漠北公路多年凍土路基地溫監(jiān)測及其影響研究

周衛(wèi)濱 符進(jìn) 張會建

摘 要：漠北公路是世界上第一條在高緯度高寒地區(qū)修建的高速公路。通過對漠北公路多年凍土區(qū)典型斷面路基溫度場的觀測研究，分析寬幅路基的修筑對路基穩(wěn)定性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，該斷面路基的主要變形應(yīng)發(fā)生在路基體下5-8m處。研究成果對高緯度多年凍土區(qū)高等級公路的發(fā)展等具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：漠北公路；多年凍土；路基溫度場；監(jiān)測及分析

引言

漠北公路作為世界上第一條在高緯度高寒地區(qū)修建的高速公路，全線多年凍土路段總長達(dá)到16.95km，約占全線的21%。沿線多年凍土以多冰凍土、富冰凍土和飽冰凍土為主，凍土分布及含冰量狀況較為復(fù)雜。針對東北高緯多年凍土的現(xiàn)狀及其對氣候變化和工程活動相疊加作用下的響應(yīng)，依托漠北公路工程開展東北高緯度凍土路基地溫及變形監(jiān)測，并分析路基溫度場變化對路基穩(wěn)定性的影響，可以了解高緯度多年凍土區(qū)、寬幅路基條件下，凍土路基溫度場的分布規(guī)律，進(jìn)而分析寬幅路基的修筑對路基穩(wěn)定性的影響[1-3]。本研究成果不僅可為以后東北高緯度多年凍土區(qū)修筑更多的高等級公路提供技術(shù)支撐和事實依據(jù)，同時對東北高緯度多年凍土區(qū)高等級公路路基路面病害的防治，以及東北高等級公路的發(fā)展等具有重要的意義。

1 試驗斷面的選擇

通過對漠北公路沿線多年凍土路段調(diào)查，針對路基熱融下沉問題，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)先進(jìn)技術(shù)，并根據(jù)沿線凍土條件、路基設(shè)計和施工方案及舊路病害狀況，選擇具有代表性的K6+200試驗斷面，從而對漠北公路多年凍土路基的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析。K6+200監(jiān)測斷面，處于低洼地地段，地勢平坦。路基兩側(cè)植被發(fā)育良好，矮灌木茂密，無大型針葉、闊葉樹木，路基兩側(cè)有少量積水。凍土類型為富冰多年凍土，屬于Ⅲ級融沉凍土。該段凍土上限約1.5～2.3m，下限為6.5～7.2m。新修路面為一級公路，路面加寬，設(shè)計方案為填筑50cm土方后，鋪設(shè)兩層鋼塑復(fù)合土工格柵，雙側(cè)設(shè)置護(hù)坡道，填土路基高度約5m，屬于高路基。

2 地溫監(jiān)測斷面布設(shè)情況

圖1為K6+200地溫監(jiān)測斷面測點布設(shè)圖，分路中、左路肩、右路肩、左行車道路中、右行車道路中、左坡腳、右坡腳、天然孔，共8個地溫測量孔。其中，路中、路肩孔13m深，前5m每米1個測溫探頭，5m以下每0.5m一個測溫探頭；坡腳孔、天然孔8m深，每0.5m一個測溫探頭。地溫數(shù)據(jù)采用自動數(shù)采儀數(shù)據(jù)自動采集，采集頻率為每天一次。

