高含冰量多年冻土区复合路基工程措施效果研究

雍国武才

(中国交通建设股份有限公司第二公路工程局有限公司 西安 710065)

1 引言

世界范围内多年冻土面积约3.6×106km2，占全球陆地面积的25%，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国、美国和蒙古等国家［1］。在我国，多年冻土区总面积达2.15×106km2，占国土面积的 22.4%，其中有70%约1.49 ×106km2分布于青藏高原［2］。多年冻土的特殊性在于长期处于0℃以下并含有冰，导致其温度和未冻水含量受环境温度变化影响较大。特别是在季节性冻结融化过程由于土体中水分的变化常导致土体体积发生变化，使土体本身产生冻胀和融沉变形［2］。因此，在多年冻土区修建工程，不能按处理松软土、膨胀土等特殊土一样采用换填方式来提高基础稳定性。因为冻土在自然冻结状态下具有很高的强度，若采用换填措施，将打破多年冻土与外界环境的稳定的热交换条件和水热输运过程。这一扰动过程将使路基下土体温度不断升高、多年冻土融化，使路基工程出现融沉为主的病害问题［3-4］。特别是在高地温、高含冰量冻土区，伴随着冻土的蠕变变形将进一步加大沉降变形量［5］。

针对多年冻土对温度变化十分敏感的特性，在冻土区修建工程主要选择人为改变热交换条件和水热输运过程使其向温度降低的方向发展，形成了以主动保护冻土为主的设计原则，即多年冻土地基在建设过程和建筑物运营的整个时期保持冻结状态［6-7］。青藏高原独特的地理构造特征使其广泛分布有高海拔多年冻土，依据保护冻土原则，针对青藏铁路的建设，提出了以调控热的对流、传导、辐射为理论基础的主动冷却路基、降低多年冻土温度的设计新思路:通过遮阳板调控辐射;通过通风管、热管和块石路堤调控对流;通过改变路基高度或采用保温材料调控传导;通过这些调控方式的组合，加强冷却效果，以保证路基热稳定性［8］。青藏铁路设置块石通风路基路段达120 km，热棒路段或热棒增强措施路段合计近百公里。从青藏铁路试验段监测资料来看，这些措施对于降低多年冻土温度、提高路基稳定性作用明显，实际证明热棒和块石工程措施效果良好［9-12］。

柴达尔至木里地方铁路(柴木铁路)地处青藏高原西北侧，是中国继青藏铁路后又一条修建于高原多年冻土区的铁路。柴木铁路沿线地区海拔较高，气候严寒，属于我国高海拔山区多年冻土地带。沿线多年冻土分布随海拔高度变化明显，从零星岛状多年冻土、岛状多年冻土再到片状连续多年冻土，多年冻土的连续性增加。同青藏铁路相比，柴木铁路最大的特点是所在区域降雨较多，地表沼泽湿地发育，同时，主要以富冰、饱冰冻土为主，冻土含冰量整体较高，局部地段地层下甚至发育有含土冰层。另外，柴木铁路走向接近南北向，线路左右两侧热扰动不同容易导致路基内部温度场不均匀而出现阴阳坡效应，导致路基出现横向裂缝。参考青藏铁路的成功经验，柴木铁路主要采用块石和热棒保护措施，这些措施是否能在这一高含冰量冻土区取的满意效果需要进一步验证。

2 试验场地概况

柴木铁路地处青藏高原西北部祁连山南麓，线路起点热水(100°25'E，37°35'N)，终点木里(99°11'E，38°08'N)，呈东南-西北走向，全长142 km，线路所处区域海拔3 800¯4 300 m，气候严寒。图1给出了柴木铁路沿线冻土年平均地温变化情况，热水到木里海拔由3 800 m升高至4 300 m，年平均地温由－0.5℃降至－2.0℃，冻土层下限深度也由28 m降低至大于50 m，按地温梯度推算，木里冻土下限深度为90 m左右。

