川藏鐵路塊碎石填料護坡路基降溫效果分析

魯成山，韓鵬飛，胡小川，田承堯，陳慧健 （中建二局土木工程集團有限公司，北京 100000）

0 引言

國家的正常運轉(zhuǎn)、戰(zhàn)略儲備等物資運輸均需要通過鐵路來實現(xiàn)，以此來保障我國政治和經(jīng)濟的穩(wěn)定[1]。我國的川藏鐵路中有一半的鐵路路程常年處于高海拔凍土地區(qū)，使用不同路基填料鋪筑鐵路在復雜氣溫條件下的反應各不相同，這將會嚴重威脅到鐵路工程的穩(wěn)定性和安全性。

為了進一步探究不同填料護坡路基在凍土地區(qū)的降溫效果，學者們對其進行了大量的試驗研究工作。卞曉琳等[2-5]通過數(shù)值模擬對鐵路拋石護坡路基的溫度場和流速場進行了研究，結(jié)果表明，拋石護坡路基在夏季能夠提高多年凍土上限，冬季路基下部的土體溫度升溫速率更快，這對路基具有保護作用。鄒澤雄等[6]根據(jù)實際檢測數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模擬軟件對路基下溫度場的穩(wěn)定性進行了研究，結(jié)果表明，多年凍土的人為上限和天然上限均不斷降低，路基的不均勻變形與陰陽坡的溫度場分布有關(guān)。

本文采用川藏鐵路試驗段地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了不同填料塊石護坡路基、碎石護坡路基降溫效果的差異，并與普通護坡路基進行對比分析。研究結(jié)果以期為高海拔凍土地區(qū)的道路工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 不同填料路基降溫效果分析

研究以川藏鐵路某試驗區(qū)段路基工程為研究背景，由水文地質(zhì)資料調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該鐵路區(qū)段氣溫變化復雜，溫度在-14．1～30℃之間交替顯著，凍融次數(shù)多，晝夜溫差變化大，極端條件可高達30℃，反復的溫度荷載致使混凝土更易損傷、開裂，從而引起路基變形。

1.1 不同粒徑填料路基下部中心溫度變化

本文根據(jù)工程需要，對普通路基、塊石護坡路基以及碎石護坡路基三種填料路基進行了檢測，并得到相應的監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中，圖1（a）為不同填料和不同深度路基下部土體溫度-時間變化曲線。由圖可知，在多年凍土上限附近，普通路基、塊石護坡路基以及碎石護坡路基整體路基的變化趨勢均隨著時間的增加而逐漸降低。值得注意的是，受工程熱擾動影響，三種填料護坡路基中心溫度均出現(xiàn)短暫的升溫過程，隨著時間的推移出現(xiàn)降溫趨勢。在調(diào)料護坡路基完工初期，塊石護坡路基中心溫度最高，普通路基溫度次之，碎石護坡路基溫度最低。隨著時間年份增長至2021 年，普通路基溫度最高，塊石路基溫度次之，碎石路基溫度最低。而對于降低幅度而言，與普通路基和碎石護坡路基相比較，塊石護坡路基溫度的降低幅度最大。

圖1 路基中心下部不同深度土體溫度隨時間的變化

圖1（b）為路基中心下部5m 深度土體的溫度隨時間變化曲線。從圖中可以看出，隨著年份的逐漸增加，三種護坡路基中線下部5m 深度土體的溫度均呈現(xiàn)上升趨勢，相對于塊石和碎石護坡路基，普通路基5m 深的溫度上升幅度最大，溫度最高。在2009 年和2021 年三種路基5m 深度的溫度大小為普通路基溫度最高，塊石路基溫度次之，碎石護坡路基溫度最低。值得注意的是，普通護坡路基在2016 年之前，下部5m 深度的路基溫度隨著時間的增加呈上升趨勢。在2016 年之后，路基的溫度逐漸趨于穩(wěn)定。而塊石護坡路基和碎石護坡路基的溫度就是在2013 年之前，路基溫度呈現(xiàn)上升趨勢，在2013 年之后，路基溫度呈現(xiàn)波動穩(wěn)定趨勢。

