邊界條件對(duì)多年凍土區(qū)高速公路整體式和分離式路基熱穩(wěn)定性的影響

栗曉林，馬巍，穆彥虎，牛永紅，黃永庭，柴明堂

(1.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；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京，100049)

多年凍土是氣候、地表及地質(zhì)條件長(zhǎng)期作用而形成的產(chǎn)物，其對(duì)溫度具有較強(qiáng)的敏感性，溫度的升高可引起多年凍土物理力學(xué)及工程性質(zhì)發(fā)生變化。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，在青藏高原550 km 多年凍土區(qū)的青藏工程走廊內(nèi)相繼修建了大量的線性工程，如青藏公路、青藏鐵路、格拉輸油管線等，這些線性工程的修筑已對(duì)青藏工程走廊內(nèi)凍土環(huán)境產(chǎn)生顯著影響[1]。但現(xiàn)有公路、鐵路不能滿足青海和西藏地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，因此，多年凍土區(qū)高等級(jí)公路的修筑是必然趨勢(shì)，但其寬幅高填方、黑色瀝青路面、厚重封閉路面層等結(jié)構(gòu)特征及更大的工程體量將可能引起更大范圍和程度的多年凍土退化[2]。已有的研究表明[3-5]：瀝青路面結(jié)構(gòu)層具有強(qiáng)烈的吸熱能力和阻滯路基土體水分蒸發(fā)的作用，寬幅路面較大的吸熱量使得路基中心產(chǎn)生明顯的“聚熱效應(yīng)”，導(dǎo)致路基下部多年凍土退化程度及范圍擴(kuò)大。因此，在全球氣候變暖情況下，路基的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性成為擬建青藏高速公路工程建設(shè)所面臨的重大問(wèn)題。在青藏公路和青藏鐵路修筑期間，研究者們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到多年凍土區(qū)修筑道路工程成功的關(guān)鍵在于路基[6]。對(duì)于多年凍土區(qū)高等級(jí)公路路基，俞祁浩等[7]利用土體熱流密度研究了不同路面和幅寬條件下凍土路基的傳熱特性，認(rèn)為高等級(jí)公路瀝青路面寬度增加1倍，將導(dǎo)致路基底面年平均熱流量增加60%，多年凍土退化速率加快0.6 倍。朱東鵬等[8]認(rèn)為高吸熱性的瀝青路面和路基幅面增寬的尺度效應(yīng)將顯著增加路基的吸熱量，瀝青路面的熱效應(yīng)對(duì)路基下部多年凍土影響比邊坡表面的顯著。汪雙杰等[9]分析了高、低溫多年凍土區(qū)高速公路寬幅路基的熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在高溫凍土區(qū)寬幅路基較窄幅路基表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸熱能力，導(dǎo)致基底吸熱量增大20%以上，路基下部多年凍土融化潛熱增大2.2倍以上，認(rèn)為寬幅路基具有更大的融沉風(fēng)險(xiǎn)。馬勤國(guó)等[10]研究了5種路面寬度對(duì)路基下部多年凍土熱狀況的影響，發(fā)現(xiàn)路面寬度對(duì)路基內(nèi)和基底融化夾層面積具有很大影響，而且在不采取冷卻降溫措施情況下，路基修筑后20 a 不出現(xiàn)融化夾層的最大路面寬度為6.00 m。此外，為解決多年凍土區(qū)高等級(jí)公路寬幅路基“聚熱效應(yīng)”的問(wèn)題，一些研究者[11-12]提出采用分離式路基進(jìn)行擬建青藏高速公路的修筑，并強(qiáng)調(diào)分離式路基之間存在相互熱干擾現(xiàn)象，但并未展開(kāi)進(jìn)一步研究。隨著西藏自治區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展，擬建青藏高速公路逐漸提上日程，但不能確定路基結(jié)構(gòu)形式是選擇整體式還是分離式。基于此，本文作者利用數(shù)值模擬方法，對(duì)擬建青藏高速公路的路基選擇進(jìn)行研究；考慮到不同年平均地溫和隔離帶寬度條件下分離式路基之間的相互熱干擾作用，對(duì)比分析分離式路基修筑后下部多年凍土的熱狀況變化，并采用分離式路基左右坡腳下部多年凍土上限差值和地溫差值來(lái)表示多年凍土溫度場(chǎng)的不對(duì)稱程度，以期為多年凍土區(qū)高速公路建設(shè)提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 計(jì)算模型及參數(shù)

