共和-玉樹高速公路多格茸段凍脹丘與公路路基的相互影響

吳吉春， 盛 煜

（中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

多年凍土作為一類特殊巖土體，在寒區(qū)工程建設(shè)中受到廣泛關(guān)注［1-2］。在全球氣候變暖背景下，北半球多年凍土處于持續(xù)退化中［3-5］，人類活動(dòng)的影響對(duì)多年凍土的退化起到推波助瀾的作用［6］。青藏高原多年凍土大多處于高溫不穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)外界擾動(dòng)的響應(yīng)十分敏感，工程活動(dòng)顯著改變其地表狀況，促使多年凍土加速退化［7-8］。特別是公路工程建設(shè)，由于路面材料特殊的熱物理性質(zhì)和道路交通載荷等因素的作用下，對(duì)多年凍土的影響十分顯著［9-11］。多年凍土融沉是青藏高原公路工程中面臨的最主要的凍土工程問題［12-13］，特別在高含冰多年凍土地段［15］。所以在公路建設(shè)中，查明高含冰地段的分布是一項(xiàng)重要工作。凍脹丘是一類特殊的高含冰地段，在多年凍土區(qū)工程建設(shè)中應(yīng)需要避讓。

飽和土凍結(jié)時(shí)水分向凍結(jié)鋒面遷移，水分凍結(jié)體積膨脹，遂產(chǎn)生凍脹。凍脹丘是地層凍結(jié)發(fā)生凍脹的一種極端表現(xiàn)形式，主要表現(xiàn)為地表隆起呈丘狀，其典型特征是具有厚層純冰核或高含冰地層［15-16］。理論上，凍脹在地表的隆起高度即代表了地下冰層累計(jì)厚度，是一類典型的高含冰地段。從凍脹丘發(fā)育和保存時(shí)間分類，凍脹丘可以分為季節(jié)性和多年生兩種類型［17］。其中季節(jié)性凍脹丘多分布在多年凍土或深季節(jié)凍土區(qū)，地下冰層主要分布在活動(dòng)層厚度以內(nèi)，規(guī)模比較小，一般在地表回凍到一定深度時(shí)開始形成，到次年融化季節(jié)來臨前達(dá)到最大，在融化季節(jié)末完全消融、消失［18］。由于季節(jié)性凍脹丘冰層埋藏較淺，表層覆蓋土層受冰層頂托而張裂，多形成源于頂部的放射狀裂縫，在地表容易辨識(shí)［17-18］，在工程勘查中可以規(guī)避，也可以由于工程建設(shè)改變水分運(yùn)移通道和（或）地層熱狀況，甚至由于工程實(shí)體的壓力抑制其發(fā)生，在工程建設(shè)中其危害不太顯著。多年生凍脹丘形成時(shí)間多超過千年，有些甚至超過萬年［19-20］，頂部的裂縫可能被風(fēng)沙填充，如果沒有表面塌陷等現(xiàn)象，則無明顯痕跡顯示其為凍脹地形，往往可能被誤判為孤山、固定沙丘、冰礫阜等孤立的丘狀地貌，從而在勘查中被忽略。多年生凍脹丘一般比較高大，也即意味著其地下冰層厚度和分布范圍均較季節(jié)性凍脹丘大，發(fā)生融沉?xí)r，其沉降量十分可觀，對(duì)工程建設(shè)，特別是公路工程影響顯著。

共和-玉樹高速（簡(jiǎn)稱共玉高速）是我國(guó)在多年凍土區(qū)建設(shè)的第一條高速公路，全線和G214 國(guó)道并行。線路穿越多年凍土區(qū)路段約360 km，其中多年凍土路段總長(zhǎng)約200 km。在查明沿線多年凍土分布及主要含冰特性的基礎(chǔ)上，在相應(yīng)地段，路基建設(shè)采取了適當(dāng)?shù)墓こ檀胧﹣眍A(yù)防多年凍土融沉的發(fā)生［21］。其中，長(zhǎng)石頭山到黃河谷地之間的多格茸盆地堆積了厚層細(xì)顆粒沉積物，地下冰比較發(fā)育，是典型高含冰路段。盆地中南部分布著眾多孤立的丘狀地形，經(jīng)過表面形態(tài)調(diào)查和鉆探勘察，確定為一類多年生凍脹丘［22］。新建的共玉高速有幾處橫切這類凍脹丘而過，凍脹丘下伏巨厚的地下冰層對(duì)公路投入運(yùn)營(yíng)以后的路基穩(wěn)定形成潛在的威脅。在青藏高原公路建設(shè)中，公路跨越凍脹丘布設(shè)尚屬首次，本文擬以公路K430+070 處凍脹丘為例，初步分析凍脹丘對(duì)公路路基穩(wěn)定性的影響。