圖1（c）為路基中心下部10m 深度土體溫度-時間變化曲線。由圖1（c）可知，三種填料護坡路基溫度均隨著時間的增加呈現(xiàn)出上升趨勢。當時間在2014 年之前，三種路基呈現(xiàn)線性上升，在2014 年之后，路基溫度上升趨勢減緩，但路基下部10m 的溫度大小依次為，普通路基溫度最高，塊石護坡路基溫度次之，碎石護坡路基溫度最低。對于不同深度不同粒徑填料下的路基而言，碎石填料路基的中心溫度均低于普通路基和塊石護坡路基，且溫度梯度隨著深度的增加而逐漸減小，反映了土體溫度調(diào)節(jié)作用與路基深度呈反比關(guān)系。

1.2 多年凍土上限變化分析

對于川藏鐵路沿線高海拔地區(qū)而言，因為當?shù)爻Ｄ陮儆趦鐾羺^(qū)，融化下沉作用是鐵路路基存在的主要病害之一。因此，要保障和維護鐵路的正常運行，首先應對多年凍土上限的變化規(guī)律進行研究分析。通常而言，多年凍土上限指標與路基的穩(wěn)定性是呈正相關(guān)的，如果路基下部多年凍土上限表現(xiàn)為上升趨勢，則表明該路基護坡工程舉措對路基的穩(wěn)定性具有促進作用，對該路基工程的相關(guān)措施是能夠保證鐵路的正常使用。如果路基下部多年凍土上限表現(xiàn)為下降趨勢，則認為該舉措對護坡路基的正常運營具有劣化損傷作用，從而對鐵路的運營使用產(chǎn)生不良影響。

對于護坡路基而言，左右兩側(cè)的路肩發(fā)生變形是正常的，若兩側(cè)的變形過大，將導致左右路肩的幅度變化差值增大，則在多年凍土上限上表現(xiàn)為不對稱分布現(xiàn)象。對于塊石和碎石護坡路基而言，左、右側(cè)路肩的多年凍土上限差值在0．05～0．10m 和0．04～0．06m 之間，則表明兩種護坡路基對稱性較好，兩側(cè)路肩的不均勻變形對路基造成的損害較低[8]。

1.3 土體熱狀態(tài)變化

為深入探究分析熱通量密度對普通路基、塊石護坡路基以及碎石護坡路基下部多年凍土的影響，本文通過熱通量密度q 的計算公式（1）和計算公式（2），選取護坡路基下部深部在5～6m 間的土體進行試驗研究。選取的土體均在相同試驗區(qū)段內(nèi)獲得。根據(jù)傳熱學原理，僅考慮一個維度下，熱通量密度q 的數(shù)學計算公式為：

式中：負號為熱通量密度由高溫區(qū)域流通至低溫區(qū)域；k 為土體導熱系數(shù)，取值為1．67W/(m·K)；ΔZ 為土體厚度差值，取值為0．5m；T6．0、T5．0分別為土體在5～6m 間的溫度值。通過式（1）計算得到的該試驗區(qū)段熱通量密度，然后通過式（2）對時間進行積分，最后得到路基下部深度在5～6m 范圍內(nèi)在一定時段內(nèi)的總熱量的收支變化情況。

表1為5個周期內(nèi)不同填料塊石、碎石護坡路基下部深層土體熱量收支情況表。從表中可以看出，普通路基、塊石護坡路基和碎石護坡路基下部土體溫度均在第一個周期結(jié)束時吸熱量達到最大值，并表現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)。熱流量密度分別為4820．12、3411．44、2175．28kJ/m2。隨著凍融周期的逐漸增加，三種護坡路基的熱流量密度均呈現(xiàn)為先減小后增加的轉(zhuǎn)變。當凍融周期達到3 次時，三種護坡路基的熱流量密度均為最小值，分別 為3528．80、2514．24 和1554．20kJ/m2，當凍融周期達到5次時，三種護坡路基的熱流量密度分別為3554．72、3136．32 和3136．32kJ/m2。相較于第一次凍融，5 次周期循環(huán)后的熱流量密度分別降低了26．3%、8．1%和8．3%。造成這種變化的原因是降溫效果達到極致后會導致多年凍土上限增加，從而導致淺層土體溫度下降，深層土體通過熱傳導將冷量傳遞至淺層土體，進而導致深層土體溫度不斷上升。