本文以青藏高原不同地區(qū)的氣象條件和工程地質(zhì)條件為依據(jù)，參照高等級(jí)公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，分別建立寬幅和窄幅整體式路基以及分離式路基計(jì)算模型。寬幅整體式路基(下面簡(jiǎn)稱寬幅路基)：路面寬度為26 m，路基高度為3 m，路基邊坡坡度取1.0:1.5，路基兩側(cè)計(jì)算寬度為坡腳外30 m，計(jì)算深度為地表以下30 m；窄幅整體式路基(下面簡(jiǎn)稱窄幅路基)的路面寬度為13 m，其余尺寸與寬幅整體式路基的相同；分離式路基路面寬度為13 m，兩幅路基之間隔離帶寬度分別取2，5，10，15，20，30 和50 m，其余尺寸與寬幅整體式路基的相同。整體式和分離式路基計(jì)算模型如圖1所示。其中，區(qū)域I為路基填土，區(qū)域II為碎石亞砂土，區(qū)域III為礫砂，區(qū)域IV為亞黏土，區(qū)域V為砂巖夾泥巖，各層具體參數(shù)如表1所示[13]。此外，為方便分析分離式路基溫度場(chǎng)分布規(guī)律，將其分為1-1和1-2兩部分進(jìn)行研究。

1.2 控制微分方程

對(duì)于土層計(jì)算區(qū)域，由于熱傳導(dǎo)項(xiàng)遠(yuǎn)大于熱對(duì)流項(xiàng)(為2~3 個(gè)數(shù)量級(jí))，故忽略土體凍結(jié)和融化過(guò)程中的熱對(duì)流，僅僅考慮土骨架、介質(zhì)水的熱傳導(dǎo)以及冰水相變作用，并采用顯熱容法處理含水介質(zhì)的相變問(wèn)題。假設(shè)含水介質(zhì)相變發(fā)生在溫度區(qū)間(θm±Δθ)，考慮溫度間隔Δθ效應(yīng)，認(rèn)為介質(zhì)在正凍和未凍時(shí)的體積比熱容Cf和Cu以及導(dǎo)熱系數(shù)λf和λu與溫度無(wú)關(guān)，因此，帶相變非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)問(wèn)題的熱量平衡控制微分方程表示為[14-15]：

圖1 整體式和分離式路基計(jì)算模型Fig.1 Computation models of integral embankment and separated embankment

表1 路基模型土層的熱物理參數(shù)Table1 Thermal physical parameters of soil layers in embankment model

式中：Ce*和λ*e分別為土體等效體積比熱容和等效導(dǎo)熱系數(shù)；Cf和λf分別為凍土的體積比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)；Cu和λu分別為融土的體積比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)；Lw為水的相變潛熱；w和wu分別為凍土的總含水量和未凍水含量；θm為水介質(zhì)相變溫度；θ為溫度。

1.3 初始條件和邊界條件

根據(jù)青藏高原長(zhǎng)期的觀測(cè)資料及附面層理論[16]可知，天然地表、路基邊坡、瀝青路面的溫度變化均符合三角函數(shù)規(guī)律，若未來(lái)50 a 青藏高原氣溫升高約2.6 ℃[17]，則計(jì)算區(qū)域的熱邊界條件可表示為

式中：θ0為天然地面下附面層底的年平均溫度；A'為溫度邊界的年振幅；th為時(shí)間；α0為相位角，取決于路基修筑完成時(shí)間；當(dāng)th=0，α0=0時(shí)，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)段的初始日期為7月15日；Δθrate為年平均溫度升溫速率，本文取0.052 ℃/a。模型下界面KJ深度處的熱流密度q=0.06 W/m2；設(shè)定路基坡腳兩側(cè)外30 m 處邊界為絕熱邊界，即ANMLK和FGHIJ邊界的溫度梯度為0 ℃/m。