1 多格茸盆地凍脹丘基本特征

1.1 區(qū)域介紹

多格茸盆地是一小型山間盆地，大致呈北西-南東走向，長(zhǎng)約40 km，北東向?qū)捈s20 km，盆地平均海拔4 300 m。盆地東北方向?yàn)椴记嗌矫}支脈長(zhǎng)石頭山，南部由一些低緩丘陵與黃河主河道寬闊谷地相隔，形成相對(duì)封閉的獨(dú)立盆地，僅通過其西南方向一條相對(duì)寬展、平坦的河谷與黃河主河道相通。214 國(guó)道和新修的共玉高速公路并行翻越長(zhǎng)石頭山后，俯沖進(jìn)入盆地，向西南方向橫穿盆地，從盆地出口河谷邊緣穿出盆地。盆地底部平坦，從東北部的長(zhǎng)石頭山向西南方向的出口略有傾斜，大致每千米降低7 m。受地形影響，盆地西南部位地表水體較豐富，大大小小的湖泊星羅棋布，數(shù)條蜿蜒回環(huán)的季節(jié)性溪流向出口匯集。在湖泊之間地面隆起高低、形態(tài)各異的小型土丘或臺(tái)地，經(jīng)過表面形態(tài)調(diào)查和鉆探勘察，證實(shí)這些隆起地形為一類多年生凍脹丘，這些凍脹丘較密集地分布在多格茸盆地中部-西南部，形成了高原罕見的凍脹丘群。這些凍脹丘從外觀形態(tài)上看，大多為近圓形和橢圓形底面的渾圓丘體，相對(duì)高度在3～8 m，底面直徑從數(shù)十米到數(shù)百米不等；側(cè)面看，有些似錐形，有些似穹蓋形，有些底面直徑很大且無明顯頂部，形成凍脹臺(tái)地。和常見的季節(jié)性凍脹丘不同，這些凍脹丘頂部并沒有放射狀延伸的張裂縫，部分凍脹丘在陽坡面或頂部形成明顯的熱融沉陷，有的沉陷洼地中積水。

1.2 地層基本特征

共玉高速K430 附近位于多格茸盆地中南部，靠近盆地出口，是盆地地表、地下水匯集的場(chǎng)所。該地段凍脹丘分布比較密集，往往數(shù)個(gè)凍脹丘相鄰伴生。該地段松散沉積物主要有三層，表層約1 m厚度全新世黃土狀粉質(zhì)土，中部為厚約數(shù)米的晚更新世風(fēng)積細(xì)砂或粉砂，7～8 m 以下為河湖相細(xì)砂-粉黏土互層沉積物。充足的水分和有利于水分遷移從而發(fā)生分凝作用的細(xì)顆粒土地層結(jié)合，形成了凍脹丘發(fā)育的良好場(chǎng)所。該地多年凍土上限約在1.8 m，凍脹丘下高含冰地層出現(xiàn)在約4～30 m 深度區(qū)間。其中，在細(xì)砂地層中形成微層冰透鏡和細(xì)小冰脈，在粉質(zhì)土層中往往形成含土冰層或厚達(dá)20 cm 的純冰層，黏性土層中形成厚約2～4 cm 的純冰層（圖1）。

圖1 凍脹丘中的地下冰Fig.1 Ground ice underlying frost mound：lenticular ice（a）；layered ice（b）；pure ice layer（c）

