多年冻土地区路基温度场分布的探讨

马宝灵 赵绪涛 何晓东

0 引言

多年冻土地区公路的路基采取路堤的形式,路堤的修建改变了地表形态,破坏了原有的水热平衡条件,使得路堤以及附近土层的温度场在空间和时间上发生了很大的变化,直接影响了路基的稳定性。因此,模拟路堤温度场的分布特点及其变化规律,具有重要的工程指导意义。本文在综合考虑了温度边界条件、热流密度边界条件、对流换热边界条件以及路基蓄热作用的情况下,对年平均气温为-5.2℃的五道梁地区,东南—西北和南—北两个不同走向,高度为1.0 m,1.5 m,2 m,2.5 m,3 m,3.5 m,4 m,4.5 m,5 m的路堤瞬态温度场进行有限元计算分析,并结合工程实际,得出路基温度场具有如下的分布特点。

1 温度分布特点

1.1 路堤温度场普遍存在的非对称性

冻土地区路堤的温度场受到诸多因素的影响,其浅层土体典型的温度场分布具有非对称[1,2]的特点,具体情况如下。

1.1.1 空间上的非对称性

1)路堤不同部位同一深度的温度由高到低依次是:路面,阳面路肩,阴面路肩,阳面边坡,阴面边坡,原地面;同一深度处路堤阴阳面附近的地面处的温度基本相同;阳面边坡处的温度高于阴面边坡处的温度;阳面路肩处的温度高于阴面路肩处的温度;而路面的温度最高;其中阴坡面和阳坡面上的差异最为显著,如图1所示。

2)对于同一高度的路堤来说,其非对称性特点在同一路基部位不同的深度具有如下的特点:随着深度的加深温度的变化幅度在逐渐减小;左右边坡的温度差异在逐渐减小;温度线逐渐趋向于对称;达到最低和最高温度的时间出现明显的滞后[3],见图2。

1.1.2 时间上的非对称性

1)由于受到气温逐年升高的影响,路堤的温度也存在逐年升高的趋势,尽管气温的变化很微小,但还是能够在温度场中体现,可见气温对冻土影响的显著性。2)路基表面处土层温度场的非对称性差异有冬季强,夏季弱的特点;随着深度的加深其变化则是在土层自身温度最低的时候变化强,温度最高的时候变化弱,如图2所示。3)路堤修筑好后,随着时间的推移,路堤的温度场也将逐年发生变化,路基表面温度的变化跟气温的变化较为一致,随着温度的增大,其温度出现相应程度的增加;深处土层的温度在开始的一段时间里出现的程度逐渐减小的增大,随后就趋向于稳定的状态,如图3所示。

1.1.3 产生的工程影响

冻土路堤中温度场的非对称性分布对路基的稳定性极其不利。在冻结期,阴坡面下的土层总是先冻结,并且冻结的深度也比阳坡面下的大;在融化期,阴坡面下的土层却总是后融化,并且融化深度比阳坡面下的小。这就使得阴坡面下的冻结土层厚度大于阳坡面下的,冻结土层在横向的厚度差别可导致路基出现冻胀变形,从而使路基出现纵裂等病害。导致这种非对称性的主要原因是热边界条件的不对称性,阴坡面、阳坡面、路肩、路面在吸收热量方面均存在显著的差异,因此,在设计计算分析中,考虑路基外界因素的差异并模拟实际边界条件进行计算是十分必要的。

1.2 非对称性与路堤高度和路基的走向的关系

1)与路堤高度的关系。对于低路堤,其高度较低,路堤的横断面较小,使得路堤的热阻较小,对外部温度变化的响应迅速,无法阻止热量向下的传递,融深不断下降;随着路堤高度的增加,其热阻不断增大,边坡面积增大,散热效果好,路堤的年最高温度随着路堤高度的增加而降低,所以将路堤高度提高到一定的程度能起到保护冻土的作用,但是也并非越高越好,超过临界高度[5]会对工程的稳定性产生不利影响;而路堤阴阳坡面的温度差异却随着路堤高度的增加而增加,主要是由于路堤的增高,导致了阴阳坡面边界条件的差异增大,从而使得阴阳坡面的差异变大。

2)与路基走向的关系。路基的走向是影响多年冻土地区路基温度场的一个重要因素,由于走向的不同,其阴阳坡效应[1]程度不同,即路基的左右边坡的日照时间、太阳辐射吸收量、积雪厚度与覆盖的时间,以及受到主导风速影响的对流条件等因素的差异不同,导致了路堤温度场阴阳面的差异不同。通过对计算的分析来看,东—西走向的差异最为显著;东南—西北走向的路基的差异明显;南—北走向的路基,除了受到季节性风向引起的对流换热的不对称而产生的微小的温度差异外,温度基本上是对称的。

2 结语

本文通过对多边界条件冻土路堤的有限元分析,得出路堤温度场的分布在空间和时间上具有非对称性,以及这种非对称性与路堤高度、路堤走向的关系。路堤温度场的非对称性导致路堤不同部位土体的冻结、融化的时间先后以及深度存在着差异,极易出现纵向裂缝等病害;因此,对冻土路堤温度场边界条件的分析具有显著的工程指导意义。

[1] 汪海年.青藏高原多年冻土地区路基温度场研究[D].西安:长安大学,2004:5.

[2] 黄显贵,韩永强,王铁行.新筑冻土路堤温度场的变化过程[J].西安工业学院学报,2002,22(4):37-39.

[3] 王铁行,窦明健.多年冻土地区路堤热差异分析[J].煤田地质与勘探,2004,32(1):70-73.

[4] 窦明健,胡长顺,何子文,等.青藏公路多年冻土段路基病害分布规律[J].冰川冻土,2002,24(1):11-15.

[5] 王铁行.多年冻土地区路基计算原理及临界高度研究[D].西安:长安大学,2000:6.