施工季节对高寒冻土沼泽湿地路基热稳定性的影响*

侯小军 韩良庆 苗 超

(1.四川川交路桥有限责任公司市政分公司 广汉 618300； 2.长安大学公路学院 西安 710064)

青藏高原作为我国诸多江河源头，素有世界最大“水塔”之称。该区域是我国重要的湿地分布区域，其湿地面积为13.3×104km2[1]，多为高寒沼泽、高寒沼泽化草甸和高寒湖泊。省道224线二道沟兵站109岔口至治多段地处青藏高原的腹地，该路线横穿青海玉树州全境，区域内海拔为4 200～5 000 m，沿线部分路段穿越高寒冻土沼泽湿地路段。高寒地区沼泽湿地路段与内地的沼泽地区存在极大的差异，关键在于水草沼泽发育路段一般在多年冻土区域。在该区，一定厚度的草皮、泥炭和丰富的地表水下发育着含冰量较大的多年冻土。沼泽湿地与其下伏冻土构成共生系统，互相依存。冻土上限以下土体处于冻结状态，成为隔水层，起到防渗透作用，有利于湿地的发育；湿地表面的植被和积水减小了太阳辐射对于下伏多年冻土的作用，使得多年冻土处于冻结状态，并且表层一定深度的泥炭层具有保温作用，有效减少地温传导，使得季节融化深度减小，有利于保护多年冻土的存在[2]。

在冻土地区的沼泽湿地区域修建道路，既要考虑沼泽地基承载力的问题，又要考虑冻土问题，势必面临艰巨的挑战。针对冻土沼泽湿地路基，国内处治方法通常是因地制宜，采用某种方法或者多种方法相结合处治。在我国东北冻土沼泽湿地地区，如王旭丹等[3]针对绥满公路大庆至齐齐哈尔段提出基底抽淤换填并采用轻质填料如EPS板来进行处理。霍明等[4]对黑北公路的揭草皮清基和不清基2种方式进行监测，提出不清基对路基的热稳定性更有利。针对青藏高原沼泽区，王顺平[5]、李文涛等[6]提出了高原铁路湿地路基基底处理的基本原则。张会建等[7]对共和至玉树高速公路监测提出宽幅分离式路基热棒-XPS保温板复合路基对于调控路面下2～5 m土层地温，效果明显。王俏[8]分析了高寒道路发生冻胀的主要因素，提出了置换法和隔温法或者二者配合使用。李刚[9]对多年冻土沼泽化路段的排水设计进行了研究，指出挡水埝下布设隔水板，隔水效果更有效。王继伟[10]介绍了热反射涂层技术在保护多年冻土区的应用并指出当前存在的问题。通过以上分析表明，目前对于冻土沼泽区域道路修筑主要集中在地基的处治技术上，而在实际中，施工的时机也是影响冻土沼泽湿地路基稳定的关键。本文以省道224线二道沟兵站109岔口至治多段为依托，针对典型的处治方式，建立有限元模型，分析施工季节对沼泽冻土区路基热稳定性的影响。

1 典型高寒沼泽湿地路段路基处治方式

1.1 典型路段的自然环境特征

1.1.1气候条件

省道224线地处青藏高原中部，位于玉树州中西部，平均海拔4 179.1 m，属典型的高寒气候。气候寒冷干燥，四季不明；降水量少，蒸发量大；干湿季分明，雨热基本同期，光照充足；自然灾害频繁，损失严重。

该区域年平均气温-1.6 ℃，气温最低月份是 1 月，平均气温为-12.9 ℃，最高月份是 7 月，月平均值为8.9 ℃；历年极端最高气温为 25.6 ℃，极端最低气温则达-34.4 ℃。降水主要集中在5月下旬至9月下旬，占全年总降水量的 80%以上，年平均降水量为409.0 mm，年平均蒸发量达1 401.8 mm。

1.1.2地质条件

沿线地表水系发育，河流纵横，区域内主要发育有口前曲及聂恰曲等河流，补给来源为大气降水、泉水。区内影响地下水形成和分布的因素是错综复杂的，但多年冻土层是诸因素中具有控制性的主导因素。沿线地下水的形式主要有冻结层上水、冻结层间水、冻结层下水、松散类裂隙水及基岩裂隙水，地下水的分布规律受地层岩性、地貌、气象等自然条件的制约。