1.3 K430+070處公路跨切凍脹丘概況

在多格茸盆地中，G214 國(guó)道橫穿而過，但是均避開凍脹丘布設(shè)，所以并沒有凍脹丘對(duì)路基穩(wěn)定構(gòu)成威脅。新建的共玉高速與214 國(guó)道并行，在多格茸盆地采用分幅修筑，兩幅路基有多處橫切凍脹丘頂部或邊坡，其中，左幅路基在K430+070 處從一凍脹丘頂部橫切而過，在凍脹丘頂部最大開挖深度超過3 m，路基鋪筑以后路面距丘頂2.5 m（圖2）。此處凍脹丘分布比較密集，附近緊鄰214 國(guó)道左側(cè)存在一座較大凍脹丘，高度超過8 m，底面直徑約80 m，頂部和側(cè)面部分塌陷，塌陷坑內(nèi)積水。公路所切的凍脹丘與214 國(guó)道邊凍脹丘相伴而生，由于前期取土以及新建公路挖方，此凍脹丘地表形態(tài)已不完整，后期又對(duì)殘余部分進(jìn)行了整平，目前在地表已經(jīng)沒有明顯的凍脹丘形態(tài)（圖3）。

圖2 共玉高速K430+070附近橫切凍脹丘路段Fig.2 Frost mound transected by Gonghe-Yushu Highway at mileage K430+070

圖3 K430+070附近凍脹位置及周圍環(huán)境Fig.3 Location and surroundings of frost mound site at Gonghe-Yushu Highway mileage K430+070

為了了解此處凍脹丘在公路瀝青路面影響下的熱狀況及評(píng)估凍脹丘地下冰融化對(duì)路基穩(wěn)定性的影響，布設(shè)了多年凍土地溫監(jiān)測(cè)剖面。監(jiān)測(cè)剖面包括路基中心、左右路肩和天然地面4個(gè)地溫孔，其位置如圖2。監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)在凍脹丘頂部偏東位置，開挖深度大約2 m。天然孔位于路基左側(cè)約20 m 處，從地面形態(tài)和土質(zhì)看，天然孔位置可能在早期施工中被開挖，地表以細(xì)砂為主，而盆地地表普遍發(fā)育的細(xì)粒粉質(zhì)土缺失，零星生長(zhǎng)著幾株禾本科植物，明顯和該地段原生植被不同，屬于次生種群。天然孔地面雖然曾經(jīng)遭擾動(dòng)，但地溫?cái)?shù)據(jù)反映多年凍土上限依然保持在1.8 m 左右，年平均地溫約為-0.3 ℃。

2 公路路基修筑對(duì)凍脹丘下地層熱狀況的影響

K430+070附近路基及路面水穩(wěn)層在2013年11月以前修筑完成，2014 年6 月完成瀝青路面鋪筑。凍脹丘兩側(cè)由路堤過渡，路堤高約1.0～1.5 m，底層鋪設(shè)0.5 m 厚的塊石，凍脹丘開挖段也填埋了一定厚度的塊石，地表沒有顯露（圖3）。監(jiān)測(cè)斷面鉆孔布設(shè)在2013 年9 月前完成，測(cè)溫探頭布線、數(shù)采設(shè)備調(diào)試安裝在2013 年11 月初完成，開始采集數(shù)據(jù)。測(cè)溫探頭來自中國(guó)科學(xué)院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的熱敏電阻，測(cè)溫精度為±0.05 ℃，數(shù)采設(shè)備用Campbell 公司CR3000 型數(shù)據(jù)采集儀，每4 小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)。2015 年因?yàn)楦鼡Q設(shè)備，數(shù)據(jù)采集暫時(shí)中止。目前獲得了從2013 年11 月到2015 年3 月期間包含一個(gè)完整凍融周期的地溫?cái)?shù)據(jù)，也涵蓋了瀝青路面鋪筑前后一定時(shí)段，可以滿足進(jìn)行初步地溫分析的需要。本文中天然孔深度均自地面算起，路面鉆孔深度自水穩(wěn)層面算起，右路肩孔由于數(shù)據(jù)異常，分析中沒有采用。圖4中，我們選擇了三個(gè)監(jiān)測(cè)孔0.5 m 和5.0 m 兩個(gè)深度處的地溫，顯示了地溫的時(shí)間變化過程。