已有研究表明[18-20]，多年凍土區(qū)路基工程的熱穩(wěn)定性與年平均地溫密切相關(guān)。依據(jù)多年凍土年平均地溫的不同，青藏高原多年凍土區(qū)可劃分為4個(gè)區(qū)域：I 區(qū)為高溫極不穩(wěn)定區(qū)，即年平均地溫θcp≥-0.5 ℃；II區(qū)為高溫不穩(wěn)定區(qū)，即年平均地溫-1.0≤θcp＜-0.5 ℃；III區(qū)為低溫基本穩(wěn)定區(qū)，即年平均地溫-2.0≤θcp＜-1.0 ℃；IV 區(qū)為低溫穩(wěn)定區(qū)，即年平均地溫θcp＜-2.0 ℃。本文選取典型年平均地溫分別為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃的區(qū)域(對(duì)應(yīng)年平均氣溫分別為-3.0，-3.5，-4.0和-4.5 ℃)進(jìn)行研究，計(jì)算天然地表、路基邊坡和瀝青路面的年平均溫度θ0和年振幅A'如表2所示[10,16,21]。

將不考慮升溫的天然地表溫度方程(4)作為熱邊界條件進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算，直至得到穩(wěn)定的溫度場(chǎng)為止，此時(shí)得到的7月15日溫度場(chǎng)作為天然土層的初始溫度，而路基填土區(qū)域的初始溫度設(shè)定為該時(shí)間淺地表土層的年平均溫度。

1.4 模型驗(yàn)證

在多年凍土區(qū)，青藏高速公路尚未修建，缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行路基模型及參數(shù)的合理性驗(yàn)證，故選取不同年平均地溫區(qū)域下天然場(chǎng)地的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[22-24]與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。由圖2可以看出：計(jì)算獲得的多年凍土天然上限處于實(shí)測(cè)年平均地溫區(qū)域多年凍土上限范圍內(nèi)，說(shuō)明建立的數(shù)值模型、選用的參數(shù)以及邊界條件能夠用于多年凍土區(qū)高速公路路基熱狀況的計(jì)算分析，所得計(jì)算結(jié)果也可為工程建設(shè)提供參考。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 寬幅和窄幅路基對(duì)多年凍土的熱影響

在多年凍土區(qū)，工程修筑打破了原地表的熱量收支平衡狀態(tài)，引起下部多年凍土熱狀況發(fā)生改變，導(dǎo)致多年凍土融化及路基病害(不均勻沉降、裂縫等)的產(chǎn)生。計(jì)劃修筑的青藏高速公路具有寬幅高填方、黑色瀝青路面、厚重封閉路面層等結(jié)構(gòu)特征，勢(shì)必引起更大范圍的多年凍土退化。為研究路基尺度效應(yīng)對(duì)下部多年凍土的影響程度，將高溫極不穩(wěn)定(-0.5 ℃)、高溫不穩(wěn)定(-1.0 ℃)、低溫基本穩(wěn)定(-1.5 ℃和-2.0 ℃)這幾種年平均地溫下凍土區(qū)的寬幅和窄幅路基下部土體熱狀況進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 不同位置熱邊界參數(shù)Table2 Thermal boundary parameters of different surfaces

圖2 多年凍土上限計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison between the calculated and measured results of permafrost table

在數(shù)值計(jì)算中，不考慮路基兩側(cè)的陰、陽(yáng)坡效應(yīng)，所以，可選取1/2計(jì)算模型進(jìn)行研究。年平均地溫分別為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃區(qū)域的寬幅和窄幅路基修筑后第50年10月下部土體溫度場(chǎng)分布情況如圖3所示，其中，X為距路基中心的水平距離，Y為距地面的垂向距離。由圖3可見(jiàn)：在相同年平均地溫情況下，寬幅路基對(duì)下部多年凍土的熱影響程度明顯比窄幅路基的大，尤其是-0.5 ℃的年平均地溫區(qū)域多年凍土退化程度最嚴(yán)重，路基下部形成范圍較大的融化盤。通過(guò)對(duì)比-0.5，-1.0，-1.5 和-2.0 ℃這4 種年平均地溫區(qū)域的寬幅和窄幅路基，得到寬幅路基中心下部多年凍土上限分別為-17.42，-12.71，-10.47，-8.10 m，凍土上限下降速率分別為0.299，0.207，0.166和0.125 m/a；窄幅路基中心下部多年凍土上限分別為-14.69，-9.05，-6.80和-5.50 m，凍土上限下降速率分別為0.244，0.134，0.093 和0.073 m/a；除0 ℃等溫線外，路基下部20 m 深度范圍內(nèi)，寬幅路基多年凍土等溫線所對(duì)應(yīng)的深度均低于窄幅路基同一等溫線的深度。由此可見(jiàn)，寬幅路基多年凍土上限和地溫變化幅度比窄幅路基的顯著，而且多年凍土上限和上限下降速率均與年平均地溫有關(guān)，如高溫凍土區(qū)(年平均地溫大于-1.0 ℃)的多年凍土退化程度比低溫凍土區(qū)的大。