本段项目沿线水文地质条件复杂，地表、地下水发育，修筑道路后，容易引发冰椎、冰丘和涎溜冰病害。路段地表大多为亚黏土、亚砂土等冻胀敏感性土，加之地表地下水丰富，易于产生冻胀、翻浆等病害。路线经过多年冻土、湿地发育段等不良地质条件地段，修筑道路后容易产生融化沉降病害。

1.2 路基的处治方式的提出

当路线经过的沼泽、水草地积水严重或淤泥较深时，修筑路基时不进行清表，直接抛填片块石，分层冲击碾压进行挤淤稳定后，在片块石顶部铺设1.0 m厚砂砾，进行冲击碾压，对于不满足冲击碾压长度的段落进行重型碾压处理，典型路段沼泽湿地路基处治设计图见图1。其中草皮草根相互牵连交织，能隔绝热量，有一定的承载力，起到保护冻土的作用。片块石层起到挤压草皮下的泥炭或潜育层、稳固地基的作用。一定压实度和厚度的砂砾层保证路基稳定，减小多年冻土上限下降。

图1 典型路段沼泽湿地处治设计图

2 高寒沼泽湿地路基有限元模型的建立及计算方案

2.1 模型的建立

结合路基设计资料，高寒沼泽湿地路基有限元模型尺寸设置为路基填高1.5 m，路面结构层厚度0.5 m，宽8.5 m，边坡坡率为1∶1.5。路基下处理原地面回填深度0.8 m，处理的横断面形状为梯形，梯形两侧坡度为1∶1，为了消除尺寸影响，坡脚向外取20 m为模型两侧边界，原地面向下取12 m为模型下边界。高寒沼泽湿地路基有限元模型见图2。

图2 高寒沼泽水草地路基有限元模型

2.2 计算方案

省道224线二道沟兵站109岔口至治多段的气温较低，持续时间长，路基施工工期较短(每年的4月底至11月初，大约半年时间)，因此施工季节选在春、夏、秋、施工，数值模拟考虑春、夏、秋3个季节。不同季节气温不同，导致路基材料的温度也不同，从而影响路基内部的初始温度。所用材料不同，材料的导热系数也不一样。因此，数值模拟的计算要考虑施工季节，路基高度，导热系数，气温，填筑材料的温度。最后通过ANSYS数值模拟软件对建立的路基模型进行计算，得到路基内部的温度场分布状况和路基不同施工季节的填筑在路基运营不同时间后，不同位置、不同深度处的温度情况。

2.3 计算参数及边界条件

考虑到土体的冻结状态、未冻水的含量，以及相变潜热对温度场的影响，各结构层土体的参数取值见表1。λ为热导系数，c为比热容。

表1 土体计算参数取值

原冻土厚度上限为2 m。初始温度条件，夏季填筑路基时路基土及地基处理土温度为18 ℃，春季及秋季填筑路基时路基土及地基处理土的温度为5 ℃，接近地表2 m以内土层温度2 ℃，2 m以下部分的土基取0 ℃。资料显示，当地气温简化为正弦函数为θ=-5.2+12 sin(2πt/365+5π/9)+0.000 23t。

式中：θ为温度，℃；t为时间，d。

3 施工季节对路基热稳定性的影响

多年冻土层的退化是影响路基稳定性的关键，施工填筑对路基内部的温度影响云图见图3。为了研究路基不同施工填筑季节对路基的温度影响，再加上夏季气温最高，多年冻土最不稳定，因此主要分析不同季节施工填筑运营后对天然地面以下路基中心和坡脚处在夏季时的温度随深度的变化以及冻土上限的变化规律。

图3 路基内部温度场图(单位：℃)

3.1 坡脚和路基中心温度随深度的变化

不同施工季节填筑的路基在第5年、第10年夏季，路基坡脚处温度和路基中心处的温度随深度的变化见图4、图5。

图4 不同施工季节路基坡脚处温度随深度的变化

图5 不同施工季节路基中心处温度随深度的变化

由图4和图5可见，温度随深度变化曲线在2.2～2.3 m处发生了拐点，分析原因可知，由于此深度处路基填料向地基过渡，且有草皮草根作为隔热层，导热系数大幅减小，温度变化速度减小，因此较明显地出现拐点。

