張 冬 何東坡

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

為加快黑龍江省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)在寒區(qū)大興安嶺等島狀凍土區(qū)需要新建或改建的公路項(xiàng)目越來越多，而目前在大興安嶺島狀凍土區(qū)已建道路的主要病害以路面沉陷為主。沉陷主要是由于路基底部?jī)鐾潦軠囟扔绊懞笕诨休d力降低造成的，因此研究?jī)鐾谅坊臏囟茸兓?guī)律十分必要，可以為凍土路基處理方式的選擇提供依據(jù)。本文以國(guó)道京漠公路島狀凍土區(qū)路基工程為依托，進(jìn)行了路基處理前的溫度變化規(guī)律的研究，總結(jié)了該地區(qū)島狀凍土區(qū)路基施工前溫度變化規(guī)律，并給出了本路段的凍土治理的建議措施，而不是針對(duì)已出現(xiàn)的凍土路基病害進(jìn)行補(bǔ)救，可以節(jié)約成本，更有針對(duì)性的處理問題。

1 依托項(xiàng)目

國(guó)道京漠公路樟嶺(塔漠界)至西林吉段，路面寬度12 m，雙向雙車道。位于大興安嶺北部，該地區(qū)年平均氣溫為-4.7 ℃。極端最高氣溫為35 ℃,極端最低氣溫為-49.7 ℃，年最高溫差可達(dá)80多攝氏度[1]，導(dǎo)致該地區(qū)的凍土存在形式多為不連續(xù)的島狀凍土，熱穩(wěn)定性差[2]，有逐年退化的跡象。在該地區(qū)修筑道路時(shí)，掌握其凍土溫度變化規(guī)律十分必要。經(jīng)過前期勘察，選取了樁號(hào)為K409+170～K409+400段島狀凍土進(jìn)行工前溫度變化規(guī)律的研究。

2 工前路基溫度變化規(guī)律

2.1 溫度傳感器的埋設(shè)

在京漠公路島狀凍土區(qū)路基施工前預(yù)埋了溫度傳感器，清表后僅覆蓋砂礫層凍土路基傳感器布設(shè)斷面位置為樁號(hào)K409+200,K409+260,K409+320,K409+380處，共計(jì)4個(gè)斷面，每個(gè)斷面設(shè)置了4個(gè)溫度孔，具體位置為兩側(cè)路基坡腳及左右行車道路中，溫度傳感器距地表距離依次為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共計(jì)11個(gè)溫度傳感器。在原植被保護(hù)區(qū)凍土設(shè)置了2個(gè)溫度孔，布設(shè)斷面位置為樁號(hào)K409+200和K409+380右側(cè)處，距坡腳10 m距離，同樣每個(gè)溫度孔埋設(shè)11個(gè)溫度傳感器。

2.2 溫度數(shù)據(jù)分析

受施工進(jìn)度的影響，主要采集了9個(gè)月的施工前凍土區(qū)溫度數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)的日期為2017年12月、2018年1月～8月。該試驗(yàn)段位于大興安嶺地區(qū)漠河縣阿穆爾鎮(zhèn)，8月過后開始降溫，一般在9月中旬下雪、10月、11月該地區(qū)進(jìn)入低溫時(shí)期，尤其11月份，溫度傳感器埋設(shè)于11月份，地表溫度在-30 ℃左右，可以認(rèn)為季節(jié)性凍土在此期間完成回凍，8月份季節(jié)性凍土融化接近最大值。依據(jù)采集的數(shù)據(jù)可得到原植被覆蓋區(qū)凍土溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)，具體變化形式見圖1，圖2。

由圖1，圖2可知原植被覆蓋區(qū)凍土地表溫度變化較大，植被覆蓋層具有較好的隔熱保溫效果，其下凍土可以常年處于負(fù)溫狀態(tài)，可以認(rèn)為不存在季節(jié)性凍土層，均為多年凍土層。

依據(jù)采集的數(shù)據(jù)可得到清表后僅覆蓋砂礫層凍土溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)，以K409+200處斷面上的溫度分布進(jìn)行說明，其具體變化形式見圖3～圖6。

清表后覆蓋砂礫層約40 cm，從砂礫覆蓋層坡腳和兩車道路中處凍土溫度變化曲線圖圖3～圖6可以看出：

1)在地表以下2.0 m范圍，凍土溫度受外界溫度影響顯著，隨外界溫度的升高而升高，降低而降低，凍土融化自上而下單向進(jìn)行，在此范圍內(nèi)的凍土溫度出現(xiàn)了正溫，說明季節(jié)性凍土融深能夠達(dá)到1.5 m，可將這一區(qū)間的凍土歸為受地溫影響顯著區(qū)。

