那曲-羊八井季节性冻土区高...公路路基温度场变化规律研究_何先志.pdf

引用格式：何先志，曾超，高智清，等那曲羊八井季节性冻土区高速公路路基温度场变化规律研究安全与环境工程，（）：，y y d ，（）：那曲羊八井季节性冻土区高速公路路基温度场变化规律研究何先志，曾超，高智清，张卫，万豪杰，张茹星（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 ；中国地质大学（武汉）教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，湖北 武汉 ；山东正元建设工程有限责任公司，山东 济南 ）摘要：季节性冻土在温度的正负变化下会给公路路基的稳定性带来安全隐患。西藏那曲地区季节性冻土分布广泛，那曲羊八井段高速公路贯穿季节性冻土区，为明确该路段的温度场分布变化特征，通过对那曲羊八井段典型路基断面展开温度、含水率现场监测，依据 年的地温资料进行回归分析，并结合室内试验对监测断面地温振幅、滞后时间和土体热扩散系数等进行分析。结果表明：监测断面地温整体在外界气温的波动下大致呈正弦曲线状变化，地温振幅随深度的增加而减小，并且伴随着滞后时间的顺延，路基在 深度处的每米滞后时间约为，路基在 深度处的每米滞后时间约为 ；监测断面不同位置土体热扩散系数的不同导致地温对气温的响应程度不同，路基土体的热扩散系数为 ，对气温的响应最明显，地基土体的热扩散系数为 ，对气温的响应较弱；路基的修建增加了对热量的吸收，在路基中形成一个高温区，通过两侧边坡和坡脚向外散热；路基内部土体含水率较低，且不存在明显的水分迁移；对称式的路基结构不存在明显的阴阳坡效应。据此可以判定该路基监测断面整体不存在因冻胀产生不均匀变形引发路基失稳的安全隐患。关键词：季节性冻土；温度场；滞后时间；热扩散系数；路基稳定性；那曲羊八井段高速公路中图分类号：文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：中交第二公路勘察设计研究院有限公司科技研发项目（）作者简介：何先志（），男，教授级高级工程师，主要从事公路工程勘察设计方面的研究工作。：通讯作者：曾超（），男，硕士，教授级高级工程师，主要从事公路工程勘察设计与特殊岩土、特殊路基处治设计方面的研究工作。：o o o o ，（.d y y，d .，d.，；.d y d ，y （），；.d y .，d.，）：y ，y y y y ，y ，y 第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 y ：y ，y ，；y y y ，y ，；，；，；y y y ；y y o ：；y；y 近年来，随着全球气温上升及人为工程活动的增加，青藏高原地区冻土有加速退化的倾向。冻土是一种对温度变化特别敏感的特殊工程土类，冻土的导水、导热、力学等特性会在气温的正负交替变化下而改变，其结果将直接引发土体内部温度场、水分场的重新分布，进而改变原本平衡的应力场，给冻土区的人类工程活动带来安全隐患。这其中，季节性冻土位于地表浅层的位置特点以及在季节变化下的反复冻融特性，给冻土区的生活和工程建筑物带来的危害最大。以季节性冻土区公路路基为例：一方面，在冬季外界负气温条件影响下，地表土层中的孔隙水会冻结成冰，同时在负温度梯度作用下产生的剩余分子引力和渗透压力会使下部未冻土层中的水分源源不断地向上部冻结区迁移、聚集，最终在地表土层中形成一个冰透镜体，导致路基出现大幅度隆胀变形；另一方面，到春季冻土开始解冻时，路基中上部先于下部开始融化，融化后的水在下渗的过程中被下部还处在冻结状态的土体阻隔，使得大量的水分在路基内部聚集，导致路基稳定性降低。在道路荷载的叠加作用下，路基出现不均匀变形、冻胀开裂、翻浆、纵裂、横裂，路面出现波浪、坑槽、松散及局部沉陷的现象。这些都使得道路的通行效率大大降低，在威胁行车安全的同时，还极大地降低了道路的使用寿命。