大興安嶺多年凍土區(qū)路基熱穩(wěn)定性影響分析

趙振華　張旭楊　李德安　關(guān)宇超　董晨

1 引言

凡溫度等于或低于0℃， 并且含有冰的土均稱為凍土。在自然界，凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)兩年以上的土層稱為多年凍土。影響多年凍土區(qū)路基熱穩(wěn)定性的因素有許多，分析研究不同因素對路基熱穩(wěn)定性的影響，是解決多年凍土地區(qū)路基諸多病害的根本性問題，也對多年凍土地區(qū)的道路設(shè)計理論具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。

2 影響因素的分析

路基熱穩(wěn)定性的影響因素主要有外部的氣候條件、凍土的內(nèi)在因素以及公路的工程特點。

2.1 外部氣候條件

2.1.1氣溫 在諸多氣候要素中，氣溫是很重要的能量指標。氣溫變化將直接影響多年凍土的生存環(huán)境。改變了多年凍土的平面分布與垂直分布，致使多年凍土呈現(xiàn)退化趨勢，嚴重影響路基的熱穩(wěn)定性。

2.1.2太陽輻射 太陽輻射也是影響多年凍土穩(wěn)定性的重要因素，是路基邊界處能量交換的重要方式。由于大興安嶺地區(qū)太陽輻射強烈，多年凍土吸收的輻射能較多，極不穩(wěn)定，致使大興安嶺多年凍土區(qū)的路基熱穩(wěn)定性較差。

2.1.3風(fēng)速和風(fēng)向 高緯度上常年的西北風(fēng)致使路基北側(cè)邊坡在冬季更加容易冷卻，溫度比南側(cè)邊坡低。致使大興安嶺公路路基陰、陽坡熱差異在冬季十分明顯，路基的不均勻變形及路基縱向裂縫等病害也多在冬季發(fā)育。

2.1.4大氣降水 大氣降水經(jīng)邊坡處滲入路基內(nèi)部，使路基原有的含水狀況發(fā)生改變，潮濕路基的熱容量較大，其凍脹量也較大，暖季到來之時亦易產(chǎn)生翻漿，對路基穩(wěn)定性不利。

2.2凍土的內(nèi)在因素

凍土的內(nèi)在因素主要包括：多年凍土的平面分布、多年凍土的天然上限、地下含冰量和含水量以及土質(zhì)類型。不同的影響因素將會產(chǎn)生不同的干擾能力，進一步的影響著多年凍土區(qū)路基的熱穩(wěn)定性。

2.3公路工程特點

2.3.1路基高度 多年凍土地區(qū)的路基高度是影響路基下伏多年凍土層穩(wěn)定性的重要因素。多年凍土路基不僅需要保證最小高度，還需要限制最大高度。因此，為了保證路基的安全，路基高度應(yīng)予以限制在一定范圍以內(nèi)。

2.3.2路線走向 影響路基熱穩(wěn)定性的重要因素就是路線的走向。多年凍土地區(qū)路基與一般地區(qū)路基的一個重要不同之處，就在于其穩(wěn)定性與路線走向密切相關(guān)，即具有坡向性的特點。由于凍土的強度、應(yīng)力和應(yīng)變等特性與溫度有著密切的關(guān)系，故兩側(cè)邊坡溫度的差異易引起不均勻沉降、縱向裂縫等各種路基病害的產(chǎn)生。

2.3.3 路面類型 在公路工程要素中，路面類型也是影響多年凍土地區(qū)路基熱穩(wěn)定狀況的一個重要因素。大興安嶺地區(qū)太陽輻射異常強烈，由于黑色瀝青混凝土路面顯著的輻射吸收效應(yīng)導(dǎo)致路基升溫較快，改變了路基體系原有的熱平衡狀況；另外由于瀝青混凝土面層的密封效應(yīng)使水份無法從路面內(nèi)部蒸發(fā)出來，減小了路基的蒸發(fā)耗熱，極大地改變了路基體系原有的水熱平衡狀態(tài)。目前，由于水泥混凝土路面施工及養(yǎng)生條件要求較高，水泥混凝土路面在多年凍土地區(qū)使用較少。

3 防治措施

采取保溫路基、通風(fēng)管路基、低架旱橋、碎尸護坡、遮陽板護坡等措施來防治多年凍土路基穩(wěn)定性的問題。

3.1保溫路基

保溫路基就是在路基內(nèi)一定位置鋪設(shè)保溫材料。通過阻擋來自路面和坡面的熱流來延緩路基下多年凍土退化速率的一種路基結(jié)構(gòu)形式。延緩多年凍土退化，進而提高路基的穩(wěn)定性。

3.2通風(fēng)管路基

在路基內(nèi)部埋設(shè)通風(fēng)管，將增大空氣與路基的熱交換面積。在風(fēng)的作用下，促進了路基內(nèi)部熱量的釋放，有利于冷卻路基，降低路基下多年凍土的溫度，提升凍土的上限。

3.3低架旱橋

自身的點式樁承結(jié)構(gòu)對凍土的擾動小，受凍土的影響也小?？梢詮氐赘淖児仿坊鶎鐾谅坊囊蕾囆?。避免凍土給公路路基帶來的不利影響。同時橋面和梁底的遮陽作用也降低了下伏多年凍土的溫度，很大程度上保護了公路下面的多年凍土。

3.4碎石護坡

在原有路基兩側(cè)鋪設(shè)碎石和片石，由于拋碎石的孔隙較大，空氣可在孔隙中流動。當暖季路基表面受熱時，不會產(chǎn)生自然對流。當冷季路基表面降溫時，也不會改變路基原有的溫度，并且還大大降低了原有路基的溫度，有利于保護路基下的多年凍土，進而提升了公路路基的穩(wěn)定性。

3.5遮陽板護坡

遮陽板護坡既能遮蔽太陽對路面的和路基邊坡的輻射。又能有效的防治夏季降水深入路面和冬季降雪覆蓋路面。并且能夠保證路基的整個橫斷面利用年平均氣溫為負的進行自然和均勻地通風(fēng)。

4 結(jié)語

由于多年凍土地區(qū)自然地理環(huán)境的特殊性，多年凍土地區(qū)路基熱穩(wěn)定性的影響因素是復(fù)雜多樣的?？偟恼f來，影響因素可分3類：外部氣候條件、凍土內(nèi)在因素及公路工程特點。外部氣候條件是影響路基熱穩(wěn)定性的誘因與動力。凍土內(nèi)在因素是影響路基熱穩(wěn)定性的根本機制。公路工程特性是路基熱穩(wěn)定性的3大影響因素中唯一可以通過人工調(diào)節(jié)而實現(xiàn)的。多年凍土地區(qū)修筑公路的設(shè)計思路就是結(jié)合當?shù)氐耐獠繗夂驐l件，考慮多年凍土的內(nèi)在因素，設(shè)計出能夠保持路基熱穩(wěn)定的公路。

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基金項目：黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201611802033）

作者簡介：趙振華（1995），男，黑龍江林口人，學(xué)士，研究方向：道路工程，E-mail： 942562046@qq.com