高緯高寒地區(qū)島狀凍土路基地溫場(chǎng)的試驗(yàn)研究

常繼峰，李威，賈貞

(1 哈爾濱學(xué)院土木建筑工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150086；2 黑龍江省地下工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150086)

隨著多年季節(jié)性更替，高緯度島狀凍土區(qū)寬基高等級(jí)公路多年凍土的退化程度將逐漸加重，由此產(chǎn)生的融沉、翻漿及凍脹開裂等路基病害也更嚴(yán)重，如何降低大氣溫度變化對(duì)路基內(nèi)部熱平衡環(huán)境的影響，是該類公路工程的主要研究方向之一[1]。為了準(zhǔn)確掌握島狀凍土路基的地溫特征及變化規(guī)律，需首先對(duì)其地溫環(huán)境的主要影響因素進(jìn)行研究和優(yōu)化，對(duì)此學(xué)者們做了大量的科研工作，本文將這些科研工作歸納為以下二個(gè)方面：一是國(guó)內(nèi)對(duì)于凍土路基地溫規(guī)律的研究主要集中于青藏高原等西部高海拔地區(qū)[2-5]。該地區(qū)由于凍土體量大且較為連續(xù)，地表又多為天然基巖，路基散熱較好，熱敏感程度相對(duì)較低，地溫特征較為共性，但以大小興安嶺為代表的高緯高寒地區(qū)多年凍土與其差別較大，大小興安嶺地區(qū)的地表以黏性土為主，散熱較差，路基下部多為高溫凍土，熱敏感程度較高，凍土連續(xù)性差，多呈島狀分布，且體量不同，因此，其不同路基斷面的地溫分布差異較大。二是大多采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方法對(duì)某一特征時(shí)間或特定時(shí)段內(nèi)的路基地溫環(huán)境進(jìn)行分析研究[6-9]。由于這些研究的假設(shè)條件多，且不能全面反映各影響因素間的耦合作用，常常導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大，因此，為了能夠準(zhǔn)確掌握島狀凍土路基地溫場(chǎng)的非線性變化規(guī)律，還應(yīng)根據(jù)季節(jié)性氣溫變化，對(duì)路基內(nèi)不同位置的土體實(shí)際溫度進(jìn)行周期性試驗(yàn)觀測(cè)。

為了揭示島狀凍土路基地溫場(chǎng)的周期性規(guī)律特征及主要影響因素的作用效果，給高緯高寒地區(qū)島狀凍土公路工程的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，本文以高緯高寒地區(qū)前嫩公路為研究對(duì)象，對(duì)不同路基斷面地溫環(huán)境進(jìn)行了試驗(yàn)觀測(cè)及對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

前嫩公路是一條高緯高寒地區(qū)的新建高速公路，公路全長(zhǎng)163.42 km，路線范圍內(nèi)凍土種類齊全，以高含冰量的富冰及飽冰多年凍土為主要類型，凍土埋深0.47～25.12 m，土層厚度3.25～21.71 m，凍土溫度-0.1～-1.7 ℃[10]，綜合考慮路基融沉性質(zhì)、路基填高及凍土上限處的土體情況等影響因素，在試驗(yàn)路段內(nèi)共設(shè)置8個(gè)代表性試驗(yàn)觀測(cè)斷面，各斷面的基本情況見表1。

表1 各試驗(yàn)斷面概況

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

由于道路中線處為瀝青路面，吸熱、封水效果較好，邊界條件相對(duì)穩(wěn)定，地溫規(guī)律特征明顯，變異性較小[11]，能夠較客觀地反映出路基內(nèi)部各土層之間的熱交換過(guò)程，因此為了準(zhǔn)確掌握各試驗(yàn)斷面的地溫變化規(guī)律，選取道路中線處各土層的地溫作為試驗(yàn)觀測(cè)對(duì)象，同時(shí)由于路基填土層與基底下伏土層的性質(zhì)存在著較大差異，故將地溫試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分別布置于路基填土層、活動(dòng)層的中央處及凍土上限處。測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 地溫測(cè)點(diǎn)布置示意圖

