施工季節(jié)對高寒凍土沼澤濕地路基熱穩(wěn)定性的影響*

侯小軍 韓良慶 苗 超

(1.四川川交路橋有限責(zé)任公司市政分公司 廣漢 618300； 2.長安大學(xué)公路學(xué)院 西安 710064)

青藏高原作為我國諸多江河源頭，素有世界最大“水塔”之稱。該區(qū)域是我國重要的濕地分布區(qū)域，其濕地面積為13.3×104km2[1]，多為高寒沼澤、高寒沼澤化草甸和高寒湖泊。省道224線二道溝兵站109岔口至治多段地處青藏高原的腹地，該路線橫穿青海玉樹州全境，區(qū)域內(nèi)海拔為4 200～5 000 m，沿線部分路段穿越高寒凍土沼澤濕地路段。高寒地區(qū)沼澤濕地路段與內(nèi)地的沼澤地區(qū)存在極大的差異，關(guān)鍵在于水草沼澤發(fā)育路段一般在多年凍土區(qū)域。在該區(qū)，一定厚度的草皮、泥炭和豐富的地表水下發(fā)育著含冰量較大的多年凍土。沼澤濕地與其下伏凍土構(gòu)成共生系統(tǒng)，互相依存。凍土上限以下土體處于凍結(jié)狀態(tài)，成為隔水層，起到防滲透作用，有利于濕地的發(fā)育；濕地表面的植被和積水減小了太陽輻射對于下伏多年凍土的作用，使得多年凍土處于凍結(jié)狀態(tài)，并且表層一定深度的泥炭層具有保溫作用，有效減少地溫傳導(dǎo)，使得季節(jié)融化深度減小，有利于保護(hù)多年凍土的存在[2]。

在凍土地區(qū)的沼澤濕地區(qū)域修建道路，既要考慮沼澤地基承載力的問題，又要考慮凍土問題，勢必面臨艱巨的挑戰(zhàn)。針對凍土沼澤濕地路基，國內(nèi)處治方法通常是因地制宜，采用某種方法或者多種方法相結(jié)合處治。在我國東北凍土沼澤濕地地區(qū)，如王旭丹等[3]針對綏滿公路大慶至齊齊哈爾段提出基底抽淤換填并采用輕質(zhì)填料如EPS板來進(jìn)行處理?；裘鞯萚4]對黑北公路的揭草皮清基和不清基2種方式進(jìn)行監(jiān)測，提出不清基對路基的熱穩(wěn)定性更有利。針對青藏高原沼澤區(qū)，王順平[5]、李文濤等[6]提出了高原鐵路濕地路基基底處理的基本原則。張會建等[7]對共和至玉樹高速公路監(jiān)測提出寬幅分離式路基熱棒-XPS保溫板復(fù)合路基對于調(diào)控路面下2～5 m土層地溫，效果明顯。王俏[8]分析了高寒道路發(fā)生凍脹的主要因素，提出了置換法和隔溫法或者二者配合使用。李剛[9]對多年凍土沼澤化路段的排水設(shè)計進(jìn)行了研究，指出擋水埝下布設(shè)隔水板，隔水效果更有效。王繼偉[10]介紹了熱反射涂層技術(shù)在保護(hù)多年凍土區(qū)的應(yīng)用并指出當(dāng)前存在的問題。通過以上分析表明，目前對于凍土沼澤區(qū)域道路修筑主要集中在地基的處治技術(shù)上，而在實際中，施工的時機(jī)也是影響凍土沼澤濕地路基穩(wěn)定的關(guān)鍵。本文以省道224線二道溝兵站109岔口至治多段為依托，針對典型的處治方式，建立有限元模型，分析施工季節(jié)對沼澤凍土區(qū)路基熱穩(wěn)定性的影響。