無(wú)論是寬幅路基還是窄幅路基的修筑，均能夠引起下部多年凍土地溫顯著升高。年平均地溫分別為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃區(qū)域的寬幅和窄幅路基修筑前以及修筑后第5，25，50年10月份中心下部6 m 深度土體地溫變化情況如圖4所示。由圖4可見(jiàn)：在不同年平均地溫區(qū)域中，在路基修筑初期(第5年)，寬幅路基和窄幅路基對(duì)下部多年凍土地溫的影響程度相差較小，但隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，寬幅路基的“聚熱效應(yīng)”對(duì)下部多年凍土的影響程度顯著增強(qiáng)，尤其是路基修筑后第50年，年平均地溫為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃區(qū)域的寬幅路基中心下部6 m深度土體地溫比窄幅路基的分別高0.61，0.87，0.82，0.48 ℃，并且除低溫基本穩(wěn)定(-2.0 ℃)凍土區(qū)的窄幅路基外，多年凍土地溫均變?yōu)檎郎亍＝Y(jié)合寬幅和窄幅路基下部多年凍土熱狀況，發(fā)現(xiàn)在4種年平均地溫情況下，寬幅路基相比窄幅路基對(duì)下部多年凍土熱影響顯著，其產(chǎn)生的融化區(qū)可直接導(dǎo)致路基失穩(wěn)，不利于工程安全，尤其是高溫極不穩(wěn)定(-0.5 ℃)多年凍土區(qū)處于嚴(yán)重的退化狀態(tài)。因此，擬建青藏高速公路應(yīng)考慮使用分離式路基進(jìn)行修筑。

2.2 分離式路基對(duì)多年凍土的熱影響

2.2.1 不同年平均地溫區(qū)域的分離式路基多年凍土熱狀況分析

圖3 寬幅及窄幅路基修筑后第50年下部土體溫度場(chǎng)分布Fig.3 Soil temperature distributions beneath wide and narrow embankments in the 50th operation year

圖4 寬幅和窄幅路基中心下部6 m深度土體地溫變化Fig.4 Variations in soil temperature at 6 m depth beneath the centerline of wide and narrow embankments

在數(shù)值計(jì)算中，不考慮路基兩側(cè)陰陽(yáng)坡效應(yīng)，兩幅分離式路基下部土體溫度場(chǎng)呈對(duì)稱分布，下文均選取分離式路基1-1區(qū)域進(jìn)行研究。圖5所示為在4種年平均地溫區(qū)域條件下，不同隔離帶寬度的分離式路基修筑后第50年10月份下部土體0 ℃等溫線分布情況。由圖5(a)可見(jiàn)：當(dāng)隔離帶寬度為2 m 時(shí)，4 種年平均地溫區(qū)域的分離式路基對(duì)下部多年凍土的熱影響具有顯著差異，其中，0 ℃等溫線形態(tài)變化表明路基兩側(cè)溫度場(chǎng)存在嚴(yán)重的不對(duì)稱分布，而且隨著年平均地溫的升高，0 ℃等溫線變化深度以及不對(duì)稱程度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；但隨著隔離帶寬度的增加，-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃年平均地溫區(qū)域的分離式路基下部0 ℃等溫線的不對(duì)稱性逐漸減??；當(dāng)隔離帶寬度為20 m 時(shí)，多年凍土溫度場(chǎng)的不對(duì)稱現(xiàn)象基本消失，說(shuō)明隔離帶寬度的增加能夠弱化兩幅分離式路基之間的相互熱干擾。此外，如圖6所示：分離式路基修筑后第50年，-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃年平均地溫區(qū)域分離式路基下部15 m 多年凍土地溫發(fā)生顯著升溫，尤其是高溫極不穩(wěn)定(-0.5 ℃)凍土區(qū)出現(xiàn)正溫，并受到隔離帶寬度的顯著影響。結(jié)合圖5和圖6發(fā)現(xiàn)低溫凍土區(qū)路基下部多年凍土升溫幅度比高溫凍土區(qū)的大，但低溫凍土區(qū)多年凍土上限下降幅度比高溫凍土區(qū)的小，這說(shuō)明在高溫凍土區(qū)，路基修筑所吸收的熱量主要貢獻(xiàn)于多年凍土上限(0 ℃等溫線)的下降，而在低溫凍土區(qū)，主要用于下部多年凍土的升溫，使得其多年凍土上限下降幅度比高溫凍土區(qū)的小。因此，擬建青藏高速公路可使用分離式路基來(lái)代替整體式路基進(jìn)行修筑，但考慮到兩幅分離式路基之間的相互熱干擾作用，選擇合理的隔離帶寬度至關(guān)重要。