2.1 路基施工對(duì)凍脹丘下凍土層的影響

在K430+070 監(jiān)測(cè)剖面上，路基中心孔和左右路肩孔均存在挖方，原天然地表被破壞，隨后經(jīng)歷了壓實(shí)、換填塊石、鋪筑水穩(wěn)層等一系列工程擾動(dòng)，改變了地表熱狀況，使得路基導(dǎo)熱效率更高，淺層地溫對(duì)外界氣溫變化響應(yīng)迅速，能夠明顯反映出地面狀況的變化。圖4（a）中2013—2014 年冬季天然孔和路基孔0.5 m 地溫對(duì)比明確體現(xiàn)了這種變化，表現(xiàn)在：（1）進(jìn)入冷季，路基下地溫快速下降，天然孔經(jīng)歷了大約1 個(gè)月的零點(diǎn)幕階段才開始下降，暖季開始，天然孔零點(diǎn)幕階段遠(yuǎn)大于路基孔，反映了經(jīng)過工程活動(dòng)改造的路基土較天然地表淺層土層中的含水量小很多；（2）路基下0.5 m 地溫變化遠(yuǎn)大于天然孔，而且路基下地溫小幅波動(dòng)在天然孔地溫中幾乎被完全“過濾”，說明路基地層導(dǎo)熱效率較天然地層高。在圖4（b）中，天然孔地溫約為-0.5 ℃，略能看出年變化的波動(dòng)；而路基下兩孔地溫約為-0.2 ℃，中心孔略低，兩孔地溫均無明顯年變化，而且隨著時(shí)間推移顯出持續(xù)升溫趨勢(shì)。

圖4 監(jiān)測(cè)孔0.5 m和5.0 m地溫隨時(shí)間的變化Fig.4 Developing process curves of ground temperature in depth of 0.5 m and 5.0 m in various borehole

在鋪筑瀝青路面以前（2014 年6 月以前），路基表面仍然保持淺色，相比原天然地面吸熱能力沒有明顯變化，路基下地溫相比天然孔變化幅度增加，源于換填、壓實(shí)等工程活動(dòng)對(duì)表層物質(zhì)熱物理性質(zhì)的改變，可以看作施工過程對(duì)下伏多年凍土的影響。圖5是2013年11月28日和2014年5月28日各孔地溫曲線對(duì)比。從11 月28 日地溫曲線圖中可以看出，淺地表已經(jīng)回凍，其表層地溫遠(yuǎn)低于天然地表。路基上兩個(gè)鉆孔0.5 m 深度處地溫已經(jīng)下降至-6 ℃左右，而天然孔相同深度地溫約-0.1 ℃。但是天然孔多年凍土上限較淺，此時(shí)活動(dòng)層已經(jīng)完全回凍，與多年凍土層銜接。同時(shí)，路基下多年凍土上限（以路面算，達(dá)到3.8 m左右）相比天然孔（1.8 m）增加了2.0 m，盡管表層有較高的散熱效率，但遠(yuǎn)沒有達(dá)到銜接狀態(tài)，依然保留了約2 m 厚的融化夾層。路基下兩孔多年凍土層地溫在12 m 深度以上均高于天然孔，以15 m 深度地溫作為年平均地溫，路基中心孔和路肩孔均比天然孔略低，隨著深度增加，這一差值有增加趨勢(shì)。說明路基位置在公路施工以前，原天然地表?xiàng)l件下多年凍土保存條件較現(xiàn)天然孔位置更好一些，也說明施工對(duì)多年凍土造成的熱影響在一年時(shí)間內(nèi)已經(jīng)波及到12 m 深度，考慮到挖除的2 m 厚度，這一深度應(yīng)該達(dá)到14 m。5 月底，本地區(qū)已經(jīng)進(jìn)入融化季節(jié)，地溫曲線反映經(jīng)過一個(gè)完整的冬季，下伏多年凍土放熱狀況。5 月地溫曲線再次明確顯示路基表層高效的傳熱性能，天然孔融化深度只有0.3 m，0.5 m 地溫只有-0.4 ℃，路基下融化已經(jīng)達(dá)到或超過2 m，0.5 m 地溫達(dá)5.7 ℃。在2～12 m 深度區(qū)間，天然孔顯示了正地溫梯度，說明多年凍土層在冬季正常放熱；而路基下保持負(fù)地溫梯度，多年凍土層中暖季吸收的熱量在冷季不能有效釋放，處于熱積累狀態(tài)。12 m 以下地溫變化不大。