圖1 K6+200地溫監(jiān)測斷面測點布設(shè)示意圖

3 溫度場分析（如圖2所示）

（a）2010年10月 （b）2010年12月

（c）2011年3月 （d）2011年6月

（e）2011年10月 （f）2012年3月

圖2 K6+200路基橫斷面隨時間變化的溫深曲線圖

圖2為K6+200路基橫斷面在不同時間的溫深變化曲線圖，從圖2（a）中可以看出，2010年10月該路基下的人為上限大約在9-11m的范圍內(nèi)，且呈現(xiàn)出兩端高，中間低的凹型分布，該形態(tài)為多年凍土區(qū)高路基典型病害-融化夾層；從圖中可以看出，在2010年10月至2011年10月一年的時間里，隨著冷暖季節(jié)不斷的交替，路基上部土體的季節(jié)活動層與下部的凍土上限之間形成了一個厚達(dá)7-9m的融化夾層；對比2（a）、（e）兩圖，可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一年的時間，路基下的多年凍土人為上限從9-11m退化到10-12m，且路基中間部分退化趨勢更為明顯；對比2（c）、（f）兩圖，可以發(fā)現(xiàn)，3月份季節(jié)活動層的下限從2011年的4-5m下降到2012年的5-6.5m，而多年凍土人為上限也從10-12m退化到12m以下。左路肩的0℃鋒面變化不大，但路中及右路肩的0℃鋒面出現(xiàn)了大幅的下移，這是因為冬季路中及右路肩帶入的冷量不能及時冷卻夏季路基體內(nèi)的熱量，剩余的熱量不斷的向下層凍土擴(kuò)散，造成底層凍土的融化。從圖2（d）中可以發(fā)現(xiàn)，在暖季該斷面右路肩0℃鋒面產(chǎn)生了明顯的大福上移，這就是夏季太陽輻射對路基下溫度場的直接影響。但到了2011年10月（圖2（e）），該斷面右側(cè)路基的人為上限只比2010年10月的人為上限下移了0.5m左右，說明該斷面太陽輻射并不是影響路基溫度場的主要因素。漠北公路于2009年5月開工建設(shè)，第一次地溫測試時間為2010年10月，而此時的多年凍土上限已由原來的3m左右下移到到9-11m，扣除5m填土路基高度，多年凍土上限下移深度為1-3m。2011年10月時，多年凍土上限深度為10-12m，且路中下移幅度要大于兩側(cè)路基。路基下多年凍土上限在路基修筑過程中就大幅的下移，說明該地區(qū)的多年凍土極不穩(wěn)定。多年凍土天然上限與下移后的人為上限間形成了一個含水量極為豐富的軟弱層，在路基荷載的作用下，該軟弱層會發(fā)生較為嚴(yán)重的變形，并影響到路基整體的變形。

4 結(jié)束語

（1）漠北公路一年當(dāng)中只在夏季有大量的太陽輻射，而在一年的其他時間，氣溫較低、太陽輻射時間短。而且公路走向大致為南北走向，路基左右側(cè)所受的太陽輻射量差別不是很大，公路所受陰陽坡效應(yīng)不是很明顯。（2）路基下多年凍土上限在路基修筑過程中就大幅的下移，說明該地區(qū)的多年凍土極不穩(wěn)定，多年凍土天然上限與下移后的人為上限間形成了一個含水量極為豐富的融化夾層，在路基荷載的作用下，該軟弱層會發(fā)生較為嚴(yán)重的變形，并影響到路基整體的變形。該段路基的主要變形應(yīng)發(fā)生在路基體下5-8m處及各部位的上限附近。（3）在路基橫斷面方向上，左側(cè)路基位于迎風(fēng)面，冷季可以帶入更多的冷量，多年凍土人為上限基本能保持平衡。但路基右側(cè)及路中，由于得不到足夠的冷量來平衡暖季吸收的熱量，凍土上限處于一種持續(xù)退化的狀態(tài)，因此形成了較為明顯的軟弱層，有可能形成較大的變形，從而產(chǎn)生縱向裂縫、邊坡滑塌等病害。

參考文獻(xiàn)

[1]孫志忠，馬巍，溫智，等.青藏鐵路多年凍土區(qū)普通路基地溫監(jiān)測及其預(yù)測分析[J].鐵道學(xué)報，2010（3）：71-76.

[2]符進(jìn)，李俊，唐曉星.高緯度多年凍土區(qū)路基溫度場規(guī)律研究[J].中外公路，2014，2：46-51.

[3]符進(jìn)，陳建兵，章金釗.東北島狀多年凍土區(qū)公路路基清基試驗研究[A].

*通訊作者：符進(jìn)，男，高級工程師。