岛状冻土区路基施工前温度变化规律研究

张 冬 何东坡

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

为加快黑龙江省的经济发展，我国在寒区大兴安岭等岛状冻土区需要新建或改建的公路项目越来越多，而目前在大兴安岭岛状冻土区已建道路的主要病害以路面沉陷为主。沉陷主要是由于路基底部冻土受温度影响后融化，承载力降低造成的，因此研究冻土路基的温度变化规律十分必要，可以为冻土路基处理方式的选择提供依据。本文以国道京漠公路岛状冻土区路基工程为依托，进行了路基处理前的温度变化规律的研究，总结了该地区岛状冻土区路基施工前温度变化规律，并给出了本路段的冻土治理的建议措施，而不是针对已出现的冻土路基病害进行补救，可以节约成本，更有针对性的处理问题。

1 依托项目

国道京漠公路樟岭(塔漠界)至西林吉段，路面宽度12 m，双向双车道。位于大兴安岭北部，该地区年平均气温为-4.7 ℃。极端最高气温为35 ℃,极端最低气温为-49.7 ℃，年最高温差可达80多摄氏度[1]，导致该地区的冻土存在形式多为不连续的岛状冻土，热稳定性差[2]，有逐年退化的迹象。在该地区修筑道路时，掌握其冻土温度变化规律十分必要。经过前期勘察，选取了桩号为K409+170～K409+400段岛状冻土进行工前温度变化规律的研究。

2 工前路基温度变化规律

2.1 温度传感器的埋设

在京漠公路岛状冻土区路基施工前预埋了温度传感器，清表后仅覆盖砂砾层冻土路基传感器布设断面位置为桩号K409+200,K409+260,K409+320,K409+380处，共计4个断面，每个断面设置了4个温度孔，具体位置为两侧路基坡脚及左右行车道路中，温度传感器距地表距离依次为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共计11个温度传感器。在原植被保护区冻土设置了2个温度孔，布设断面位置为桩号K409+200和K409+380右侧处，距坡脚10 m距离，同样每个温度孔埋设11个温度传感器。

2.2 温度数据分析

受施工进度的影响，主要采集了9个月的施工前冻土区温度数据，采集的数据的日期为2017年12月、2018年1月～8月。该试验段位于大兴安岭地区漠河县阿穆尔镇，8月过后开始降温，一般在9月中旬下雪、10月、11月该地区进入低温时期，尤其11月份，温度传感器埋设于11月份，地表温度在-30 ℃左右，可以认为季节性冻土在此期间完成回冻，8月份季节性冻土融化接近最大值。依据采集的数据可得到原植被覆盖区冻土温度随时间变化趋势，具体变化形式见图1，图2。

由图1，图2可知原植被覆盖区冻土地表温度变化较大，植被覆盖层具有较好的隔热保温效果，其下冻土可以常年处于负温状态，可以认为不存在季节性冻土层，均为多年冻土层。

依据采集的数据可得到清表后仅覆盖砂砾层冻土温度随时间变化趋势，以K409+200处断面上的温度分布进行说明，其具体变化形式见图3～图6。

清表后覆盖砂砾层约40 cm，从砂砾覆盖层坡脚和两车道路中处冻土温度变化曲线图图3～图6可以看出：

1)在地表以下2.0 m范围，冻土温度受外界温度影响显著，随外界温度的升高而升高，降低而降低，冻土融化自上而下单向进行，在此范围内的冻土温度出现了正温，说明季节性冻土融深能够达到1.5 m，可将这一区间的冻土归为受地温影响显著区。

2)在2 m以下范围内显现出了温度传递的滞后性，纵观整个观测时间段的温度变化趋势，2 m～4 m之间的冻土温度，与地表到2 m之间的冻土温度整体变化规律相似，变化幅度却明显偏小，反映了温度传递的滞后性和衰减性，当季节性冻土融化达到最大值时，外界温度开始降低，冻结开始双向冻结，此时2 m～4 m之间的冻土温度会持续升高，所以会出现12月、1月、2月时期2 m～4 m之间的冻土温度高于0 m～2 m之间的冻土温度和4 m～6 m之间的冻土温度，可将这一区间的冻土归为受地温影响缓冲区。

3)4 m～6 m范围内冻土温度在小范围的负温区间内波动，变化幅度最小,基本维持稳定，受地表温度影响微弱，可将这一区间的冻土归为受地温影响微弱区。

因此可将温度变化传递分为3个区间，0 m～2 m为显著区，2 m～4 m为缓冲区，4 m及以上为微弱区。显著区冻土融化表现为自上而下的单向融化，冻结时则双向冻结[3]，完成冻结后一段时间内，缓冲区的冻土温度则会超过显著区和微弱区冻土温度，然后低于微弱区冻土的温度，随着时间的推移，周而复始。砂砾层不能作为温度保护层，不能有效阻止其下冻土受地表温度的影响，并可能导致多年冻土融化，季节性冻土的融化表现为单向融化，双向冻结，融化下限可接近2.0 m。清表后覆盖砂砾层会导致路基底部冻土融化，若不能采取有效措施，可能会引发路面沉陷等道路病害。

3 该路段地基处理建议

针对该地区特有植被和温度特性，进行原植被和清表覆盖砂砾层可能造成的影响分析，并推荐出合理的处理措施。作为路基，原植被具有良好的保温效果，能够有效阻止地表温度向冻土层下潜，保持原冻土状态，有利于冻土保护，但植被强度不高，植被层范围内容易形成软弱地基[4]，引发路面整体沉陷；清表后覆盖砂砾层，改变了原有的冻土状态，扩大了季节性冻土的深度，会降低整个路基的强度，一旦进入冻土融化阶段，可能会导致路面不平整，出现波浪形路面等病害。综合以上分析，给出初步建议：

1)若进行清表，清表后进行砂砾换填，换填至季节冻深以下，结合本路段的地质勘察资料，给出的建议换填砂砾层厚度为4 m，下接不融沉或弱融沉的多年冻土。相比于清表后直接覆盖砂砾层，解决了路基强度降低的问题，由于该地区的冻土层深度延伸至基岩，不可能将冻土全部换填，存有一定的隐患。

2)若不进行清表，充分利用当地植被保护冻土层的效果，可在植被上层填筑路基前采用块石[5,6]冲击碾压，提升植被覆盖层软弱地基承载力。为加强对冻土的防护，这种方式更适用于高填方路堤[7,8]，且有利于缩短工期，对温度的保护效果依赖性较大。

4 结语

通过对京漠公路施工前原植被覆盖区冻土和清表后覆盖砂砾层冻土的温度变化规律的分析和对比，得出以下结论：

1)原植被覆盖层下冻土温度变化较为缓慢，原植被起到了很好的隔热效果，植被上下的温差0.5 m范围内可达到16.3 ℃。

2)清表后覆盖砂砾层对原状冻土温度分布影响较大，其阻热效果极差，但其影响程度随深度的增加而减小，可以将其影响区分为显著区、缓冲区和弱影响区，显著区深度范围为0 m～2 m，缓冲区深度范围为2 m～4 m，弱影响区深度范围为4 m及以上。

3)对本地岛状冻土区路基处理的方式的建议为：若清表，则需进行冻土路基换填，路基换填深度超过季节性冻深下限，以4 m为宜；若不清表直填，需加强植被覆盖层强度，建议采用块石冲击碾压。