2.2.2 多年凍土上限不對(duì)稱分析

通過(guò)分析不同年平均地溫和隔離帶寬度條件下分離式路基下部多年凍土的熱狀況，發(fā)現(xiàn)隔離帶寬度越小的分離式路基相互熱干擾作用越強(qiáng)烈，路基兩側(cè)多年凍土上限差別也越大。年平均地溫為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃條件下隔離帶寬度為2 m的分離式路基中心及左右坡腳多年凍土上限隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的變化關(guān)系如圖7所示。由圖7可見(jiàn)：路基修筑初期(第2年)，年平均地溫分別為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃的區(qū)域路基中心下部多年凍土上限發(fā)生不同程度的抬升，分別抬升約0.36，0.83，0.88 和0.88 m；隨著年平均地溫的降低，多年凍土上限維持抬升的時(shí)長(zhǎng)顯著增加，這是因?yàn)槎嗄陜鐾辽舷薜奶熬S持是以消耗下部土體的冷能為代價(jià)，與低溫凍土區(qū)相比，高溫凍土的冷能儲(chǔ)量相對(duì)較少，大部分用于抵消路基修筑所產(chǎn)生的吸熱量，能夠貢獻(xiàn)于上限抬升的冷量有限，進(jìn)而導(dǎo)致其多年凍土上限抬升幅度及速率比低溫凍土區(qū)的?。淮送?，在路基修筑后第10年，高溫極不穩(wěn)定(-0.5 ℃)凍土區(qū)路基左右坡腳多年凍土上限差值明顯比其他年平均地溫區(qū)域的要大，上限差值達(dá)到0.59 m，但低溫基本穩(wěn)定(-2.0 ℃)凍土區(qū)不僅左右坡腳多年凍土上限差值較小，而且路基中心多年凍土上限仍處于抬升狀態(tài)。這是因?yàn)楦邷貎鐾翆?duì)溫度變化較為敏感，多年凍土冷能儲(chǔ)量較少，不足以抵消路基填土所帶來(lái)的熱量和上限抬升所需要的冷量，并且極易受到兩幅分離式路基之間的相互熱干擾，從而導(dǎo)致左右坡腳多年凍土上限差值較大。

隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，無(wú)論是高溫凍土還是低溫凍土，路基中心及左右坡腳多年凍土上限均增大，而且左右坡腳多年凍土上限差值也相應(yīng)增大。路基修筑后第50年，年平均地溫分別為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃的區(qū)域路基中心多年凍土上限分別為-15.75，-9.87，-7.49和-6.28 m，左右坡腳多年凍土上限差值分別為4.52，2.98，1.91 和1.12 m。由此可見(jiàn)，在不考慮路基陰陽(yáng)坡效應(yīng)前提下，不同年平均地溫區(qū)域的分離式路基對(duì)下部多年凍土的熱影響程度存在顯著差別，不僅表現(xiàn)在路基中心多年凍土上限的變化，而且左右坡腳多年凍土上限差值也受到年平均地溫的影響，即路基兩側(cè)的不對(duì)稱性與年平均地溫有關(guān)。

圖5 不同年平均地溫和隔離帶寬度下分離式路基修筑后第50年0 ℃等溫線分布Fig.5 0 ℃isotherm distribution beneath separated embankment in the 50th operation year under condition of different annual mean ground temperatures and separating strip widths

圖6 不同年平均地溫和隔離帶寬度下分離式路基修筑后第50年中心下部15 m深度土體地溫Fig.6 Soil temperatures at 15 m depth beneath the centerline of separated embankment in the 50th operation year under the condition of different annual mean ground temperatures and separating strip widths

