季节性冻土地区路基的水温分布和变化

李荣华，高熙贺

(杨凌职业技术学院 交通与测绘工程分院，陕西 咸阳 712100)



季节性冻土地区路基的水温分布和变化

李荣华，高熙贺

(杨凌职业技术学院 交通与测绘工程分院，陕西 咸阳 712100)

我国冻土面积占全国总面积的75%，在东北、青藏高原等地区较为多见。冻土自身具有冻胀、融沉及开裂等特点，如果无法实现对冻土的高效处理，路基稳定性将会大打折扣。从季节性冻土特点及危害入手，结合具体研究对象深入分析季节性冻土地区路基水温分布及变化，最后提出防范季节性冻土地区路基冻害相关建议及措施，希望为我国道路工程施工提供更多支持。

季节性；冻土地区；路基；水温分布

1 季节性冻土地区路基的水温分布和变化分析

1.1天然测温孔温度情况

受到天然测温孔土体温度的影响，不同深度土体温度时程曲线波型具有较强的相似性，基本与外部温度变化具有一致性。进入冬季之后，气温逐渐下降，土体温度随着深度的增加而不断升高，波动幅度不大，且地温变化具有明显的滞后性，尤其是深度越深，滞后情况越明显[1]。

1 2014年11月10日14时测试数据； 2 2015年1月14日14时测试数据； 3 2015年1月20日14时测试数据； 4 2015年2月12日14时测试数据； 5 2015年4月18日14时测试数据； 6 2015年5月12日14时测试数据

1.2工况Ⅰ测温情况

冬季，10月～1月气温下降，工况Ⅰ温度变化规律为：地温下降幅度较为明显，对不同测点下降温度进行平均值计算后发现，下降温度基本在在9℃左右，且随着深度的增加，降幅也会由大变小。相比较来看，路肩温度下降较路基中心更为明显。当气温逐渐上升时，地温依旧保持在较低的温度。到了2～4月时，左右侧边坡表层测点温度开始上升。而对于路基水分来说，绝大多数测点含水率具有明显的下降，能够达到0.4%～1.5%，降幅并不大，且表层含水率降幅略高于下部，路肩略大于路基中心。当温度转暖时，绝大部分含水率降幅有所提升，能够达到0.1%～0.5%，路肩与路基中心降幅基本一致。根据温度数据推算可知，该区域最大冻深能够达到1.3 m，较天然测温孔冻深小很多，可以证明压实填方路基能够保障路基内部温度保持在稳定状态。

1.3工况Ⅱ测温情况

与上述时间一样，地温下降幅度明显，各个测点均能够达到10℃以上，且随着深度的增加，降幅会逐渐变小。当气温转暖后，地温依旧保持下降趋势，且沿着深度方向的降幅在逐渐增加。对于水分变化来看，路基表层与路肩水分受到昼夜温差的影响，会出现蒸发现象，水温也会下降。进入到1月份后，同一断面延深度方向含水率降幅逐渐变小，而同一深度路肩含水率降幅远远高于路基中心。据此，通过地温与水温能够判断出，工况Ⅱ最大冻深能够达到2.1 m，冻深较上一工况更大、更多。究其根本是路基上层铺设了80 cm的砂砾层，其导热系数较土基更大，更易受到外界环境的影响。

1.4分析结果

路基填土纵向位移极有可能会超过道路路基允许的范围，且冻胀率较大，纵向位移更为明显，在很大程度上造成了路基不稳定情况。另外，温度场分布变化，会造成冻土融沉压缩形变，季节性冻土地区路基也存在横向形变现象，随着冻深的增加而变大。当温度场保持在恒温情况下，土壤内部水分迁移造成的冻胀率是影响冻土路基形变稳定性的关键性因素。因此应在施工前，对施工区域进行试验分析，充分了解冻土动态变化情况，进一步细化路基填料分类标准，使得路基施工能够更加科学、合理。