由图4可以看出，坡脚处的温度随着路基深度的增加而逐渐降低，施工后同一深度处第10年的温度高于第5年；施工后温度为0 ℃位置深度降低，而且第10年的深度低于第5年，表明路基内部的温度随着运营时间的增加呈现上升趋势。分析原因可知，随着施工填筑后时间的增加，黑色沥青路面具有吸热功能，路基土体内部蓄热功能也渐渐递增，同一深度处温度变高，路基内部0 ℃处位置也更低。图4中3个分图温度随深度的变化趋势基本接近，但不同季节施工后经过相同时间同一深度处的温度不一样。如施工填筑5年后，当在春季填筑时，2 m深度处的温度为0.18 ℃，夏季填筑时为0.21 ℃，秋季填筑时为0.07 ℃。这2个分图表明施工季节的不同，路基内部温度的变化也不同。在秋季施工填筑路基时其内部温度最低，夏季最高，春季介于两者之间。

由图5可见，路基中心温度随深度变化趋势与图4基本相同。但是路基中心同一深度处温度要高于坡脚处，分析原因可知，由于铺设路面结构层沥青路面吸热并蓄热，而坡脚处裸露在地表，因此路基中心处的温度明显更高。

由上述分析可知，不同季节填筑路基对路基内部温度场的影响是不一样的，对不同深度处的影响也是不一样的。总体来说夏季填筑时路基内部温度最高，秋季填筑时最低。

3.2 冻土上限深度变化

为了比较冻土上限深度的变化，提取图4、图5温度随深度变化的数据，得到冻土上限深度。不同季节填筑路基不同年限后夏季路基冻土上限深度，见图6。

图6 不同季节填筑后夏季时冻土上限深度

由图6可见，路基相同位置处夏季施工填筑引起的冻土上限下降是秋季施工填筑引起冻土上限下降的1.3～2.5倍。路基中心对应的原地基处冻土上限比坡脚处下降更多，分析原因可知，由于铺设沥青路面吸热，热量直接向下传递，并带有蓄热功能，而坡脚处暴露在地表，热量吸收得快、散热也很快，所以路基中心冻土上限下降较坡脚处明显。

无论是路基中心还是坡脚处，夏季施工填筑路基对路基冻土上限的影响最大，冻土上限下降最大，而秋季填筑路基对路基冻土上限影响最小，冻土上限下降最小，春季填筑路基对冻土上限的影响介于夏季和秋季之间。分析原因可知由于夏季温度高，填筑材料温度高，将热量直接带入路基，导致路基中心或坡脚处冻土上限下降最大。而秋季施工，气温越来越凉快，填筑材料温度也低，进入路基内部的热量很少，所以秋季路基中心或坡脚处冻土上限下降最小。春季开始施工时，气温已经回升，大气热量逐渐进入路基内部，随后进入夏季，所以春季路基中心或坡脚处冻土上限下降介于两者之间。可以看出不同施工季节对路基冻土上限的影响从小到大的排序是秋季、春季、夏季，所以条件允许下，为了减小路基施工填筑对路基稳定性的影响，宜尽量选择在秋季填筑路基。

4 结论

1) 以省道224线二道沟兵站109岔口至治多段为依托，在分析自然环境特征的基础上，提出高寒地区沼泽湿地处治方式，按照保护冻土的原则，保留地表草皮，当沼泽、水草地积水严重或淤泥较深时直接抛填片块石，分层冲击碾压挤淤稳定后，在片块石顶部铺设1.0 m厚砂砾，进行冲击碾压，对于不满足冲击碾压长度的路段进行重型碾压处理。

2) 建立有限元模型，对路基不同施工填筑季节的温度场进行模拟，分析不同施工季节填筑时不同年限后夏季路基中心、坡脚处温度随深度的变化，以及冻土上限的变化。计算结果表明秋季施工对路堤底部的热稳定性影响最小，夏季影响最大。在相同位置处，夏季施工填筑时引起的冻土上限下降是秋季施工填筑引起冻土上限下降的1.3～2.5倍。

3) 高寒高海拔沼泽湿地路段路基施工填筑季节的选择是极其重要的，与路基热稳定性密切相关，宜尽量选择在秋季施工。