(dòng)對(duì)凍土區(qū)公路路基帶來的不良影響，工程上已引入了片塊石路基建設(shè)技術(shù)。片塊石路基在鐵路建設(shè)上已有較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，通過片塊石路基，可以明顯改善路基的熱交換狀態(tài)，從而起到保持凍土區(qū)溫度的作用[9]。

然而，工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)表明，在某些多年凍土區(qū)域，尤其是溫度較高區(qū)域，片塊石路基帶來的熱穩(wěn)定性狀態(tài)還不能得到很好的保證。在公路大范圍應(yīng)用片塊石路基前，仍需要對(duì)其抵抗熱擾動(dòng)的能力進(jìn)行仔細(xì)論證。基于此，本文重點(diǎn)針對(duì)熱擾動(dòng)對(duì)凍土區(qū)片塊石路基帶來的影響進(jìn)行了深入研究，在分析該區(qū)域高等級(jí)公路路基狀態(tài)的過程中，采集片塊石路基的溫度狀態(tài)、吸放熱狀態(tài)和凍融循環(huán)狀態(tài)等方面數(shù)據(jù)，探討了其熱狀態(tài)變化的整體規(guī)律，能夠?yàn)槠瑝K石路基在熱擾動(dòng)明顯區(qū)域的應(yīng)用提供一定的參考。

1 工程數(shù)據(jù)概況

本文為得出準(zhǔn)確的片塊石路基熱穩(wěn)定相關(guān)數(shù)據(jù)，選取了我國青藏高寒區(qū)某條高速公路作為研究工程依托。該公路地處多年凍土區(qū)，沿線路基多建設(shè)于年平均溫度不低于-1℃的多年凍土之上，有著較大的不穩(wěn)定性。該高速公路工程的路基建設(shè)充分應(yīng)用了片塊石路基技術(shù)，沿線采用片塊石路基線長達(dá)到64.81km。初步分析認(rèn)為，該地區(qū)路基凍土整體熱狀態(tài)影響因素較為復(fù)雜，包括地面處吸放熱量、空氣溫度流變化和地溫梯度變化等。

該條高速公路地處于青海省，平均海拔高度為4315m，屬于夏季短冬季長氣候，夏季涼爽、冬季嚴(yán)寒，年平均溫度為-4℃，降水少，陽光輻射強(qiáng)烈，干旱嚴(yán)重，凍土凍結(jié)期長，風(fēng)力較大，是典型的高寒區(qū)氣候。

該條高速公路的路基路面工程資料為：路面寬度為11.75m，材料為瀝青混凝土，路基平均高于地表2.7m，邊坡坡度為1∶2，其上鋪設(shè)有1m厚的片塊石覆蓋層，所選用片塊石的平均直徑為1.1dm。

連續(xù)3a不間斷對(duì)高速公路下部凍土層的溫度狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，其橫截面內(nèi)包括鋪設(shè)瀝青路面（以瀝青路面為基準(zhǔn)面）、片塊石路基的5處凍土區(qū)（路基中部、兩側(cè)2處路肩、兩側(cè)2處坡腳）和天然地面為基準(zhǔn)面的5處凍土區(qū)（路基中部、兩側(cè)2處路肩、兩側(cè)2處坡腳），重點(diǎn)對(duì)其溫度狀態(tài)、凍土上限發(fā)展程度、吸放熱狀態(tài)和凍融循環(huán)狀態(tài)展開論證分析。

2 地溫?cái)?shù)據(jù)分析

首先對(duì)比該條高速公路路面和天然地表為基準(zhǔn)面下的地溫?cái)?shù)據(jù)，具體分別包括兩側(cè)2處路肩和路基中部共3個(gè)點(diǎn)，其下探深度均為0.5m，其數(shù)值如圖1所示。

圖1 路肩及路基中部溫度對(duì)比情況

分析圖1中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在5—11月份，受到路面面層材料覆蓋的影響，路基中部和兩側(cè)路肩處溫度差異最大，路基中心相對(duì)于左右2個(gè)路肩的最大溫差可達(dá)3.48℃和4.41℃，而這一數(shù)值在冬季的最小值僅為-0.68℃和0.45℃。觀察天然地表處情況，在片塊石層的影響下，路基中心相對(duì)于左右2個(gè)路肩的最大溫差為1.09℃和4.03℃，在冬季的最小值為-0.09℃和0.02℃。這表明片塊石路基在凍土區(qū)有著很好的熱穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)冷卻，可以有效降低凍土溫度，通過加快溫差空氣間的流通速度避免熱擾動(dòng)對(duì)路基溫度產(chǎn)生過于明顯的影響，從而減少熱擾動(dòng)所帶來的各類路基病害。觀察圖1中凍土溫度的整體發(fā)展趨勢，可以發(fā)現(xiàn)路基中部和右側(cè)路肩間的凍土溫度差值正逐漸降低。這表明該處片塊石路基的降溫能力產(chǎn)生了變化，兩側(cè)路肩逐漸出現(xiàn)了溫度不對(duì)稱現(xiàn)象。