图1 柴木铁路沿线深孔地温曲线Fig.1 Ground temperature changes along Chaimu Railway

柴木铁路高含冰量多年冻土监测场地主要分布于江仓至木里段(DK99+500¯DK125+000)，试验断面布设工作自2007年1月开始，于2007年3月完成。图2为监测场附近2009¯2010年日平均气温变化图，记录显示，该区域暖季最高日平均温度15℃，冷季最低日平均温度－22℃，极端最低温度－31.4℃，极端最高温度24.3℃。

图2 监测场地日均气温变化图Fig.2 The daily average temperature of the monitor site

根据含冰量不同及地形坡度差异，主要采用块石路基和热棒块石复合路基两种措施柴木铁路热管路基主要位于江仓至木里段，监测场地所处区域地形坡度较大，在3¯6°左右，路基走向295°。该处地表植被发育，冻胀草丘密布，分布有较多积水坑。冻土年平均地温－1.3℃左右，属于低温基本稳定多年冻土，冻土上限在1.5 m左右，冻土含冰量极高，其中DK123+150断面所在区域冻土含冰量大于20%，DK114+800断面右侧天然孔的钻探结果，表层1.0¯3.0 m的冻土含冰量高达30%¯40%，底部10.5¯15.6 m为含土冰层，含冰量达60%¯90%。各断面详细情况见表1。

表1 柴木铁路高寒冰量多年冻土监测场断面情况Table 1 Features of three test sections with high ice content along Chaimu Railway

每个试验断面布设有4个测温孔(内置测温线)和一条路基面测温线，其中左右坡脚测温孔深8 m，左右路肩测温孔深13.0 m，路基面测温线布设于路基面下0.5 m深度处，图3给出了各试验断面测温线布置详图。同时，距离每个断面右侧20.0 m处布设15.0 m深天然孔。热棒路基统一采用直插布设方式，阳坡布置两列，分别位于坡脚和保温护道缘上，阴坡坡脚布设一列。热棒长7.0 m，直径89 mm，埋深5.5 m，其中散热段长1.5 m，蒸发端长4.0 m;块石路基主要是路基基底布设一层1.2 m厚的块石层(图4)。

图3 试验段路基测温线布置图Fig.3 Arrangement of boreholes with temperature measuring cable

图4 热管块石复合路基现场断面布设图Fig.4 In-situ section arranged thermosyphons and crushed rock structure

3 路基试验断面温度场监测结果

图5为块石路基DK123+150断面温度场变化情况，路基建成于2007年，到2008年10月，路基下部右侧多年冻土人为上限开始上升，右坡脚位于阴坡，多年冻土人为上限已接近地表，左坡脚孔多年冻土人为上限稍有下降;2009年，路肩下部多年冻土人为上限继续抬升，右路肩处多年冻土人为上限已上升至地表，左路肩下多年冻土人为上限虽也上升，但比右路肩上升幅度要小;2010年，路基右侧底部多年冻土人为上限仍在上升，但路基左侧坡脚地温继续升高，路基温度场不均匀性不断增加。

图6为热棒块石复合路基DK114+730断面的温度场图，该断面处于斜坡上，2008年10月，路基本体内的等温线左低右高，具有左侧阳坡、右侧阴坡特征。这种阴阳坡特征在零温度线上也有反映，左坡脚零温度线的深度距离天然地表1.5 m左右，而右坡脚的零温度线距离天然地表不到1 m;2009年，阴阳坡特征依然存在，零温度线也同样是左侧深度较大而右侧深度较小，路基右侧路肩以下部分等温线已开始出现被抬升的趋势，路基下部地温场已趋于均匀;2010年，路基右侧零温度线抬升明显，同时，左右坡脚下部地温继续降低，左侧坡脚下－1.0℃等温线已经较2008年抬升了3 m左右。