2 不同填料路基降溫機理分析

由于塊石護坡路基之間的空隙較大，密實度較小，因此在冬季和夏季兩季節(jié)間均會形成空氣對流現(xiàn)象。相反，細小碎石護坡路基碎石間的空隙較小，空氣對流現(xiàn)象不易在冬季和夏季中形成，因此較慢的熱傳導成為碎石護坡路基的主要流通方式。此外，由于空隙狹小，阻礙了空氣流通，碎石之間依據(jù)氣體傳遞的熱量也因此被進一步阻礙，因此，空隙小的碎石護坡路基的熱傳遞效率要遠遠低于空隙大的塊石護坡路基。在凍融周期循環(huán)的過程中，與塊石護坡路基相比較，碎石護坡對路基產(chǎn)生的降溫效果較低，對深層路基的保護作用效果更為顯著。

除了空氣流通不同外，路基的降溫效果也與外界的溫度變化有關(guān)。圖2 為2014-2021 年川藏鐵路試驗區(qū)年平均氣溫變化曲線。從圖2 中可以看出，在2014-2018 年，年平均氣溫變化曲線雖呈現(xiàn)上下波動，但曲線的整體趨勢仍是上升的，年平均升溫速率為0．02℃/a。在2018-2021 年，年平均氣溫的整體趨勢表現(xiàn)為先減小后增加的轉(zhuǎn)折，相較于2014 年，2021 年時路基的升溫速率為0．34℃/a。值得注意的是，2014-2018年，冬半年路基的溫度均高于夏半年路基的溫度。因此，隨著平均溫度的持續(xù)升高，川藏鐵路多年凍土地區(qū)路基的溫度隨之增加，這將會對路基的整體降溫效果產(chǎn)生劣化作用。此外，由于不同填料礦物顆粒對于溫度的反應程度（熱脹冷縮）不盡相同，從而造成護坡路基的多年凍土上限增加，引起左右路肩的不均勻變形增大，進而影響川藏鐵路運行的安全性和穩(wěn)定性。

圖2 2014-2021年川藏鐵路試驗區(qū)年平均氣溫變化曲線

表1 凍融循環(huán)后三種填料護坡路基下部深層土體熱流量收支變化情況（單位：kJ/m2）

表2 為2011-2021 年不同填料路基在不同深度下多年凍土年平均降溫速率表。研究發(fā)現(xiàn)，在2011-2018 年期間，多年凍土區(qū)域普通路基、塊石護坡路基以及碎石護坡路基的降溫速率分別為0．58℃/10a、0．87℃/10a 和0．84℃/10a，升溫速率分別為0．77℃/10a、0．7℃/10a 和0．51℃/10a。 在2018-2021 年，氣溫逐漸上升（圖2），這是因為淺層區(qū)域的塊石和碎石護坡路基間的空隙較大，發(fā)生空氣對流導致。而在深層時，塊石和碎石護坡路基的密實度增加，空氣不易在空隙間流通，進而導致深層路基下部為升溫狀態(tài)，而淺層路基為降溫狀態(tài)。

表2 不同深度多年凍土的年平均降溫速率

3 結(jié)論

川藏鐵路中最常見的路基形式為塊石、碎石護坡路基，為了研究不同粒徑填料護坡路基對降溫效果的影響，本文選用塊石和碎石兩種填料護坡路基，并與普通路基進行對比研究，得出主要結(jié)論如下：

①對于不同深度不同粒徑填料下的護坡路基而言，相同溫度下，碎石填料路基的中心溫度均低于普通路基和塊石護坡路基，溫度梯度隨著深度的增加而逐漸減小，土體溫度與路基深度呈反比；

②多年凍土上限指標與路基的穩(wěn)定性是呈正相關(guān)，路基下部多年凍土上限表現(xiàn)為上升趨勢，則表明該路基護坡工程舉措對路基的穩(wěn)定性具有促進作用。多年凍土上限為下降趨勢，則表明路基護坡工程對路基的穩(wěn)定性具有劣化作用；

③不同填料護坡路基的降溫效應主要與空氣對流效應和外界溫度變化有關(guān)。與塊石護坡路基相比較，碎石護坡對路基產(chǎn)生的降溫效果最低，對深層護坡路基的保護效果最為顯著。