1.3 數(shù)據(jù)采集

在工后一個(gè)年周期內(nèi)每月月末采用綜合測(cè)試儀(JMZX-7000型)，通過(guò)地溫探頭采集各試驗(yàn)斷面不同土層的地溫?cái)?shù)據(jù)。JMZX-7000型綜合測(cè)試儀測(cè)溫范圍-20～110 ℃，精度±1 ℃，能夠滿足試驗(yàn)要求[12]；地溫探頭則通過(guò)粘結(jié)、綁扎等方式固定在導(dǎo)管的相應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置上，公路施工期間，分別在各試驗(yàn)斷面的中線處鉆孔埋設(shè)導(dǎo)管，試驗(yàn)設(shè)備安裝及地溫?cái)?shù)據(jù)采集如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)觀測(cè)

2 地溫特征分析

2.1 大氣溫度

影響島狀凍土路基地溫場(chǎng)的外部環(huán)境主要是大氣溫度的變化[13]，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，試驗(yàn)路段年周期內(nèi)每月的平均氣溫如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)路段大氣溫度變化曲線

2.2 特征分析

各試驗(yàn)斷面年周期內(nèi)中線處各土層的地溫變化曲線如圖4和5所示。

由圖4和5可以看出，各試驗(yàn)斷面的地溫變化規(guī)律較為相似，主要有以下2個(gè)特征：

圖4 試驗(yàn)斷面(富冰凍土)地溫變化曲線

(1)結(jié)合大氣溫度變化，各試驗(yàn)斷面年周期內(nèi)地溫場(chǎng)具有明顯的階段性變化特點(diǎn)：1—4月，各土層的初始溫度雖有所不同，但受大氣溫度影響，各土層溫度很快降到0 ℃以下，并持續(xù)降低，該期間路基處于持續(xù)凍結(jié)狀態(tài)；5—9月，隨著大氣溫度升至0 ℃以上，路基各土層溫度隨之逐漸升高，并最終轉(zhuǎn)為正溫狀態(tài)；10—12月，路基地溫場(chǎng)隨大氣溫度開始逐步降溫，并在期間末尾，各試驗(yàn)斷面凍土上限處的溫度再次降到0 ℃以下，此時(shí)年周期內(nèi)的凍融過(guò)程結(jié)束。

(2)由于凍土上限和活動(dòng)層的埋深相對(duì)較大，土層溫度主要受外部氣溫環(huán)境在路基內(nèi)長(zhǎng)期累積熱效應(yīng)的影響，而填土層則由于埋深較淺，受外部大氣環(huán)境短期熱效應(yīng)作用明顯[14]，因此導(dǎo)致同一斷面內(nèi)，凍土上限與活動(dòng)層的溫度變化范圍相對(duì)較小，且較為接近，而填土層的溫度變化范圍則明顯偏大，凍土上限及活動(dòng)層的升、降溫拐點(diǎn)也較填土層有所延遲，延遲時(shí)間約15～30 d；另外，由于各試驗(yàn)斷面內(nèi)凍土上限的埋深位置及含冰量的差異，造成年周期內(nèi)各試驗(yàn)斷面同一土層間的溫度變化范圍也存在著較大差異。

圖5 試驗(yàn)斷面(飽冰凍土)地溫變化曲線

3 影響因素分析

3.1 凍土上限覆土厚度

為了減小其他影響因素的干擾，準(zhǔn)確分析凍土上限覆土厚度對(duì)路基地溫環(huán)境的影響，在各試驗(yàn)斷面中選取凍土上限土質(zhì)類別相同、含冰量接近而覆土厚度不同的斷面進(jìn)行分類比較,結(jié)果見圖6。由圖6可以看出，覆土厚度對(duì)路基各土層地溫的主要作用特點(diǎn)如下:

圖6 覆土厚度對(duì)路基各土層地溫影響對(duì)比

(1)填土層。隨著凍土上限覆土厚度的增加，可有效減弱外部環(huán)境與路基地溫場(chǎng)的熱交換，路基填土層對(duì)外部氣溫環(huán)境的敏感程度明顯降低，年周期內(nèi)地溫波動(dòng)范圍有所減小，地溫環(huán)境發(fā)生改變的時(shí)間也相應(yīng)延遲，因此適當(dāng)抬高路基有利于提高凍土路基淺部土層的熱穩(wěn)定性。

(2)活動(dòng)層。凍土上限覆土厚度對(duì)活動(dòng)層地溫環(huán)境的影響與填土層相似，但當(dāng)覆土厚度過(guò)大(>6 m)時(shí)，由于路基內(nèi)部?jī)?chǔ)存的熱量難以及時(shí)耗散，因此導(dǎo)致試驗(yàn)斷面K10+600、K59+100及K59+217年周期內(nèi)活動(dòng)層正溫狀態(tài)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，由此驗(yàn)證了當(dāng)路基填高超過(guò)臨界高度時(shí)[15]，由于凍結(jié)深度達(dá)不到熱量集中的位置，極易在活動(dòng)層與凍土上限交界處形成高溫含水夾層，從而對(duì)路基的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

(3)凍土上限。當(dāng)凍土上限處于凍結(jié)狀態(tài)時(shí)，各試驗(yàn)斷面凍土上限處的地溫波動(dòng)較為接近，覆土厚度對(duì)地溫環(huán)境影響相對(duì)較小；但當(dāng)凍土上限發(fā)生退融時(shí)，路基內(nèi)的累積熱抗阻隨覆土厚度的增加而增大，凍土上限所吸收的熱量隨之減少，因此地溫值相對(duì)偏低，地溫波動(dòng)范圍也明顯減?。划?dāng)覆土厚度超過(guò)7 m時(shí)，凍土上限年周期內(nèi)始終處于負(fù)溫狀態(tài)。

3.2 凍土上限含冰量

凍土上限含冰量的多少?zèng)Q定了路基內(nèi)冰—水相變過(guò)程的熱消耗量[16]。為了準(zhǔn)確分析凍土上限含冰量對(duì)路基地溫環(huán)境的影響，分別將凍土上限覆土厚度相近，含冰量差異較大的富冰凍土路基與飽冰凍土路基試驗(yàn)斷面進(jìn)行分類對(duì)比，結(jié)果見圖7至9。

(1)填土層。

由圖7可以看出：當(dāng)凍土上限覆土厚度≤7 m時(shí)，隨著凍土上限含冰量的增加，外部氣溫環(huán)境對(duì)路基填土層地溫環(huán)境的影響有所減弱，填土層地溫波動(dòng)范圍隨凍土上限含冰量的增加而逐漸減小；當(dāng)凍土上限含冰量存在一定差異時(shí)，在外部大氣環(huán)境短期熱效應(yīng)作用下，填土層的地溫波動(dòng)范圍較覆土厚度不同時(shí)的相對(duì)偏??；結(jié)合凍土上限覆土厚度對(duì)填土層地溫環(huán)境的影響可知，此時(shí)含冰量對(duì)島狀凍土路基填土層地溫場(chǎng)的影響較覆土厚度偏弱，但當(dāng)覆土厚度較大(≥7 m)時(shí)，在含冰量和覆土厚度共同作用影響下，路基填土層的地溫波動(dòng)仍較為顯著。