2008年到2010年，DK114+730断面路基下部的温度场发生了较明显的变化，整个路基断面零温度线略有升高，路基右侧升幅较左侧大，同时，－1.0℃等温线也不断被提升，路基左右两侧下部在2010年开始出现了－1.5℃等温线。DK114+730断面零温度线以下各等温线的变化表明，路基下部整体范围内冻土的冷储量在增加。

图5 DK123+150断面温度场图Fig.5 Isotherms of ground temperatures in foundation soils equipped with crushed rock at DK123+150

图7为热棒块石复合路基DK114+800断面的温度场图，2008年到2010年，从地温曲线的相对位置来看，路肩监测断面温度场具有显著的阴阳坡特征，路基左侧出现高温季节融土核，在原天然地表以下的路基横断面范围内，零温度线从左坡脚至右坡脚深度减小，路基右侧阴坡侧零温度线从2008年开始出现抬升，到2010年已抬升了将近0.3 m。同时，路基左右两侧坡脚附近等温线提升幅度较路基正下方明显，图中显示路基右侧－1.0℃等温线大幅升高;在2010年，坡脚附近甚至出现了－1.5℃等温线。从零温度线下不同等温线的提升状况来看表明，路基自两侧坡脚向路基中心部位的冷储量有所增加，热管块石复合路基对增强路基的热稳定性作用明显。

图6 DK114+730断面温度场图Fig.6 Isotherms of ground temperatures in foundation soils equipped with crushed rock and thermosyphons at DK114+730

4 试验场地工程措施效果分析

为了解不同措施下高含冰量冻土区路基热稳定性特征，可通过分析路基本体下冻土天然上限(0℃线)附近地温变化情况来得到。冻土天然上限最高地温一般保持为0℃，如果路基修建后天然上限处最高地温升高说明路基下冻土发生融化，路基稳定性变差，反之，天然上限处地温降低说明路基下冻土在达到新的平衡状态下上限得到抬升，路基稳定性增强，图5¯图7均反映了路基下冻土天然上限得到抬升。为分析路基采用不同措施后地温随时间变化情况，图8给出了块石路基DK123+150试验断面地表以下冻土天然上限附近地温变化曲线，试验场地冻土天然上限深度1.3 m，左路肩天然地表以下0.8 m、1.8 m 地温基本保持不变，右路肩同样深度处地温较左路肩低，且随着时间的发展地温逐渐降低，与左路肩同一深度处地温相比差值增大，到了2010年，左路肩天然地面下1.8 m处地温低于左路肩同一深度地温0.6 ℃。

图7 DK114+800断面路基温度场Fig.7 Isotherms of ground temperatures in foundation soils equipped with crushed rock and thermosyphons at DK114+800

图9为热棒块石复合路基DK114+730断面路肩孔冻土天然上限附近地温随时间变化过程曲线，在1.2 m深度处，左路肩和右路肩下地温均大于0℃，且左路肩地温较右路肩地温高0.4℃左右。到了2009年，1.2 m深度处地温明显降低，右路肩地温接近0℃，左路肩地温较右路肩差值缩小，相差不到0.1℃。冻土天然上限下左右路基1.7 m深度处地温基本保持稳定，差值右0.2℃左右逐渐缩小至不到0.1 ℃。

图8 DK123+150路肩孔冻土天然上限(1.3 m)处地温变化图Fig.8 Ground temperature variations at different depths in shoulder boreholes at DK123+150

图9 DK114+730路肩孔冻土天然上限(1.5 m)处地温变化图Fig.9 Ground temperature variations at different depths in shoulder boreholes at DK114+730