圖5 監(jiān)測(cè)斷面鉆孔地溫對(duì)比Fig.5 Ground temperature profile of various borehole

自從2012年開始公路施工至2013年年底，由于施工造成路基下多年凍土顯著退化，表現(xiàn)為多年凍土上限大幅下降（考慮挖除部分，上限下降了約4 m），多年凍土上層地溫明顯上升，在1年多的路基施工期間，這一影響波及到12 m 深度處。高原施工多在融化季節(jié)開展，施工過程對(duì)多年凍土的熱擾動(dòng)包括三個(gè)方面：（1）地表挖方，使得原多年凍土埋藏深度變淺，熱量由地表傳遞至多年凍土層的熱阻減小，多年凍土原上限接受的熱量和傳入多年凍土層的熱量增加；（2）路基土及路基填料的壓實(shí)加強(qiáng)了表層導(dǎo)熱效率，使夏季有更多的熱量進(jìn)入多年凍土層中，但是也有利于冬季散熱，綜合來看，表層填土導(dǎo)熱性能的改變不是路基下熱量積累的主要貢獻(xiàn)者。然而，夏季施工填土本身的熱量對(duì)加熱下伏土層卻不可忽視；（3）工程機(jī)械在施工過程中對(duì)地面的摩擦、震動(dòng)可能對(duì)地層中的熱量積累也有所貢獻(xiàn)。

2.2 瀝青路面鋪設(shè)對(duì)下伏多年凍土的影響

2014 年6 月以后，該路段完成了瀝青路面的鋪筑。黑色路面強(qiáng)烈的吸熱作用顯著改變地氣間的熱量交換過程，加劇下伏地層中的熱量積累。圖6對(duì)比了瀝青路面鋪設(shè)前后2013 年和2014 年相同日期（11 月28 日）鉆孔的地溫。對(duì)比天然孔兩個(gè)年份的地溫，2014 年天然地面（0.2 m 深度）溫度較2013年低約1 ℃左右。位于路基下的兩孔對(duì)比發(fā)現(xiàn)，季節(jié)融化層中地溫存在較大差異，表現(xiàn)為瀝青路面鋪設(shè)以后地溫較鋪設(shè)以前大幅升高，0.5 m 深度處升高幅度可達(dá)6 ℃，向下逐漸遞減，在多年凍土上限（約4 m）以下，兩個(gè)年份的地溫幾乎完全相同。如果考慮天然孔反映的2014年更冷一些的情況，則瀝青路面鋪筑以后引起的表層地溫升溫幅度應(yīng)該更大一些。說明鋪設(shè)瀝青路面比路基施工過程對(duì)路面下地層熱量積累更大，而且是在施工擾動(dòng)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步增加。在工程初期，這些積累的熱量在冬季會(huì)被部分釋放到外界，來保持活動(dòng)層回凍過程中的銜接狀態(tài)；長(zhǎng)期來看，路基下保持著熱量?jī)舴e累狀態(tài)，形成融化夾層不可避免。同時(shí)，活動(dòng)層中熱量積累狀態(tài)阻止了下伏多年凍土層中熱量的散失，使其保持持續(xù)升溫，發(fā)生融化也是必然結(jié)果。

圖6 瀝青路面鋪筑前后同一時(shí)期地溫對(duì)比Fig.6 Comparing ground temperature between before and after asphalt paved