本文以高海拔季节性冻土地区那曲羊八井段高速公路为研究对象，通过路基地温、含水率进行现场监测，掌握监测断面路基温度场的分布情况及其变化规律，并采用非线性回归方法对 年的地温监测资料进行分析，探究监测断面振幅、滞后时间和热扩散系数等的变化规律，以明确该路段高速公路在修建及后续营运过程中是否会产生失稳变形的安全隐患。现场监测1.1研究区概况那曲羊八井段高速公路是国道 线那曲至拉萨公路改建工程的一部分，位于西藏自治区那曲县境内。该地区属高原亚寒带半干旱季风气候区，平均海拔高程在 以上，气候寒冷、空气稀薄，四季不分明，冬季较长且基本无夏季，多风雪天气，年平均气温在左右；年平均降水量在 左右，月份为雨季，的降雨集中在这两个月份，月份以后天气逐渐变冷，次年月份气温开始升高。那曲羊八井段高速公路所在地区为构造、剥蚀地貌（低山丘陵），山势平缓，山峰稀少，无明显的峡谷峻岭，地势相对较高、基岩面较浅，地表堆积了厚度不大的坡积角砾、碎石，局部基岩裸露。该地区属怒江水系，地表水系不发育，区内鲜见溪流、河曲、湖泊、沼泽、水塘和泉。区内地下水较发育，补给源为山区冰川、雪融水及大气降水，主要以地下径流的方式排泄，局部以泉的形式溢出地表，并以地表径流的方式排泄，部分消耗于地面蒸发。区内地下水流向为北东向，主要通过母各曲地表径流排泄。道路沿线特殊性岩土主要为季节性冻土，受气第期何先志等：那曲羊八井季节性冻土区高速公路路基温度场变化规律研究候影响，一般 月份开始上冻，次年月份开始化冻，至月份基本融化。冻土的形成受地形地貌、地下水以及表层土细粒成分含量的控制，主要分布于低洼的沼泽内、水塘边以及局部冲洪积平原表层黏粒含量较高的地段，最大冻土深度为。1.2监测系统那曲羊八井 路段季节性冻土分布广泛，道路沿线四周零星分布有水塘、小溪沟以及出露的泉，地下水较为丰富。结合 断面钻孔勘察资料，地表至地表以下 深度处被草皮以及腐殖层覆盖，呈灰褐色，稍密饱和，含大量植物根系，岩芯可见冰粒，其含量约为，冻土成分为腐殖质土；地表以下 深度处为角砾土，呈暗黄色，中密，颗粒级配良好，颗粒磨圆度差，多呈尖棱角状，颗粒母岩成分主要为砂岩及板岩。在路基修建过程中，该路段地表以下深度处土层已被砾石和片石换填，并经过压实处理。本研究选择在该断面 处展开对冻土路基的现场监测，监测断面以路堤的形式修建，路面宽度为，边坡比例为，填方高度为，整体呈对称式结构。结合监测断面呈对称式分布，故在监测断面坡脚、路肩、路基中线对称设置了个钻孔用于温度和含水率监测（孔），如图所示（图中仅展示了孔）。具体传感器布设如下：路肩（、孔）和路基中线（孔）共布设个温度监测点，分别在路基面下、处，共布设个含水率监测点，分别在路基面下、处；坡脚（、孔）共布设个温度监测点，分别在地面下、处，共布设个含水率监测点，分别在地面下、处；在断面控制箱处放置一个温度传感器测量监测断面的气温。13 m6.7 m1#孔2#孔3#孔温度传感器含水率传感器温度+含水率传感器图监测断面传感器布设图 y 温度监测采用铂热电阻 温度传感器，其测量范围为 ，精度为 ；土体含水率监测采用 土壤含水率传感器，其工作原理是根据土壤介电常数与水分之间的关系，测量以探针为中心直径 、高 的圆柱体的土壤体积含水率，量程为 ，精度为。整个监测系统采用太阳能供电的形式，通过数据采集系统实现对传感器监测数据的采集和存储，数据采集时间间隔为 ，并用 无线模块将监测数据同步上传至云端服务器。监测结果分析 断 面 温 度、含 水 率 监 测 系 统 于 年 月下旬建立完成，随即开始对路基土体的温度和含水率进行监测。鉴于 的监测时间间隔十分密集，在数据分析过程中为了便于作图和分析，对 年全年的监测数据进行了日平均和月平均处理。2.1温度监测结果分析 日平均温度分析 年月日至 年 月 日不同位置各深度处日平均地温与气温时程曲线的对比，如图所示。因孔与孔、孔与孔在断面上呈对称式分布，温度变化规律也较为相似，故不对和孔进行分析。通过对比不同位置各深度处日平均地温与气温的时程曲线（见图）可以看出：越接近地表，地温对气温的响应越明显，地温表现出与气温相似的跳跃性，但随着深度的增加，地温对气温的响应便越微弱；不同位置相同深度处地温对气温的响应程度略有差异，如和孔在 深度处地温对气温的响应程度明显强于孔，而孔各深度处地温对气温的响应程度略强于孔。