DK123+150断面仅采用块石路基保护措施，并没有采用热棒增强措施，但图8却直观反映出其降温效果较热棒块石复合措施要好，首先为左右路肩下天然冻土上限附近地温均低于0℃;其次是右路肩温度下降幅度较大，从2008年到2010年，右路肩天然冻土上限附近较原来降低了0.3℃。图9反映的热棒块石复合措施地温较稳定，尤其是1.7 m处地温基本保持不变。分析原因首先是通风效果上存在差别，该区域2、3、4月风速较大较大，最大月平均风速6.4 m/s，主导风向为WNW向，DK123+150断面所在区域场地空旷，通风效果较好，块石内对流作用较强。DK114+730断面所在场地处于山坡侧洼地，通风效果较差，因此块石内对流作用较差，导致其作用效果不太明显。另一个关键的原因是DK114+730断面地层下含冰量远大于DK123+150断面，含冰量多少直接决定了地下冷能储量的大小，冷能储量越大，对外界气温影响波动越小。通过对DK123+150断面附近不同含冰量下冻土地温进行监测，发现同一区域相距比较近的钻孔由于含冰量的不同，年平均地温出现较大差值(图10)。

图10 DK123+150断面附近不同含冰量钻孔地温曲线Fig.10 Curves of ground temperature with different ice content

为进一步分析不同工程措施的降温效果，图11给出了两种类型路基断面左右坡脚孔1.5 m深度处地温变化图。图中显示，自2008年到2010年，块石路基试验断面DK123+150左坡脚(阳坡侧)温度逐渐升高，右坡脚温度降低作用不太明显，基本保持稳定，但左右坡脚温差逐渐变大，最大温差接近6℃，反映了路基内部温度场不均匀性在增大，没有达到消除因路基走向而引起的阴阳坡现象的目的。而热棒块石复合措施路基试验断面DK114+730左右坡脚温度都有降低趋势，并且变化规律相同，温差基本保持稳定在2℃以内，对保持路基内部温度场均匀性作用明显。

由于监测场地含冰量较大，使得冻土工程地质条件极差，采用热管块石复合措施来冷却路基，能够起到保证路基内温度场均匀性、提高冻土路基的稳定性效果明显。可见热管块石复合措施应用于高含冰量斜坡湿地上能达到增强路基热稳定性的作用。

5 试验场地路基沉降变形分析

图11 不同工程措施左右坡脚1.5 m深度处地温变化情况Fig.11 Curves of temperature changing with time in toe boreholes(at depth of 1.5 m)

图12 不同措施路基断面沉降过程曲线Fig.12 Curves of settlement development process in shoulders

图12为反映了不同措施下路基左右路肩沉降过程曲线。总体上看，热棒块石复合措施路基两个监测断面的沉降变形量非常小，基本上都在小于6 cm，路基的沉降过程波动较小，个别观测点的沉降变形升高或降低可能是观测误差所致;左路肩沉降变形量大于右路肩，最大相差将近2 cm，这种对比关系与温度分析结果一致;从变形趋势来看，试验断面DK114+730、DK114+800的变形都趋于稳定，沉降变形量随着时间的增加应该不会有大的增加。

块石路基监测断面DK123+150变形量较热棒块石复合路基大2 cm左右，左路肩最大变形量达到6.5 cm，且左右路肩变形量差值接近3 cm，从变形趋势来看，沉降变形量随着时间的增加可能还会增加。从三个断面的变形情况来看，左右路肩沉降变形特点从另一个方面反映了路基内温度场不均匀性对路基稳定性的影响情况，复合措施路基对保持路基热稳定性效果明显。

6 结论

通过分析高含冰量多年冻土区路基主动保护措施工程效果，结论总结如下:

(1)块石和热棒措施对保护高含冰量多年冻土区护路基热稳定性作用明显，能够起到抬多年冻土上限，降低地温的效果。

(2)路基单纯采用块石措施不能起到消除近东西向路基下部温度场不均匀性的作用，表现为左坡脚地温升高，右坡脚温度降低，导致同一深度处温差扩大。

(3)热棒块石复合路基较块石路基对消除路基下部温度场不均匀性作用明显，通过采用阳坡侧布设两排热棒、阴坡侧布设一排热棒的措施保证了路基左右两侧地温降低幅度保持一致。

(4)路基内部温度场不均匀性大小直接导致左右路肩沉降变形量差，路肩内部温度场不均匀性越大，沉降变形量差值越大。

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