2)在2 m以下范圍內(nèi)顯現(xiàn)出了溫度傳遞的滯后性，縱觀整個(gè)觀測(cè)時(shí)間段的溫度變化趨勢(shì)，2 m～4 m之間的凍土溫度，與地表到2 m之間的凍土溫度整體變化規(guī)律相似，變化幅度卻明顯偏小，反映了溫度傳遞的滯后性和衰減性，當(dāng)季節(jié)性凍土融化達(dá)到最大值時(shí)，外界溫度開始降低，凍結(jié)開始雙向凍結(jié)，此時(shí)2 m～4 m之間的凍土溫度會(huì)持續(xù)升高，所以會(huì)出現(xiàn)12月、1月、2月時(shí)期2 m～4 m之間的凍土溫度高于0 m～2 m之間的凍土溫度和4 m～6 m之間的凍土溫度，可將這一區(qū)間的凍土歸為受地溫影響緩沖區(qū)。

3)4 m～6 m范圍內(nèi)凍土溫度在小范圍的負(fù)溫區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，變化幅度最小,基本維持穩(wěn)定，受地表溫度影響微弱，可將這一區(qū)間的凍土歸為受地溫影響微弱區(qū)。

因此可將溫度變化傳遞分為3個(gè)區(qū)間，0 m～2 m為顯著區(qū)，2 m～4 m為緩沖區(qū)，4 m及以上為微弱區(qū)。顯著區(qū)凍土融化表現(xiàn)為自上而下的單向融化，凍結(jié)時(shí)則雙向凍結(jié)[3]，完成凍結(jié)后一段時(shí)間內(nèi)，緩沖區(qū)的凍土溫度則會(huì)超過顯著區(qū)和微弱區(qū)凍土溫度，然后低于微弱區(qū)凍土的溫度，隨著時(shí)間的推移，周而復(fù)始。砂礫層不能作為溫度保護(hù)層，不能有效阻止其下凍土受地表溫度的影響，并可能導(dǎo)致多年凍土融化，季節(jié)性凍土的融化表現(xiàn)為單向融化，雙向凍結(jié)，融化下限可接近2.0 m。清表后覆蓋砂礫層會(huì)導(dǎo)致路基底部?jī)鐾寥诨?，若不能采取有效措施，可能?huì)引發(fā)路面沉陷等道路病害。

3 該路段地基處理建議

針對(duì)該地區(qū)特有植被和溫度特性，進(jìn)行原植被和清表覆蓋砂礫層可能造成的影響分析，并推薦出合理的處理措施。作為路基，原植被具有良好的保溫效果，能夠有效阻止地表溫度向凍土層下潛，保持原凍土狀態(tài)，有利于凍土保護(hù)，但植被強(qiáng)度不高，植被層范圍內(nèi)容易形成軟弱地基[4]，引發(fā)路面整體沉陷；清表后覆蓋砂礫層，改變了原有的凍土狀態(tài)，擴(kuò)大了季節(jié)性凍土的深度，會(huì)降低整個(gè)路基的強(qiáng)度，一旦進(jìn)入凍土融化階段，可能會(huì)導(dǎo)致路面不平整，出現(xiàn)波浪形路面等病害。綜合以上分析，給出初步建議：

1)若進(jìn)行清表，清表后進(jìn)行砂礫換填，換填至季節(jié)凍深以下，結(jié)合本路段的地質(zhì)勘察資料，給出的建議換填砂礫層厚度為4 m，下接不融沉或弱融沉的多年凍土。相比于清表后直接覆蓋砂礫層，解決了路基強(qiáng)度降低的問題，由于該地區(qū)的凍土層深度延伸至基巖，不可能將凍土全部換填，存有一定的隱患。

2)若不進(jìn)行清表，充分利用當(dāng)?shù)刂脖槐Ｗo(hù)凍土層的效果，可在植被上層填筑路基前采用塊石[5,6]沖擊碾壓，提升植被覆蓋層軟弱地基承載力。為加強(qiáng)對(duì)凍土的防護(hù)，這種方式更適用于高填方路堤[7,8]，且有利于縮短工期，對(duì)溫度的保護(hù)效果依賴性較大。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)京漠公路施工前原植被覆蓋區(qū)凍土和清表后覆蓋砂礫層凍土的溫度變化規(guī)律的分析和對(duì)比，得出以下結(jié)論：

1)原植被覆蓋層下凍土溫度變化較為緩慢，原植被起到了很好的隔熱效果，植被上下的溫差0.5 m范圍內(nèi)可達(dá)到16.3 ℃。

2)清表后覆蓋砂礫層對(duì)原狀凍土溫度分布影響較大，其阻熱效果極差，但其影響程度隨深度的增加而減小，可以將其影響區(qū)分為顯著區(qū)、緩沖區(qū)和弱影響區(qū)，顯著區(qū)深度范圍為0 m～2 m，緩沖區(qū)深度范圍為2 m～4 m，弱影響區(qū)深度范圍為4 m及以上。

3)對(duì)本地島狀凍土區(qū)路基處理的方式的建議為：若清表，則需進(jìn)行凍土路基換填，路基換填深度超過季節(jié)性凍深下限，以4 m為宜；若不清表直填，需加強(qiáng)植被覆蓋層強(qiáng)度，建議采用塊石沖擊碾壓。