漠北公路多年冻土路基地温监测及其影响研究

周卫滨 符进 张会建

摘 要：漠北公路是世界上第一条在高纬度高寒地区修建的高速公路。通过对漠北公路多年冻土区典型断面路基温度场的观测研究，分析寬幅路基的修筑对路基稳定性的影响。研究发现，该断面路基的主要变形应发生在路基体下5-8m处。研究成果对高纬度多年冻土区高等级公路的发展等具有重要的意义。

关键词：漠北公路；多年冻土；路基温度场；监测及分析

引言

漠北公路作为世界上第一条在高纬度高寒地区修建的高速公路，全线多年冻土路段总长达到16.95km，约占全线的21%。沿线多年冻土以多冰冻土、富冰冻土和饱冰冻土为主，冻土分布及含冰量状况较为复杂。针对东北高纬多年冻土的现状及其对气候变化和工程活动相叠加作用下的响应，依托漠北公路工程开展东北高纬度冻土路基地温及变形监测，并分析路基温度场变化对路基稳定性的影响，可以了解高纬度多年冻土区、宽幅路基条件下，冻土路基温度场的分布规律，进而分析宽幅路基的修筑对路基稳定性的影响[1-3]。本研究成果不仅可为以后东北高纬度多年冻土区修筑更多的高等级公路提供技术支撑和事实依据，同时对东北高纬度多年冻土区高等级公路路基路面病害的防治，以及东北高等级公路的发展等具有重要的意义。

1 试验断面的选择

通过对漠北公路沿线多年冻土路段调查，针对路基热融下沉问题，结合国内外相关先进技术，并根据沿线冻土条件、路基设计和施工方案及旧路病害状况，选择具有代表性的K6+200试验断面，从而对漠北公路多年冻土路基的热稳定性进行分析。K6+200监测断面，处于低洼地地段，地势平坦。路基两侧植被发育良好，矮灌木茂密，无大型针叶、阔叶树木，路基两侧有少量积水。冻土类型为富冰多年冻土，属于Ⅲ级融沉冻土。该段冻土上限约1.5～2.3m，下限为6.5～7.2m。新修路面为一级公路，路面加宽，设计方案为填筑50cm土方后，铺设两层钢塑复合土工格栅，双侧设置护坡道，填土路基高度约5m，属于高路基。

2 地温监测断面布设情况

图1为K6+200地温监测断面测点布设图，分路中、左路肩、右路肩、左行车道路中、右行车道路中、左坡脚、右坡脚、天然孔，共8个地温测量孔。其中，路中、路肩孔13m深，前5m每米1个测温探头，5m以下每0.5m一个测温探头；坡脚孔、天然孔8m深，每0.5m一个测温探头。地温数据采用自动数采仪数据自动采集，采集频率为每天一次。

图1 K6+200地温监测断面测点布设示意图

3 温度场分析（如图2所示）

（a）2010年10月 （b）2010年12月

（c）2011年3月 （d）2011年6月

（e）2011年10月 （f）2012年3月

图2 K6+200路基横断面随时间变化的温深曲线图

图2为K6+200路基横断面在不同时间的温深变化曲线图，从图2（a）中可以看出，2010年10月该路基下的人为上限大约在9-11m的范围内，且呈现出两端高，中间低的凹型分布，该形态为多年冻土区高路基典型病害-融化夹层；从图中可以看出，在2010年10月至2011年10月一年的时间里，随着冷暖季节不断的交替，路基上部土体的季节活动层与下部的冻土上限之间形成了一个厚达7-9m的融化夹层；对比2（a）、（e）两图，可以发现，经过一年的时间，路基下的多年冻土人为上限从9-11m退化到10-12m，且路基中间部分退化趋势更为明显；对比2（c）、（f）两图，可以发现，3月份季节活动层的下限从2011年的4-5m下降到2012年的5-6.5m，而多年冻土人为上限也从10-12m退化到12m以下。左路肩的0℃锋面变化不大，但路中及右路肩的0℃锋面出现了大幅的下移，这是因为冬季路中及右路肩带入的冷量不能及时冷却夏季路基体内的热量，剩余的热量不断的向下层冻土扩散，造成底层冻土的融化。从图2（d）中可以发现，在暖季该断面右路肩0℃锋面产生了明显的大福上移，这就是夏季太阳辐射对路基下温度场的直接影响。但到了2011年10月（图2（e）），该断面右侧路基的人为上限只比2010年10月的人为上限下移了0.5m左右，说明该断面太阳辐射并不是影响路基温度场的主要因素。漠北公路于2009年5月开工建设，第一次地温测试时间为2010年10月，而此时的多年冻土上限已由原来的3m左右下移到到9-11m，扣除5m填土路基高度，多年冻土上限下移深度为1-3m。2011年10月时，多年冻土上限深度为10-12m，且路中下移幅度要大于两侧路基。路基下多年冻土上限在路基修筑过程中就大幅的下移，说明该地区的多年冻土极不稳定。多年冻土天然上限与下移后的人为上限间形成了一个含水量极为丰富的软弱层，在路基荷载的作用下，该软弱层会发生较为严重的变形，并影响到路基整体的变形。

4 结束语

（1）漠北公路一年当中只在夏季有大量的太阳辐射，而在一年的其他时间，气温较低、太阳辐射时间短。而且公路走向大致为南北走向，路基左右侧所受的太阳辐射量差别不是很大，公路所受阴阳坡效应不是很明显。（2）路基下多年冻土上限在路基修筑过程中就大幅的下移，说明该地区的多年冻土极不稳定，多年冻土天然上限与下移后的人为上限间形成了一个含水量极为丰富的融化夹层，在路基荷载的作用下，该软弱层会发生较为严重的变形，并影响到路基整体的变形。该段路基的主要变形应发生在路基体下5-8m处及各部位的上限附近。（3）在路基横断面方向上，左侧路基位于迎风面，冷季可以带入更多的冷量，多年冻土人为上限基本能保持平衡。但路基右侧及路中，由于得不到足够的冷量来平衡暖季吸收的热量，冻土上限处于一种持续退化的状态，因此形成了较为明显的软弱层，有可能形成较大的变形，从而产生纵向裂缝、边坡滑塌等病害。

参考文献

[1]孙志忠，马巍，温智，等.青藏铁路多年冻土区普通路基地温监测及其预测分析[J].铁道学报，2010（3）：71-76.

[2]符进，李俊，唐晓星.高纬度多年冻土区路基温度场规律研究[J].中外公路，2014，2：46-51.

[3]符进，陈建兵，章金钊.东北岛状多年冻土区公路路基清基试验研究[A].

*通讯作者：符进，男，高级工程师。