島狀凍土區路基施工前溫度變化規律研究

張 冬 何東坡

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

為加快黑龍江省的經濟發展，我國在寒區大興安嶺等島狀凍土區需要新建或改建的公路項目越來越多，而目前在大興安嶺島狀凍土區已建道路的主要病害以路面沉陷為主。沉陷主要是由于路基底部凍土受溫度影響后融化，承載力降低造成的，因此研究凍土路基的溫度變化規律十分必要，可以為凍土路基處理方式的選擇提供依據。本文以國道京漠公路島狀凍土區路基工程為依托，進行了路基處理前的溫度變化規律的研究，總結了該地區島狀凍土區路基施工前溫度變化規律，并給出了本路段的凍土治理的建議措施，而不是針對已出現的凍土路基病害進行補救，可以節約成本，更有針對性的處理問題。

1 依托項目

國道京漠公路樟嶺(塔漠界)至西林吉段，路面寬度12 m，雙向雙車道。位于大興安嶺北部，該地區年平均氣溫為-4.7 ℃。極端最高氣溫為35 ℃,極端最低氣溫為-49.7 ℃，年最高溫差可達80多攝氏度[1]，導致該地區的凍土存在形式多為不連續的島狀凍土，熱穩定性差[2]，有逐年退化的跡象。在該地區修筑道路時，掌握其凍土溫度變化規律十分必要。經過前期勘察，選取了樁號為K409+170～K409+400段島狀凍土進行工前溫度變化規律的研究。

2 工前路基溫度變化規律

2.1 溫度傳感器的埋設

在京漠公路島狀凍土區路基施工前預埋了溫度傳感器，清表后僅覆蓋砂礫層凍土路基傳感器布設斷面位置為樁號K409+200,K409+260,K409+320,K409+380處，共計4個斷面，每個斷面設置了4個溫度孔，具體位置為兩側路基坡腳及左右行車道路中，溫度傳感器距地表距離依次為0 m,0.5 m,1 m,1.5 m,2 m,2.5 m,3 m,3.5 m,4 m,5 m,6 m共計11個溫度傳感器。在原植被保護區凍土設置了2個溫度孔，布設斷面位置為樁號K409+200和K409+380右側處，距坡腳10 m距離，同樣每個溫度孔埋設11個溫度傳感器。

2.2 溫度數據分析

受施工進度的影響，主要采集了9個月的施工前凍土區溫度數據，采集的數據的日期為2017年12月、2018年1月～8月。該試驗段位于大興安嶺地區漠河縣阿穆爾鎮，8月過后開始降溫，一般在9月中旬下雪、10月、11月該地區進入低溫時期，尤其11月份，溫度傳感器埋設于11月份，地表溫度在-30 ℃左右，可以認為季節性凍土在此期間完成回凍，8月份季節性凍土融化接近最大值。依據采集的數據可得到原植被覆蓋區凍土溫度隨時間變化趨勢，具體變化形式見圖1，圖2。

由圖1，圖2可知原植被覆蓋區凍土地表溫度變化較大，植被覆蓋層具有較好的隔熱保溫效果，其下凍土可以常年處于負溫狀態，可以認為不存在季節性凍土層，均為多年凍土層。

依據采集的數據可得到清表后僅覆蓋砂礫層凍土溫度隨時間變化趨勢，以K409+200處斷面上的溫度分布進行說明，其具體變化形式見圖3～圖6。

清表后覆蓋砂礫層約40 cm，從砂礫覆蓋層坡腳和兩車道路中處凍土溫度變化曲線圖圖3～圖6可以看出：

1)在地表以下2.0 m范圍，凍土溫度受外界溫度影響顯著，隨外界溫度的升高而升高，降低而降低，凍土融化自上而下單向進行，在此范圍內的凍土溫度出現了正溫，說明季節性凍土融深能夠達到1.5 m，可將這一區間的凍土歸為受地溫影響顯著區。

