舒 航

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都 610081）

0 引言

隨著公路建設工程向西藏、青海等區(qū)域不斷推進，凍土路基及其相關問題逐漸走入了人們的視野，成為公路建設過程中亟待解決的障礙。凍土是一種特殊的地質材料，其溫度在冰點以下，內部含有豐富的冰質體，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，往往是受到非常復雜的自然地質和地理環(huán)境的綜合影響而形成，是地質、氣象、歷史等多方面互相作用的產物[2]。目前，由于自然氣候變遷、大氣污染和人類活動等綜合原因，導致多年凍土區(qū)的吸放熱平衡狀態(tài)產生了傾斜。其直接原因是體現(xiàn)在凍土區(qū)受到的地表輻射加強、熱量傳輸狀態(tài)出現(xiàn)截斷或加強等，進而引起凍土區(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，建設在凍土區(qū)的公路路基穩(wěn)定性將面臨更大的考驗。程培峰等[7]通過埋設溫度傳感器，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]重點研究了凍土區(qū)路基常發(fā)現(xiàn)的病害問題，重新計算了多項指標權重，從而更加準確地評價多年凍土區(qū)公路損壞狀態(tài)。為了有效地克服熱擾動對凍土區(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技術。片塊石路基在鐵路建設上已有較為豐富的經驗，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，工程實踐的經驗表明，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。在公路大范圍應用片塊石路基前，仍需要對其抵抗熱擾動的能力進行仔細論證?；诖耍疚闹攸c針對熱擾動對凍土區(qū)片塊石路基帶來的影響進行了深入研究，在分析該區(qū)域高等級公路路基狀態(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，能夠為片塊石路基在熱擾動明顯區(qū)域的應用提供一定的參考。

1 工程數(shù)據(jù)概況

本文為得出準確的片塊石路基熱穩(wěn)定相關數(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充分應用了片塊石路基技術，沿線采用片塊石路基線長達到64.81km。初步分析認為，該地區(qū)路基凍土整體熱狀態(tài)影響因素較為復雜，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、冬季嚴寒，年平均溫度為-4℃，降水少，陽光輻射強烈，干旱嚴重，凍土凍結期長，風力較大，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不間斷對高速公路下部凍土層的溫度狀態(tài)進行監(jiān)測，其橫截面內包括鋪設瀝青路面（以瀝青路面為基準面）、片塊石路基的5處凍土區(qū)（路基中部、兩側2處路肩、兩側2處坡腳）和天然地面為基準面的5處凍土區(qū)（路基中部、兩側2處路肩、兩側2處坡腳），重點對其溫度狀態(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 地溫數(shù)據(jù)分析

首先對比該條高速公路路面和天然地表為基準面下的地溫數(shù)據(jù)，具體分別包括兩側2處路肩和路基中部共3個點，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，路基中部和兩側路肩處溫度差異最大，路基中心相對于左右2個路肩的最大溫差可達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，路基中心相對于左右2個路肩的最大溫差為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，可實現(xiàn)主動冷卻，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對路基溫度產生過于明顯的影響，從而減少熱擾動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生了變化，兩側路肩逐漸出現(xiàn)了溫度不對稱現(xiàn)象。

除了同一深度不同位置間的溫度差對比分析外，不同深度間凍土溫度對比研究也有著顯著的意義。對比分析鋪設片塊石路基的兩側路肩、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℃。天然地基對應的凍土在深度-4m以上區(qū)間，發(fā)生較為明顯的溫度波動；而針對鋪設瀝青路面和片塊石路基區(qū)域的凍土溫度擾動則體現(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

在地溫數(shù)據(jù)調查的基礎上，可通過傅里葉定律計算得到吸放熱量，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隨著時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，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，左側坡腳的熱收支僅為22.4，是陽面坡腳處的1/2.3。隨著時間的推移，片塊石路基陰陽面吸放熱的不平衡發(fā)展將會擴大，其對應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

在該高速公路實體工程全程監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn)這期間內兩側路肩與路基中部之間并未出現(xiàn)較為嚴重的融化夾層問題。而且兩側路肩處凍土的凍融時間與路基中部處凍土凍融時間相錯開，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間長度約為7個多月，從3月下旬直到10月下旬；與之相對，10月下旬到次年3月下旬則為凍結期。陽面路肩處凍土的融化時間與路基中部凍土融化時間較為接近，其融化結束時間大約在10月上旬。陰面路肩處凍土的融化開始時間約為4月中上旬，結束時間約為10月中旬。

5 結語

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，對熱擾動對凍土區(qū)片塊石路基帶來的影響進行了深入研究，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，可實現(xiàn)主動冷卻作用。

（2）片塊石路基能通過加快溫差空氣間的流通速度，避免熱擾動對路基溫度產生過于明顯的影響，從而減少熱擾動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到陰面路肩吸放熱量的2.7倍，陽面坡腳吸放熱量達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，其對應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。