总体来说，孔不同深度处地温对气温的响应程度最大，孔不同深度处地温对气温的响应程度最小。路基大致在月份期间解冻，其中和孔的解冻时间明显早于孔；路基在 月下旬开始冻结，和孔的冻结时间明显晚于孔，冻结过程一直持续到第二年。在冻结深度区段内，地温在外界温度的影响下变化剧烈，路基经历了完整的融冻过程，而冻结范围以外的区段，没有经历融冻过程，一直处在正温状态。月平均温度分析 年月日至 年 月 日不同位置各深度处月平均地温与气温时程曲线的对比，如安全与环境工程 ：第 卷气温0.4 m1.0 m1.8 m2.8 m4.0 m5.4 m不同深度处地温3020100102030-温度/060120180240300360时间/d地 a 1#孔地 c 3孔#气温不同深度处地温0.5 m1.5 m2.9 m4.7 m060120180240300360时间/d地 孔b 2#3020100102030-温度/060120180240300360时间/d3020100102030-温度/气温不同深度处地温0.5 m1.5 m2.9 m4.7 m图 年全年不同位置各深度处日平均地温与气温时程曲线的对比 y y 图所示。通过对比不同位置各深度处月平均地温与气温的时程曲线（见图）可以看出：不同深度处月平均地温时程曲线大致呈现正弦曲线状波动。随着外界气温的变化，在月份和 月份期间，断面外界气温低于土体内部温度，整体处于放热状态；从月份开始，外部气温不断回升，在 月份期间，断面外界气温高于土体内部温度，整体处于吸热状态，以月份为例，路基土体处于吸热状态，地温随着深度的增大而减小，随着 月份断面进入放热阶段后，气温先是低于 深度处地温，再低于 深度处地温，到最后低于 深度处地温，这个过程中 深度处地温也是如此，最终地温呈现出随着深度的增加而增大的趋势。气温气温气温不同深度处地温0.4 m1.0 m1.8 m2.8 m4.0 m5.4 m-201001020-温度/-201001020-温度/-201001020-温度/456789 10 11 12时间123456789 10 11 12123456789 10 11 12123不同深度处地温0.5 m1.5 m2.9 m4.7 m不同深度处地温0.5 m1.5 m2.9 m4.7 m地 c 3孔#地 孔b 2#地 a 1#孔时间时间图 年全年不同位置各深度处月平均地温与气温时程曲线的对比 y y 地温深度分析 年月日至 年 月 日不同位置月平均地温随深度的变化曲线，如图所示。由图可以看出：不同位置月平均地温的波动振幅随深度的增加而递减。地温极值分析、和孔地温极值，见表。由表可知：不同深度的地温在达到最高温度和最低温度的时间上并不相同，表现出随深度的增加，地温达到最高温度和最低温度的时间向后推迟的现象；且不同位置地温极值与年较差之间存在差异，孔的地温极值和年较差均最大，孔最小。此外，由表还可知，孔地温出现负温的最大深度大于，和地温孔出现负温的最大深度均大于 。但需要说明的是，出现负温并不意味着土体会进入冻结状态，土体是否冻结还与土质、含水率等因素有关。第期何先志等：那曲羊八井季节性冻土区高速公路路基温度场变化规律研究1357911月月月月月月份份份份份份0123456-20-1001020深度/m温度/()a 1#孔()孔b 2#(c 3)孔#-20-1001020温度/-20-1001020温度/1357911月月月月月月份份份份份份1357911月月月月月月份份份份份份012345-深度/m012345-深度/m图 年全年不同位置月平均地温随深度的变化曲线 y 表地温极值表 钻孔深度最低地温距第一天天数最高地温距第一天天数地温年较差 孔 孔 孔 年平均地温分析、和孔年平均地温，见表。表年平均地温表 钻孔深度 年平均地温 钻孔深度 年平均地温 钻孔深度 年平均地温 孔 孔 孔 由表可知：孔的年平均地温随深度的增加而增大，在一年中处于放热状态，其中 和