為量化分析兩幅分離式路基之間相互熱干擾作用所引起路基兩側(cè)多年凍土上限的不對(duì)稱程度，研究分離式路基修筑后第50年，不同年平均地溫區(qū)域的分離式路基左右坡腳多年凍土上限差值隨隔離帶寬度的變化，如圖8所示。由圖8可見(jiàn)：左右坡腳上限差值受到隔離帶寬度和年平均地溫的顯著影響，隨著隔離帶寬度的增加和年平均地溫的降低而減小。當(dāng)年平均地溫為-0.5 ℃時(shí)，隔離帶寬度為2 m的分離式路基左右坡腳多年凍土上限存在嚴(yán)重的不對(duì)稱分布，差值達(dá)到4.52 m；當(dāng)隔離帶寬度增加到20 m 時(shí)，左右坡腳多年凍土上限差值顯著減小，約為0.14 m；當(dāng)年平均地溫為-2.0 ℃時(shí)，隔離帶寬度為2 m的分離式路基左右坡腳多年凍土上限差值為1.12 m，而隔離帶寬度增加到5 m 時(shí)，左右坡腳上限差值減小到0.12 m。之后，隨著隔離帶寬度的增加，左右坡腳上限差值均小于0.10 m，說(shuō)明年平均地溫對(duì)路基兩側(cè)多年凍土上限的不對(duì)稱分布具有很大影響，尤其是高溫凍土區(qū)的路基兩側(cè)表現(xiàn)出較為嚴(yán)重的不對(duì)稱性。若左右坡腳多年凍土上限差值小于0.10 m，則認(rèn)為分離式路基兩側(cè)溫度場(chǎng)不對(duì)稱分布可以忽略，年平均地溫分別為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃區(qū)域的分離式路基不存在相互熱干擾，所對(duì)應(yīng)的隔離帶寬度區(qū)間分別為20~30，15~20，10~15 和5~10 m?？梢?jiàn)，兩幅分離式路基之間合理的隔離帶寬度與年平均地溫存在較大關(guān)系。

2.2.3 多年凍土地溫不對(duì)稱分析

圖7 隔離帶寬度為2 m的分離式路基中心及左右坡腳多年凍土上限變化曲線Fig.7 Changing curves of permafrost table beneath the centerline,left and right slope feet of separated embankment with separating strip width of 2 m

圖8 不同年平均地溫區(qū)域的分離式路基修筑后第50年左右坡腳多年凍土上限差值變化曲線Fig.8 Changing curves of permafrost table beneath the left and right slope feet of separated embankment in the 50th operation year at regions with different annual mean ground temperatures

為分析兩幅分離式路基之間相互熱干擾作用對(duì)下部多年凍土地溫的影響，分別研究年平均地溫為-0.5，-1.0，-1.5 和-2.0 ℃時(shí)隔離帶寬度為2 m的分離式路基中心及左右坡腳下部6 m深度土體地溫隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的變化，如圖9所示。由圖9可見(jiàn)：無(wú)論是高溫凍土區(qū)還是低溫凍土區(qū)，路基修筑后，多年凍土地溫均呈現(xiàn)出明顯升高，而且瀝青路面吸收的熱量主要聚集于路基中心，使得中心下部多年凍土地溫升溫幅度較大。隔離帶寬度較小的分離式路基之間存在強(qiáng)烈的相互熱干擾作用，導(dǎo)致路基右坡腳多年凍土地溫升溫幅度比左坡腳的大。當(dāng)年平均地溫為-0.5 ℃時(shí)，路基修筑初期下部多年凍土升溫幅度比其他年平均地溫區(qū)域的小，而且左右坡腳多年凍土地溫差值也相對(duì)較小。但在路基修筑后第30年，路基下部多年凍土地溫顯著升高，左右坡腳地溫差值也逐漸增大，到第50年時(shí)，路基中心及右坡腳下部6 m 深度多年凍土地溫升高到1.72 ℃，左右坡腳地溫差值達(dá)到0.94 ℃。隨著年平均地溫降低，分離式路基修筑后第50年中心及左右坡腳多年凍土地溫逐漸減小，年平均地溫為-1.0，-1.5和-2.0 ℃區(qū)域路基中心下部多年凍土地溫分別為0.80，0.30 和0.04 ℃，左右坡腳多年凍土地溫差值分別為0.68，0.33 和0.23 ℃，說(shuō)明分離式路基修筑對(duì)下部多年凍土的影響程度與年平均地溫有關(guān)。