為了使對(duì)比更具一般性，同樣從圖4 中瀝青路面鋪筑前后兩個(gè)冬季路基下0.5 m 地溫變化過程曲線可以顯著地看出這種差異。表1 列出了各孔0.5 m深度處監(jiān)測(cè)期內(nèi)最冷月（1月）和最熱月（8月）地溫月平均值。首先，天然孔2015 年1 月0.5 m 地溫較2014 年低1.1 ℃，表明同期2014—2015 年冬季比2013—2014 年冬季更冷，然而路基下兩孔2015年1 月平均地溫較2014 年分別高7.8 ℃（中心）和5.3 ℃（左路肩）。造成升高幅度不同的原因是路肩孔緊貼瀝青路面邊緣，并沒有直接覆蓋瀝青面層，所以，瀝青路面的增溫效應(yīng)應(yīng)該以中心孔增溫來計(jì)算。其次，我們對(duì)比中心孔和天然孔同期的0.5 m平均地溫，2014 年1 月，瀝青尚未鋪設(shè)，由于高效的散熱能力，中心孔0.5 m 地溫較天然孔低11.1 ℃，而2015 年1 月，瀝青鋪設(shè)以后，它們之間的差值僅為2.2 ℃，路面冬季散熱能力極大削弱。在夏季，2014年8月中心孔0.5 m地溫較天然孔高8.5 ℃，即路面吸熱能力很強(qiáng)。和施工期路基比較，瀝青路面鋪設(shè)以后，其強(qiáng)吸熱性能抵消了冬季路基下土層向外界散熱，夏季則增強(qiáng)了向下伏土層的傳熱，從而形成了下伏土層中強(qiáng)烈的熱量積累，加速多年凍土升溫和融化。

表1 各孔0.5 m 深度最冷月和最熱月地溫平均值（單位：℃）Table 1 Mean ground temperature of the coldest and warmest month at depth 0.5 m from different boreholes（unit：℃）

3 凍脹丘路段多年凍土變化趨勢(shì)及對(duì)公路的影響預(yù)估

近年來氣候變暖，青藏高原普遍出現(xiàn)多年凍土上限下降［4-5］，多格茸盆地的大多數(shù)凍脹丘形態(tài)完整，沒有明顯的塌陷跡象，這與凍脹丘地下冰埋藏深度有關(guān)，高含冰地層一般出現(xiàn)在4～5 m 深度，而多年凍土上限在1.8 m，也就是說自然升溫條件還不足以引起凍脹丘地下冰層融化（個(gè)別冰層埋藏較淺部位除外）。然而，公路工程活動(dòng)挖除了表層保護(hù)地層，使得地下冰埋藏變淺，而且極大地改變了原來地氣熱交換過程，造成路基下大量熱量積累，將會(huì)促使地下冰開始融化，進(jìn)而出現(xiàn)路基沉陷［7，10］，影響道路安全。

3.1 凍脹丘路段下多年凍土目前狀態(tài)及路基穩(wěn)定性

監(jiān)測(cè)斷面上天然孔位置曾經(jīng)挖方，目測(cè)挖除深度在1.5～2.0 m，擾動(dòng)后多年凍土上限調(diào)整到目前地面以下1.8 m 位置，這與周圍其他天然地表?xiàng)l件下上限深度接近。當(dāng)時(shí)挖方對(duì)地面的擾動(dòng)似乎對(duì)上限位置沒有影響，然而根據(jù)前面分析，路基下由于施工影響造成的升溫只波及到12 m 深度處，12 m以下天然孔地溫高于路基中心孔。假設(shè)沒有擾動(dòng)前各孔地溫一致（事實(shí)上，斷面上各孔位置相近，地面、地層狀況相似，地形相同，理論上地溫是一致的），那么說明天然孔地溫在挖方以后有所升高，當(dāng)時(shí)挖除地表粉質(zhì)土層暴露出下伏的砂土層造成的影響僅表現(xiàn)為促使多年凍土地溫升高。鉆探結(jié)果表明，天然孔現(xiàn)地面以下1.8 m 出現(xiàn)含土冰層，正是該層豐富地下冰阻止了凍土層融化，因地表改變進(jìn)入地中的熱量增量有足夠時(shí)間向下傳遞，從而保持上限位置，僅僅使地溫升高。