除了同一深度不同位置間的溫度差對(duì)比分析外，不同深度間凍土溫度對(duì)比研究也有著顯著的意義。對(duì)比分析鋪設(shè)片塊石路基的兩側(cè)路肩、路基中部和天然路基的各深度凍土溫度監(jiān)測情況如圖2所示。

圖2 不同深度凍土溫度對(duì)比情況

從溫度分布范圍上可以發(fā)現(xiàn)，該凍土屬于高溫型凍土，平均溫度約為-0.8℃。天然地基對(duì)應(yīng)的凍土在深度-4m以上區(qū)間，發(fā)生較為明顯的溫度波動(dòng)；而針對(duì)鋪設(shè)瀝青路面和片塊石路基區(qū)域的凍土溫度擾動(dòng)則體現(xiàn)在深度-5m以上區(qū)間。另一明顯趨勢則表現(xiàn)在陰面路肩和陽面路肩間的溫度差異上：陰面路肩（即圖2中所示左路肩）在同一深度下的凍土溫度低于陽面路肩（即圖2中所示右路肩）。這一現(xiàn)象說明左路肩下方的凍土上限發(fā)展程度要小于右路肩凍土，即陰面凍土上限發(fā)展程度小于陽面凍土。

3 吸放熱數(shù)據(jù)分析

在地溫?cái)?shù)據(jù)調(diào)查的基礎(chǔ)上，可通過傅里葉定律計(jì)算得到吸放熱量，具體數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 凍土吸放熱對(duì)比情況

從圖3中可以明顯發(fā)現(xiàn)，無論是天然路基區(qū)域凍土還是鋪設(shè)瀝青路面和片塊石路基區(qū)域的凍土，均表現(xiàn)為熱收支為正數(shù)的現(xiàn)象，換言之，凍土的吸熱量大于放熱量。長此以往，其下部凍土層的整體溫度必然會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸上升。

此外，觀察片塊石路基高速公路不同部位處的吸放熱和熱收支情況，可以發(fā)現(xiàn)右路肩處（即陽面路肩）的放熱量僅為-0.09，其熱收支數(shù)值為22.55；與之相對(duì)，左路肩處（即陰面路肩）的熱收支數(shù)值僅為8.25，是陽面路肩處的1/2.7。同樣，陰陽面處的坡腳也有著熱收支差異，左側(cè)坡腳的熱收支僅為22.4，是陽面坡腳處的1/2.3。隨著時(shí)間的推移，片塊石路基陰陽面吸放熱的不平衡發(fā)展將會(huì)擴(kuò)大，其對(duì)應(yīng)路基處的陰面凍土升溫速度小于陽面凍土路基。

4 凍融循環(huán)數(shù)據(jù)分析

在該高速公路實(shí)體工程全程監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn)這期間內(nèi)兩側(cè)路肩與路基中部之間并未出現(xiàn)較為嚴(yán)重的融化夾層問題。而且兩側(cè)路肩處凍土的凍融時(shí)間與路基中部處凍土凍融時(shí)間相錯(cuò)開，并且凍融循環(huán)周期長度也不相同。其中，路基中部凍土的融化時(shí)間長度約為7個(gè)多月，從3月下旬直到10月下旬；與之相對(duì)，10月下旬到次年3月下旬則為凍結(jié)期。陽面路肩處凍土的融化時(shí)間與路基中部凍土融化時(shí)間較為接近，其融化結(jié)束時(shí)間大約在10月上旬。陰面路肩處凍土的融化開始時(shí)間約為4月中上旬，結(jié)束時(shí)間約為10月中旬。

5 結(jié)語

本文選取了我國青藏高寒區(qū)某條高速公路作為研究工程依托，對(duì)熱擾動(dòng)對(duì)凍土區(qū)片塊石路基帶來的影響進(jìn)行了深入研究，采集片塊石路基的溫度狀態(tài)、吸放熱狀態(tài)和凍融循環(huán)狀態(tài)等方面數(shù)據(jù)，探討了其熱狀態(tài)變化的整體規(guī)律，得出了以下主要結(jié)論：

（1）片塊石路基在凍土區(qū)有著很好的熱穩(wěn)定性作用，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)冷卻作用。

（2）片塊石路基能通過加快溫差空氣間的流通速度，避免熱擾動(dòng)對(duì)路基溫度產(chǎn)生過于明顯的影響，從而減少熱擾動(dòng)帶來的各類路基病害。

（3）片塊石路基的陰陽面存在吸放熱不平衡的情況，陽面路肩吸放熱量達(dá)到陰面路肩吸放熱量的2.7倍，陽面坡腳吸放熱量達(dá)到陰面坡腳吸放熱量的2.3倍。

（4）隨著片塊石路基陰陽面吸放熱不平衡的發(fā)展，其對(duì)應(yīng)的陰面凍土升溫速度小于陽面凍土，陰面凍土上限發(fā)展程度同樣小于陽面凍土。