1 典型高寒沼澤濕地路段路基處治方式

1.1 典型路段的自然環(huán)境特征

1.1.1氣候條件

省道224線地處青藏高原中部，位于玉樹州中西部，平均海拔4 179.1 m，屬典型的高寒氣候。氣候寒冷干燥，四季不明；降水量少，蒸發(fā)量大；干濕季分明，雨熱基本同期，光照充足；自然災(zāi)害頻繁，損失嚴(yán)重。

該區(qū)域年平均氣溫-1.6 ℃，氣溫最低月份是 1 月，平均氣溫為-12.9 ℃，最高月份是 7 月，月平均值為8.9 ℃；歷年極端最高氣溫為 25.6 ℃，極端最低氣溫則達(dá)-34.4 ℃。降水主要集中在5月下旬至9月下旬，占全年總降水量的 80%以上，年平均降水量為409.0 mm，年平均蒸發(fā)量達(dá)1 401.8 mm。

1.1.2地質(zhì)條件

沿線地表水系發(fā)育，河流縱橫，區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育有口前曲及聶恰曲等河流，補(bǔ)給來源為大氣降水、泉水。區(qū)內(nèi)影響地下水形成和分布的因素是錯綜復(fù)雜的，但多年凍土層是諸因素中具有控制性的主導(dǎo)因素。沿線地下水的形式主要有凍結(jié)層上水、凍結(jié)層間水、凍結(jié)層下水、松散類裂隙水及基巖裂隙水，地下水的分布規(guī)律受地層巖性、地貌、氣象等自然條件的制約。

本段項目沿線水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地表、地下水發(fā)育，修筑道路后，容易引發(fā)冰椎、冰丘和涎溜冰病害。路段地表大多為亞黏土、亞砂土等凍脹敏感性土，加之地表地下水豐富，易于產(chǎn)生凍脹、翻漿等病害。路線經(jīng)過多年凍土、濕地發(fā)育段等不良地質(zhì)條件地段，修筑道路后容易產(chǎn)生融化沉降病害。

1.2 路基的處治方式的提出

當(dāng)路線經(jīng)過的沼澤、水草地積水嚴(yán)重或淤泥較深時，修筑路基時不進(jìn)行清表，直接拋填片塊石，分層沖擊碾壓進(jìn)行擠淤穩(wěn)定后，在片塊石頂部鋪設(shè)1.0 m厚砂礫，進(jìn)行沖擊碾壓，對于不滿足沖擊碾壓長度的段落進(jìn)行重型碾壓處理，典型路段沼澤濕地路基處治設(shè)計圖見圖1。其中草皮草根相互牽連交織，能隔絕熱量，有一定的承載力，起到保護(hù)凍土的作用。片塊石層起到擠壓草皮下的泥炭或潛育層、穩(wěn)固地基的作用。一定壓實度和厚度的砂礫層保證路基穩(wěn)定，減小多年凍土上限下降。

圖1 典型路段沼澤濕地處治設(shè)計圖

2 高寒沼澤濕地路基有限元模型的建立及計算方案

2.1 模型的建立

結(jié)合路基設(shè)計資料，高寒沼澤濕地路基有限元模型尺寸設(shè)置為路基填高1.5 m，路面結(jié)構(gòu)層厚度0.5 m，寬8.5 m，邊坡坡率為1∶1.5。路基下處理原地面回填深度0.8 m，處理的橫斷面形狀為梯形，梯形兩側(cè)坡度為1∶1，為了消除尺寸影響，坡腳向外取20 m為模型兩側(cè)邊界，原地面向下取12 m為模型下邊界。高寒沼澤濕地路基有限元模型見圖2。