公路路基位置經(jīng)歷了挖方和填方、壓實(shí)、鋪設(shè)瀝青等工程活動(dòng)以后，擾動(dòng)遠(yuǎn)比前期挖方嚴(yán)重，目前凍土上限在路面以下3.8 m 深度，原地面距離路面2.0 m，凍土天然上限按1.8 m 計(jì)算，則因?yàn)楣肥┕ぴ斐蓛鐾辽舷迣?shí)際下降了約4 m（圖7）。路基中心孔鉆探結(jié)果揭示，路面約4 m 深度以下出現(xiàn)含土冰層或純冰層。目前多年凍土上限已經(jīng)接近或處于高含冰地層位置。這一現(xiàn)狀我們也可以在地溫分析中得到證實(shí)。在圖4（b）中，路基下兩孔5.0 m 深度處地溫均保持在-0.2 ℃左右，在監(jiān)測(cè)時(shí)期內(nèi)基本不變，即是說路基下兩孔年變化深度均在5 m 左右，雖然路基填方有較高的導(dǎo)熱效率，但夏季熱量向下傳遞沒有突破這一深度。與高原其他地區(qū)10～15 m 的年變化深度相比，說明該斷面上4～5 m 附近地層水分（包括地下冰和未凍水）含量較高，該層熱量的收支主要用于水分的相變（地下冰和未凍水之間的相互轉(zhuǎn)化），而抑制了地溫的變化，這一推測(cè)與凍脹丘地下冰埋藏深度相符。觀察2014 年5 月28 日地溫（圖5）曲線形態(tài)細(xì)節(jié)，發(fā)現(xiàn)路基下兩孔在2～4 m 深度存在兩處明顯的地溫曲線拐點(diǎn)，上面拐點(diǎn)代表暖季開始地表升溫傳遞深度，下面拐點(diǎn)表示之前的冬季地表降溫傳遞深度，也就是說，2013 年冬季路面溫度很低（見前面論述），但這種降溫趨勢(shì)只是傳遞到上限位置3.8 m 附近，此處地溫接近0 ℃，已經(jīng)處于相變階段的冰水混合狀態(tài)，只有足夠的未凍水在相變時(shí)釋放潛熱才能補(bǔ)償活動(dòng)層中冬季散失的熱量，從而保持地溫在0 ℃附近基本不變。另一方面，如前所述，瀝青路面鋪筑以后路面下熱量積累更加顯著，然而對(duì)比瀝青路面鋪筑 前后的2013 年11 月28 日和2014 年11 月28 日地溫曲線（圖6），發(fā)現(xiàn)下多年凍土上限并沒有明顯變化，說明即使鋪設(shè)了瀝青路面，一個(gè)夏季在活動(dòng)層中積累的熱量沒有使上限位置的地下冰完全融化，也只有充足的冰含量才能阻擋積累的熱量繼續(xù)向下融化凍土層，來加深上限。總之，從鉆探資料和地溫分析均充分證明了目前上限位置已經(jīng)處于高含冰地層。

圖7 K430+070附近凍脹丘監(jiān)測(cè)剖面地表及凍土上限變化Fig.7 Sketch of permafrost table changes in profile of frost mound transected by Gonghe-Yushu Highway

由于路基下多年凍土上限沒有加深，截至目前，該段跨凍脹丘路段路基還算穩(wěn)定，路面沒有出現(xiàn)顯著變形。路基下填方的塊石在后期平整過程中完全掩埋失去通風(fēng)的作用，對(duì)路基穩(wěn)定性起不到應(yīng)有作用。