2 防范季节性冻土地区路基冻害的措施

2.1改善路基土质

对于路基土质的改善，我们主要采取换填的方式，将路基冻结深度范围内的敏感性土壤替换为不冻胀土。如国道213线采取的换填方式取得了较好的效果。对表层以下的黑土进行清理，换填为一定厚度的砂砾土，换填后砂砾土控制到原始地面标高后，在垫层顶部再加上一层砾石隔离层。另外，还可以将原有翻浆部分进行换填，换填砂砾等透水性材料，同时设置排水沟，及时将土壤内的水分排出去，将水分控制在最佳状态。该方法具有操作简便、适用范围广等特点，能够在很大程度上提高施工质量。

2.2保温措施

保温法在实践应用中，主要采用导热系数较路基结构小的材料，使保温材料内外热量传递更小，以此来降低外部环境对路基结构产生的不良影响。不仅如此，采取这种方式，还能够减小冻深、阻止水分向冻结面迁移，从而避免路基出现冻胀等问题。现阶段，多数保温材料保温效果会受到吸水率的影响，尤其是地下水位上升，地下水长期浸泡，将会使材料自身具有的导热系数有所升高，影响保温效果。对此，在施工中，应结合各个地区实际情况，合理选择保温材料，如新型泡沫塑料保温层，其自身具有自重轻、吸水性差等优势，能够满足对路基的保障。

2.3控制路基水分

在施工过程中，要落实好路基、路面排水工作，针对地面水来说，应采取边沟、截水沟等多种措施，避免其漫流、下渗等问题的出现。现有研究成果中，织物包裹渗沟处理效果较好，较传统换填法能够节省更多施工成本，且抗冻胀效果较为明显。采用排水、隔水等方法，能够实现对路基内部水分特征的改善。很多工程实践证明，结合具体工程采取的排水方法，能够实现对冻土的高效处理，避免冻土对上层路面产生的不良影响，为人们营造安全、和谐的行车环境，从而促使工程综合效益得到充分发挥。

2.4改善路面结构

随着道路工程施工不断发展，越来越多的学者对道路冻害进行了大量研究，并提出了很多方法。因此在选择路面结构层时，设计人员可以立足于当地季节性冻土温度变化趋势等合理选择结构层，如石灰土、煤渣石灰土等，形成更加稳固的路面结构，提高道路施工质量。当前，较为成功的路面结构层普遍采用的是多层结构结合，如橡胶颗粒+粉煤灰土材料，形成的冷阻层，以此来阻隔地表负温下降传递，从根本上避免季节性冻土区道路冻害问题的产生。在具体施工中，路基路面结构的优化可以建立在填筑、填料基础之上。虽然这种方法具有较强的可行性，但是季节性冻土具有复杂性，对于多次冻融循环后的区域效果并不明显[2]。

除了上述措施，对于冻害的防治，还可以采用综合性方式和方法，将排水、填筑等措施有机整合到一起，充分利用各种方式和方法的优势，使得施工更具针对性，形成合力，最终实现对季节性冻土的有效防范。随着我国道路交通工程改革持续深化，我们还需要加大对季节性冻土温度变化趋势的研究力度，充分了解并掌握其变化规律，并在施工前对冻土进行试验，考虑方向因素后，减少施工盲目性，设计出科学的施工方案，为施工实践活动做好充分的准备，从而提高道路交通施工质量及效率。

3 结 论

根据上文所述，季节性冻土作为道路工程施工过程中的重难点，对路面整体稳定性、安全性将会产生深刻的影响。因此在施工中，我们要树立正确施工理念，加大对季节性冻土温度分布及变化的研究，充分掌握温度变化规律，为道路工程设计提供依据，使得道路工程设计更加科学、合理。此外，在施工中，还可以根据实际施工情况，从路面结构优化、控制路基水分等多个层面入手，加强对季节性冻土路基的改善，不断提高路基施工质量，逐步形成完善的道路交通体系，从而促进国民经济持续、健康发展。

[1] 李文坛, 杨有海. 季节冻土区防冻胀护道对保温路基地温特征影响效果研究[J]. 低温建筑技术, 2009(8): 90-91.

[2] 万一农. 换填法抑制季节冻土区铁路路基冻胀效果分析[J]. 电气化铁道, 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

校级课题:季节性冻土地区路基变形研究(A2016021)

李荣华(1986-)，女，山东菏泽人，讲师，研究方向：道路与铁道工程、岩土工程，手机：15991694010，E-mail：76922706@qq.com.

U416.1

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