2)在2 m以下范圍內顯現出了溫度傳遞的滯后性，縱觀整個觀測時間段的溫度變化趨勢，2 m～4 m之間的凍土溫度，與地表到2 m之間的凍土溫度整體變化規律相似，變化幅度卻明顯偏小，反映了溫度傳遞的滯后性和衰減性，當季節性凍土融化達到最大值時，外界溫度開始降低，凍結開始雙向凍結，此時2 m～4 m之間的凍土溫度會持續升高，所以會出現12月、1月、2月時期2 m～4 m之間的凍土溫度高于0 m～2 m之間的凍土溫度和4 m～6 m之間的凍土溫度，可將這一區間的凍土歸為受地溫影響緩沖區。

3)4 m～6 m范圍內凍土溫度在小范圍的負溫區間內波動，變化幅度最小,基本維持穩定，受地表溫度影響微弱，可將這一區間的凍土歸為受地溫影響微弱區。

因此可將溫度變化傳遞分為3個區間，0 m～2 m為顯著區，2 m～4 m為緩沖區，4 m及以上為微弱區。顯著區凍土融化表現為自上而下的單向融化，凍結時則雙向凍結[3]，完成凍結后一段時間內，緩沖區的凍土溫度則會超過顯著區和微弱區凍土溫度，然后低于微弱區凍土的溫度，隨著時間的推移，周而復始。砂礫層不能作為溫度保護層，不能有效阻止其下凍土受地表溫度的影響，并可能導致多年凍土融化，季節性凍土的融化表現為單向融化，雙向凍結，融化下限可接近2.0 m。清表后覆蓋砂礫層會導致路基底部凍土融化，若不能采取有效措施，可能會引發路面沉陷等道路病害。

3 該路段地基處理建議

針對該地區特有植被和溫度特性，進行原植被和清表覆蓋砂礫層可能造成的影響分析，并推薦出合理的處理措施。作為路基，原植被具有良好的保溫效果，能夠有效阻止地表溫度向凍土層下潛，保持原凍土狀態，有利于凍土保護，但植被強度不高，植被層范圍內容易形成軟弱地基[4]，引發路面整體沉陷；清表后覆蓋砂礫層，改變了原有的凍土狀態，擴大了季節性凍土的深度，會降低整個路基的強度，一旦進入凍土融化階段，可能會導致路面不平整，出現波浪形路面等病害。綜合以上分析，給出初步建議：

1)若進行清表，清表后進行砂礫換填，換填至季節凍深以下，結合本路段的地質勘察資料，給出的建議換填砂礫層厚度為4 m，下接不融沉或弱融沉的多年凍土。相比于清表后直接覆蓋砂礫層，解決了路基強度降低的問題，由于該地區的凍土層深度延伸至基巖，不可能將凍土全部換填，存有一定的隱患。

2)若不進行清表，充分利用當地植被保護凍土層的效果，可在植被上層填筑路基前采用塊石[5,6]沖擊碾壓，提升植被覆蓋層軟弱地基承載力。為加強對凍土的防護，這種方式更適用于高填方路堤[7,8]，且有利于縮短工期，對溫度的保護效果依賴性較大。

4 結語

通過對京漠公路施工前原植被覆蓋區凍土和清表后覆蓋砂礫層凍土的溫度變化規律的分析和對比，得出以下結論：

1)原植被覆蓋層下凍土溫度變化較為緩慢，原植被起到了很好的隔熱效果，植被上下的溫差0.5 m范圍內可達到16.3 ℃。

2)清表后覆蓋砂礫層對原狀凍土溫度分布影響較大，其阻熱效果極差，但其影響程度隨深度的增加而減小，可以將其影響區分為顯著區、緩沖區和弱影響區，顯著區深度范圍為0 m～2 m，緩沖區深度范圍為2 m～4 m，弱影響區深度范圍為4 m及以上。

3)對本地島狀凍土區路基處理的方式的建議為：若清表，則需進行凍土路基換填，路基換填深度超過季節性凍深下限，以4 m為宜；若不清表直填，需加強植被覆蓋層強度，建議采用塊石沖擊碾壓。