圖2 高寒沼澤水草地路基有限元模型

2.2 計算方案

省道224線二道溝兵站109岔口至治多段的氣溫較低，持續(xù)時間長，路基施工工期較短(每年的4月底至11月初，大約半年時間)，因此施工季節(jié)選在春、夏、秋、施工，數(shù)值模擬考慮春、夏、秋3個季節(jié)。不同季節(jié)氣溫不同，導(dǎo)致路基材料的溫度也不同，從而影響路基內(nèi)部的初始溫度。所用材料不同，材料的導(dǎo)熱系數(shù)也不一樣。因此，數(shù)值模擬的計算要考慮施工季節(jié)，路基高度，導(dǎo)熱系數(shù)，氣溫，填筑材料的溫度。最后通過ANSYS數(shù)值模擬軟件對建立的路基模型進(jìn)行計算，得到路基內(nèi)部的溫度場分布狀況和路基不同施工季節(jié)的填筑在路基運(yùn)營不同時間后，不同位置、不同深度處的溫度情況。

2.3 計算參數(shù)及邊界條件

考慮到土體的凍結(jié)狀態(tài)、未凍水的含量，以及相變潛熱對溫度場的影響，各結(jié)構(gòu)層土體的參數(shù)取值見表1。λ為熱導(dǎo)系數(shù)，c為比熱容。

表1 土體計算參數(shù)取值

原凍土厚度上限為2 m。初始溫度條件，夏季填筑路基時路基土及地基處理土溫度為18 ℃，春季及秋季填筑路基時路基土及地基處理土的溫度為5 ℃，接近地表2 m以內(nèi)土層溫度2 ℃，2 m以下部分的土基取0 ℃。資料顯示，當(dāng)?shù)貧鉁睾喕癁檎液瘮?shù)為θ=-5.2+12 sin(2πt/365+5π/9)+0.000 23t。

式中：θ為溫度，℃；t為時間，d。

3 施工季節(jié)對路基熱穩(wěn)定性的影響

多年凍土層的退化是影響路基穩(wěn)定性的關(guān)鍵，施工填筑對路基內(nèi)部的溫度影響云圖見圖3。為了研究路基不同施工填筑季節(jié)對路基的溫度影響，再加上夏季氣溫最高，多年凍土最不穩(wěn)定，因此主要分析不同季節(jié)施工填筑運(yùn)營后對天然地面以下路基中心和坡腳處在夏季時的溫度隨深度的變化以及凍土上限的變化規(guī)律。

圖3 路基內(nèi)部溫度場圖(單位：℃)

3.1 坡腳和路基中心溫度隨深度的變化

不同施工季節(jié)填筑的路基在第5年、第10年夏季，路基坡腳處溫度和路基中心處的溫度隨深度的變化見圖4、圖5。

圖4 不同施工季節(jié)路基坡腳處溫度隨深度的變化

圖5 不同施工季節(jié)路基中心處溫度隨深度的變化

由圖4和圖5可見，溫度隨深度變化曲線在2.2～2.3 m處發(fā)生了拐點(diǎn)，分析原因可知，由于此深度處路基填料向地基過渡，且有草皮草根作為隔熱層，導(dǎo)熱系數(shù)大幅減小，溫度變化速度減小，因此較明顯地出現(xiàn)拐點(diǎn)。

由圖4可以看出，坡腳處的溫度隨著路基深度的增加而逐漸降低，施工后同一深度處第10年的溫度高于第5年；施工后溫度為0 ℃位置深度降低，而且第10年的深度低于第5年，表明路基內(nèi)部的溫度隨著運(yùn)營時間的增加呈現(xiàn)上升趨勢。分析原因可知，隨著施工填筑后時間的增加，黑色瀝青路面具有吸熱功能，路基土體內(nèi)部蓄熱功能也漸漸遞增，同一深度處溫度變高，路基內(nèi)部0 ℃處位置也更低。圖4中3個分圖溫度隨深度的變化趨勢基本接近，但不同季節(jié)施工后經(jīng)過相同時間同一深度處的溫度不一樣。如施工填筑5年后，當(dāng)在春季填筑時，2 m深度處的溫度為0.18 ℃，夏季填筑時為0.21 ℃，秋季填筑時為0.07 ℃。這2個分圖表明施工季節(jié)的不同，路基內(nèi)部溫度的變化也不同。在秋季施工填筑路基時其內(nèi)部溫度最低，夏季最高，春季介于兩者之間。