3.2 凍脹丘路段未來凍土變化和路基穩(wěn)定性

在未來一段時(shí)期內(nèi)，由于瀝青路面強(qiáng)吸熱特性，填方塊石又起不到相應(yīng)的降溫作用，路基下活動(dòng)層內(nèi)的熱量積累造成多年凍土的持續(xù)融化，由于含冰量較高，其融化短期內(nèi)不能直觀顯現(xiàn)（比如2013 年底到2014 年底，圖6 所示），但隨著時(shí)間累積，最終會(huì)直接以路基沉降的方式呈現(xiàn)。粗略估計(jì)，在公路建成通車后幾年時(shí)間內(nèi)，凍脹丘路段路基沉降即會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)榈貙泳鶠楦吆貙?，沉降?huì)持續(xù)發(fā)展［14，23］。由于凍脹丘段地層高含冰量會(huì)形成較大的融沉量，在正常地段向凍脹丘路段過渡段，發(fā)生差異沉降，可能形成橫向裂縫。在凍脹丘段內(nèi)，由于路面沉陷的不均勻性，會(huì)形成波浪起伏，嚴(yán)重影響行車安全。根據(jù)青藏公路的檢測(cè)結(jié)果，瀝青路面鋪設(shè)以后幾年到十幾年的時(shí)間，多年凍土上限下降到路面以下7～8 m［24］，當(dāng)多年凍土上限深度超過路面寬度時(shí)，路基兩側(cè)凍土層對(duì)路基下地層的側(cè)向影響超過路面自上而下的影響，上限下降將趨于穩(wěn)定，路基有可能達(dá)到穩(wěn)定。對(duì)于凍脹丘路段來說，連續(xù)的高含冰地層可能會(huì)減緩凍土上限下降速度，但會(huì)保持較大沉降量，同時(shí)也延緩了沉降趨于穩(wěn)定的時(shí)間，也就是說在公路運(yùn)營(yíng)以后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)該地段將處于持續(xù)沉降變形中，而且沉降量較一般多年凍土路段大。

凍脹丘中心部位自地面隆起高度超過3.5 m，意味著凍脹丘下伏分凝冰總厚度超過3.5 m。分凝冰在7～8 m 深度以內(nèi)以微層狀冰透鏡為主形成冰土混合的飽冰凍土或含土冰層，估計(jì)地下冰的累計(jì)厚度超過1 m。8 m 以下為薄層純冰層與土層互層結(jié)構(gòu)，冰層累計(jì)厚度超過2.5 m。以此推算，未來幾十年內(nèi)，路基下多年凍土上限如果在7～8 m 達(dá)到穩(wěn)定，路基沉降總量可能超過1 m。如果將來氣候升溫，使本區(qū)多年凍土全面退化，則凍脹丘下冰層全部融化，路基沉降最終可能達(dá)到3.5 m 以上，不加處理，該處將發(fā)展成為熱融湖塘。

4 結(jié)論

在共玉高速多格茸盆地段，由于對(duì)凍脹丘認(rèn)識(shí)不足，公路有幾處橫切凍脹丘，凍脹丘下賦存著豐富的地下冰，對(duì)公路長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)造成很大隱患。在多年凍土區(qū)公路建設(shè)中，跨凍脹丘路段的穩(wěn)定性問題以前尚未遇到過，本文根據(jù)目前收集的數(shù)據(jù)，初步分析了凍脹丘和公路相互影響，對(duì)路基穩(wěn)定性做出定性的評(píng)價(jià)，得到以下結(jié)論：

（1）多格茸盆地凍脹丘分布數(shù)量多，密度大，在保持公路順直的要求下無法避讓，凡是在路基修筑時(shí)存在挖方地段，均屬于凍脹丘或凍脹地形影響范圍，路基下地層中多為高含冰凍土。

（2）在天然狀態(tài)下，這些凍脹丘大多保持穩(wěn)定，個(gè)別凍脹丘局部塌陷。公路施工活動(dòng)極大地改變了原來地面狀況，施工過程中開挖、換填、碾壓、鋪筑瀝青等活動(dòng)造成了活動(dòng)層中強(qiáng)烈地?zé)崃糠e累。

（3）目前由于工程活動(dòng)的影響，凍脹丘路段路基下凍土上限已經(jīng)達(dá)到高含冰地層，短期來看，路基下多年凍土上限融化由于需要大量的潛熱，向下移動(dòng)速度很慢，但是伴隨發(fā)生的融沉量不容忽視。

（4）公路運(yùn)營(yíng)以后，在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，路基下凍土上限將持續(xù)加深，將會(huì)造成持續(xù)的路基沉降，初步估計(jì)，路基達(dá)到穩(wěn)定前的累積沉降量可達(dá)1 m甚至更多。