高纬高寒地区岛状冻土路基地温场的试验研究

常继峰，李威，贾贞

(1 哈尔滨学院土木建筑工程学院,黑龙江 哈尔滨 150086；2 黑龙江省地下工程技术重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150086)

随着多年季节性更替，高纬度岛状冻土区宽基高等级公路多年冻土的退化程度将逐渐加重，由此产生的融沉、翻浆及冻胀开裂等路基病害也更严重，如何降低大气温度变化对路基内部热平衡环境的影响，是该类公路工程的主要研究方向之一[1]。为了准确掌握岛状冻土路基的地温特征及变化规律，需首先对其地温环境的主要影响因素进行研究和优化，对此学者们做了大量的科研工作，本文将这些科研工作归纳为以下二个方面：一是国内对于冻土路基地温规律的研究主要集中于青藏高原等西部高海拔地区[2-5]。该地区由于冻土体量大且较为连续，地表又多为天然基岩，路基散热较好，热敏感程度相对较低，地温特征较为共性，但以大小兴安岭为代表的高纬高寒地区多年冻土与其差别较大，大小兴安岭地区的地表以黏性土为主，散热较差，路基下部多为高温冻土，热敏感程度较高，冻土连续性差，多呈岛状分布，且体量不同，因此，其不同路基断面的地温分布差异较大。二是大多采用理论计算、数值模拟等方法对某一特征时间或特定时段内的路基地温环境进行分析研究[6-9]。由于这些研究的假设条件多，且不能全面反映各影响因素间的耦合作用，常常导致计算结果误差较大，因此，为了能够准确掌握岛状冻土路基地温场的非线性变化规律，还应根据季节性气温变化，对路基内不同位置的土体实际温度进行周期性试验观测。

为了揭示岛状冻土路基地温场的周期性规律特征及主要影响因素的作用效果，给高纬高寒地区岛状冻土公路工程的设计提供科学依据，本文以高纬高寒地区前嫩公路为研究对象，对不同路基断面地温环境进行了试验观测及对比分析。

1 试验部分

1.1 试验材料

前嫩公路是一条高纬高寒地区的新建高速公路，公路全长163.42 km，路线范围内冻土种类齐全，以高含冰量的富冰及饱冰多年冻土为主要类型，冻土埋深0.47～25.12 m，土层厚度3.25～21.71 m，冻土温度-0.1～-1.7 ℃[10]，综合考虑路基融沉性质、路基填高及冻土上限处的土体情况等影响因素，在试验路段内共设置8个代表性试验观测断面，各断面的基本情况见表1。

表1 各试验断面概况

1.2 测点布置

由于道路中线处为沥青路面，吸热、封水效果较好，边界条件相对稳定，地温规律特征明显，变异性较小[11]，能够较客观地反映出路基内部各土层之间的热交换过程，因此为了准确掌握各试验断面的地温变化规律，选取道路中线处各土层的地温作为试验观测对象，同时由于路基填土层与基底下伏土层的性质存在着较大差异，故将地温试验测点分别布置于路基填土层、活动层的中央处及冻土上限处。测点布置如图1所示。

图1 地温测点布置示意图

1.3 数据采集

在工后一个年周期内每月月末采用综合测试仪(JMZX-7000型)，通过地温探头采集各试验断面不同土层的地温数据。JMZX-7000型综合测试仪测温范围-20～110 ℃，精度±1 ℃，能够满足试验要求[12]；地温探头则通过粘结、绑扎等方式固定在导管的相应测点位置上，公路施工期间，分别在各试验断面的中线处钻孔埋设导管，试验设备安装及地温数据采集如图2所示。

图2 试验观测

2 地温特征分析

2.1 大气温度

影响岛状冻土路基地温场的外部环境主要是大气温度的变化[13]，通过现场实测，试验路段年周期内每月的平均气温如图3所示。

图3 试验路段大气温度变化曲线

2.2 特征分析

各试验断面年周期内中线处各土层的地温变化曲线如图4和5所示。

由图4和5可以看出，各试验断面的地温变化规律较为相似，主要有以下2个特征：

图4 试验断面(富冰冻土)地温变化曲线

(1)结合大气温度变化，各试验断面年周期内地温场具有明显的阶段性变化特点：1—4月，各土层的初始温度虽有所不同，但受大气温度影响，各土层温度很快降到0 ℃以下，并持续降低，该期间路基处于持续冻结状态；5—9月，随着大气温度升至0 ℃以上，路基各土层温度随之逐渐升高，并最终转为正温状态；10—12月，路基地温场随大气温度开始逐步降温，并在期间末尾，各试验断面冻土上限处的温度再次降到0 ℃以下，此时年周期内的冻融过程结束。

(2)由于冻土上限和活动层的埋深相对较大，土层温度主要受外部气温环境在路基内长期累积热效应的影响，而填土层则由于埋深较浅，受外部大气环境短期热效应作用明显[14]，因此导致同一断面内，冻土上限与活动层的温度变化范围相对较小，且较为接近，而填土层的温度变化范围则明显偏大，冻土上限及活动层的升、降温拐点也较填土层有所延迟，延迟时间约15～30 d；另外，由于各试验断面内冻土上限的埋深位置及含冰量的差异，造成年周期内各试验断面同一土层间的温度变化范围也存在着较大差异。