圖7 含冰量對(duì)填土層地溫影響對(duì)比

(2)活動(dòng)層。

由圖8可以看出：路基活動(dòng)層的地溫波動(dòng)范圍隨凍土上限含冰量的增加而增加。這主要是由于當(dāng)凍土上限覆土厚度較大時(shí)(>5 m)，活動(dòng)層受外部氣溫環(huán)境影響較小，但由于與凍土上限相鄰，因此凍土上限含冰量對(duì)活動(dòng)層地溫環(huán)境的影響明顯強(qiáng)于外部氣溫環(huán)境因素；而當(dāng)凍土上限覆土厚度較小(<5 m)時(shí)，凍土上限較活動(dòng)層更易受到外部氣溫環(huán)境的作用而發(fā)生相變，此時(shí)隨著凍土上限含冰量的增加，其相變過(guò)程所釋放出的能量也隨之增加，從而對(duì)活動(dòng)層的地溫環(huán)境產(chǎn)生較大影響。

圖8 含冰量對(duì)活動(dòng)層地溫影響對(duì)比

(3)凍土上限處。

由圖9可以看出：當(dāng)凍土上限埋置較淺時(shí)，其地溫波動(dòng)特征與路基活動(dòng)層類似，地溫波動(dòng)范圍隨凍土上限含冰量的增加而增加。當(dāng)凍土上限埋置較深時(shí)，在退融狀態(tài)下，凍土上限相變所消耗的熱量隨含冰量的增加而增加，因此高含冰量?jī)鐾辽舷尢幍牡販叵鄬?duì)偏低；而在凍結(jié)狀態(tài)下，由于持續(xù)的吸水凝結(jié)釋放出較多的熱量，從而導(dǎo)致高含冰量?jī)鐾辽舷尢幍牡販匾蚕鄬?duì)較高，但當(dāng)凍土上限埋深超過(guò)7 m時(shí)，其地溫場(chǎng)一直低于0 ℃(凍結(jié)狀態(tài))，地溫波動(dòng)范圍顯著減小，此時(shí)含冰量越大，凍土上限處的地溫越低。

圖9 含冰量對(duì)凍土上限處地溫影響對(duì)比

4 結(jié)論

本文以前嫩公路島狀凍土段為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)路基地溫場(chǎng)的試驗(yàn)觀測(cè)，研究了高緯高寒地區(qū)島狀凍土路基地溫變化的規(guī)律特征及主要影響因素的作用效果，根據(jù)研究結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)在季節(jié)性氣溫環(huán)境影響下，島狀凍土路基年周期內(nèi)的地溫變化過(guò)程具有明顯的階段性特點(diǎn)，依據(jù)其變化規(guī)律可劃分為“凍結(jié)-恢復(fù)-融化”三個(gè)階段。

(2)同一試驗(yàn)斷面內(nèi)，路基填土層的地溫波動(dòng)區(qū)間較其他土層明顯偏大，其升、降溫拐點(diǎn)也較其他土層有所提前，而活動(dòng)層與凍土上限的地溫值則相對(duì)較為接近；不同試驗(yàn)斷面間由于凍土上限覆土厚度及含冰量的差異，相同土層年周期內(nèi)的地溫波動(dòng)區(qū)間也存在著較大差異。

(3)隨凍土上限覆土厚度的增加，路基各土層對(duì)外部氣溫環(huán)境的熱敏感程度逐漸減弱，但當(dāng)覆土厚度超過(guò)臨界高度時(shí)，易在活動(dòng)層與凍土上限間形成高溫含水夾層，從而對(duì)路基的承載能力及熱穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

(4)路基填土層的地溫波動(dòng)區(qū)間隨凍土上限含冰量的增加而減小，當(dāng)凍土上限覆土厚度≤7 m時(shí)，含冰量對(duì)填土層地溫環(huán)境的影響弱于覆土厚度；路基活動(dòng)層及埋深較淺的凍土上限，其地溫波動(dòng)區(qū)間則隨凍土上限含冰量的增加而增加；當(dāng)凍土上限埋深≥5 m時(shí)，在退融狀態(tài)下，凍土上限處地溫隨含冰量的增加而降低，在凍結(jié)狀態(tài)下則與之相反。