圖9 隔離帶寬度為2 m的分離式路基中心及左右坡腳土體地溫變化曲線Fig.9 Changing curves of soil temperatures beneath the centerline and slope feet of separated embankment when separating strip width is 2 m

分離式路基左右坡腳下部多年凍土地溫差值可用來(lái)表示路基兩側(cè)溫度場(chǎng)的不對(duì)稱程度，同時(shí)也可反映出兩幅分離式路基之間的相互熱干擾程度。不同年平均地溫區(qū)域的分離式路基修筑后第50年左右坡腳下部6 m深度多年凍土地溫差值隨隔離帶寬度的變化曲線如圖10所示。由圖10可見(jiàn)：分離式路基左右坡腳下部多年凍土地溫差值受到隔離帶寬度和年平均地溫的顯著影響，尤其是隔離帶寬度較小的兩幅路基之間相互熱干擾作用較為強(qiáng)烈，導(dǎo)致路基左右坡腳下部多年凍土地溫呈現(xiàn)出嚴(yán)重的不對(duì)稱，而且高溫凍土區(qū)的不對(duì)稱程度比低溫凍土區(qū)的顯著，更加容易引起路基不均勻變形、裂縫等病害的發(fā)生。隨著年平均地溫升高，分離式路基左右坡腳多年凍土地溫差值逐漸增大，尤其是高溫極不穩(wěn)定(-0.5 ℃)凍土區(qū)的分離式2 m路基兩側(cè)多年凍土地溫差值達(dá)到0.94 ℃，但隨著隔離帶寬度的增加，左右坡腳地溫差值逐漸減小，即兩幅路基之間的相互熱干擾作用減弱。此外，從左右坡腳下部6 m深度多年凍土地溫差值來(lái)看，年平均地溫為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃區(qū)域的分離式路基不發(fā)生相互熱干擾對(duì)應(yīng)的隔離帶寬度均為20 m。

圖10 不同年平均地溫區(qū)域的分離式路基修筑后第50年左右坡腳多年凍土地溫差值變化曲線Fig.10 Changing curves of soil temperatures beneath the left and right slope feet of separated embankment in the 50th operation year at regions with different annual mean ground temperatures

3 結(jié)論

1)寬幅路基相比窄幅路基具有強(qiáng)烈的吸熱特性，導(dǎo)致其下部多年凍土上限、上限下降速率以及地溫升溫幅度均比窄幅路基的大，而且路基修筑對(duì)下部多年凍土的熱影響程度與年平均地溫有關(guān)，即年平均地溫越高，多年凍土退化越嚴(yán)重。

2)分離式路基修筑對(duì)下部多年凍土的影響程度隨年平均地溫的降低和隔離帶寬度的增加而減??；在高溫凍土區(qū)，路基修筑帶來(lái)的熱量主要消耗于多年凍土上限的降低，而在低溫凍土區(qū)，路基修筑帶來(lái)的熱量主要作用于下部多年凍土的升溫。

3)分離式路基之間存在相互熱干擾現(xiàn)象，導(dǎo)致兩幅路基相鄰一側(cè)的多年凍土退化嚴(yán)重，造成路基兩側(cè)溫度場(chǎng)的不對(duì)稱分布，但隨著年平均地溫的降低和隔離帶寬度的增加，這種不對(duì)稱程度逐漸減小，而且當(dāng)隔離帶寬度大于20 m 時(shí)分離式路基下部多年凍土溫度場(chǎng)的不對(duì)稱現(xiàn)象可以忽略，即兩幅路基不存在相互熱干擾現(xiàn)象。

4)分離式路基能夠有效弱化整體式路基所引起的聚熱效應(yīng)，但仍然對(duì)下部多年凍土存在較大的熱影響，并不能避免多年凍土的升溫和退化，也不能保證路基工程的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性。因此，擬建青藏高速公路的修筑必須考慮冷卻降溫措施的應(yīng)用，且有必要開(kāi)展針對(duì)高等級(jí)公路自身特點(diǎn)的降溫措施研究。