图5 试验断面(饱冰冻土)地温变化曲线

3 影响因素分析

3.1 冻土上限覆土厚度

为了减小其他影响因素的干扰，准确分析冻土上限覆土厚度对路基地温环境的影响，在各试验断面中选取冻土上限土质类别相同、含冰量接近而覆土厚度不同的断面进行分类比较,结果见图6。由图6可以看出，覆土厚度对路基各土层地温的主要作用特点如下:

图6 覆土厚度对路基各土层地温影响对比

(1)填土层。随着冻土上限覆土厚度的增加，可有效减弱外部环境与路基地温场的热交换，路基填土层对外部气温环境的敏感程度明显降低，年周期内地温波动范围有所减小，地温环境发生改变的时间也相应延迟，因此适当抬高路基有利于提高冻土路基浅部土层的热稳定性。

(2)活动层。冻土上限覆土厚度对活动层地温环境的影响与填土层相似，但当覆土厚度过大(>6 m)时，由于路基内部储存的热量难以及时耗散，因此导致试验断面K10+600、K59+100及K59+217年周期内活动层正温状态持续时间较长，由此验证了当路基填高超过临界高度时[15]，由于冻结深度达不到热量集中的位置，极易在活动层与冻土上限交界处形成高温含水夹层，从而对路基的稳定性产生较大影响。

(3)冻土上限。当冻土上限处于冻结状态时，各试验断面冻土上限处的地温波动较为接近，覆土厚度对地温环境影响相对较小；但当冻土上限发生退融时，路基内的累积热抗阻随覆土厚度的增加而增大，冻土上限所吸收的热量随之减少，因此地温值相对偏低，地温波动范围也明显减小；当覆土厚度超过7 m时，冻土上限年周期内始终处于负温状态。

3.2 冻土上限含冰量

冻土上限含冰量的多少决定了路基内冰—水相变过程的热消耗量[16]。为了准确分析冻土上限含冰量对路基地温环境的影响，分别将冻土上限覆土厚度相近，含冰量差异较大的富冰冻土路基与饱冰冻土路基试验断面进行分类对比，结果见图7至9。

(1)填土层。

由图7可以看出：当冻土上限覆土厚度≤7 m时，随着冻土上限含冰量的增加，外部气温环境对路基填土层地温环境的影响有所减弱，填土层地温波动范围随冻土上限含冰量的增加而逐渐减小；当冻土上限含冰量存在一定差异时，在外部大气环境短期热效应作用下，填土层的地温波动范围较覆土厚度不同时的相对偏小；结合冻土上限覆土厚度对填土层地温环境的影响可知，此时含冰量对岛状冻土路基填土层地温场的影响较覆土厚度偏弱，但当覆土厚度较大(≥7 m)时，在含冰量和覆土厚度共同作用影响下，路基填土层的地温波动仍较为显著。

图7 含冰量对填土层地温影响对比

(2)活动层。

由图8可以看出：路基活动层的地温波动范围随冻土上限含冰量的增加而增加。这主要是由于当冻土上限覆土厚度较大时(>5 m)，活动层受外部气温环境影响较小，但由于与冻土上限相邻，因此冻土上限含冰量对活动层地温环境的影响明显强于外部气温环境因素；而当冻土上限覆土厚度较小(<5 m)时，冻土上限较活动层更易受到外部气温环境的作用而发生相变，此时随着冻土上限含冰量的增加，其相变过程所释放出的能量也随之增加，从而对活动层的地温环境产生较大影响。

图8 含冰量对活动层地温影响对比

(3)冻土上限处。

由图9可以看出：当冻土上限埋置较浅时，其地温波动特征与路基活动层类似，地温波动范围随冻土上限含冰量的增加而增加。当冻土上限埋置较深时，在退融状态下，冻土上限相变所消耗的热量随含冰量的增加而增加，因此高含冰量冻土上限处的地温相对偏低；而在冻结状态下，由于持续的吸水凝结释放出较多的热量，从而导致高含冰量冻土上限处的地温也相对较高，但当冻土上限埋深超过7 m时，其地温场一直低于0 ℃(冻结状态)，地温波动范围显著减小，此时含冰量越大，冻土上限处的地温越低。

图9 含冰量对冻土上限处地温影响对比

4 结论

本文以前嫩公路岛状冻土段为研究对象，通过对路基地温场的试验观测，研究了高纬高寒地区岛状冻土路基地温变化的规律特征及主要影响因素的作用效果，根据研究结果得出以下结论：

(1)在季节性气温环境影响下，岛状冻土路基年周期内的地温变化过程具有明显的阶段性特点，依据其变化规律可划分为“冻结-恢复-融化”三个阶段。

(2)同一试验断面内，路基填土层的地温波动区间较其他土层明显偏大，其升、降温拐点也较其他土层有所提前，而活动层与冻土上限的地温值则相对较为接近；不同试验断面间由于冻土上限覆土厚度及含冰量的差异，相同土层年周期内的地温波动区间也存在着较大差异。

(3)随冻土上限覆土厚度的增加，路基各土层对外部气温环境的热敏感程度逐渐减弱，但当覆土厚度超过临界高度时，易在活动层与冻土上限间形成高温含水夹层，从而对路基的承载能力及热稳定性产生较大影响。

(4)路基填土层的地温波动区间随冻土上限含冰量的增加而减小，当冻土上限覆土厚度≤7 m时，含冰量对填土层地温环境的影响弱于覆土厚度；路基活动层及埋深较浅的冻土上限，其地温波动区间则随冻土上限含冰量的增加而增加；当冻土上限埋深≥5 m时，在退融状态下，冻土上限处地温随含冰量的增加而降低，在冻结状态下则与之相反。