由圖5可見，路基中心溫度隨深度變化趨勢與圖4基本相同。但是路基中心同一深度處溫度要高于坡腳處，分析原因可知，由于鋪設(shè)路面結(jié)構(gòu)層瀝青路面吸熱并蓄熱，而坡腳處裸露在地表，因此路基中心處的溫度明顯更高。

由上述分析可知，不同季節(jié)填筑路基對路基內(nèi)部溫度場的影響是不一樣的，對不同深度處的影響也是不一樣的?？傮w來說夏季填筑時路基內(nèi)部溫度最高，秋季填筑時最低。

3.2 凍土上限深度變化

為了比較凍土上限深度的變化，提取圖4、圖5溫度隨深度變化的數(shù)據(jù)，得到凍土上限深度。不同季節(jié)填筑路基不同年限后夏季路基凍土上限深度，見圖6。

圖6 不同季節(jié)填筑后夏季時凍土上限深度

由圖6可見，路基相同位置處夏季施工填筑引起的凍土上限下降是秋季施工填筑引起凍土上限下降的1.3～2.5倍。路基中心對應(yīng)的原地基處凍土上限比坡腳處下降更多，分析原因可知，由于鋪設(shè)瀝青路面吸熱，熱量直接向下傳遞，并帶有蓄熱功能，而坡腳處暴露在地表，熱量吸收得快、散熱也很快，所以路基中心凍土上限下降較坡腳處明顯。

無論是路基中心還是坡腳處，夏季施工填筑路基對路基凍土上限的影響最大，凍土上限下降最大，而秋季填筑路基對路基凍土上限影響最小，凍土上限下降最小，春季填筑路基對凍土上限的影響介于夏季和秋季之間。分析原因可知由于夏季溫度高，填筑材料溫度高，將熱量直接帶入路基，導(dǎo)致路基中心或坡腳處凍土上限下降最大。而秋季施工，氣溫越來越?jīng)隹?，填筑材料溫度也低，進(jìn)入路基內(nèi)部的熱量很少，所以秋季路基中心或坡腳處凍土上限下降最小。春季開始施工時，氣溫已經(jīng)回升，大氣熱量逐漸進(jìn)入路基內(nèi)部，隨后進(jìn)入夏季，所以春季路基中心或坡腳處凍土上限下降介于兩者之間。可以看出不同施工季節(jié)對路基凍土上限的影響從小到大的排序是秋季、春季、夏季，所以條件允許下，為了減小路基施工填筑對路基穩(wěn)定性的影響，宜盡量選擇在秋季填筑路基。

4 結(jié)論

1) 以省道224線二道溝兵站109岔口至治多段為依托，在分析自然環(huán)境特征的基礎(chǔ)上，提出高寒地區(qū)沼澤濕地處治方式，按照保護(hù)凍土的原則，保留地表草皮，當(dāng)沼澤、水草地積水嚴(yán)重或淤泥較深時直接拋填片塊石，分層沖擊碾壓擠淤穩(wěn)定后，在片塊石頂部鋪設(shè)1.0 m厚砂礫，進(jìn)行沖擊碾壓，對于不滿足沖擊碾壓長度的路段進(jìn)行重型碾壓處理。

2) 建立有限元模型，對路基不同施工填筑季節(jié)的溫度場進(jìn)行模擬，分析不同施工季節(jié)填筑時不同年限后夏季路基中心、坡腳處溫度隨深度的變化，以及凍土上限的變化。計算結(jié)果表明秋季施工對路堤底部的熱穩(wěn)定性影響最小，夏季影響最大。在相同位置處，夏季施工填筑時引起的凍土上限下降是秋季施工填筑引起凍土上限下降的1.3～2.5倍。

3) 高寒高海拔沼澤濕地路段路基施工填筑季節(jié)的選擇是極其重要的，與路基熱穩(wěn)定性密切相關(guān)，宜盡量選擇在秋季施工。