路面类型对多年冻土区片块石路基热状态的影响

引言
冻土退化对于青藏高原高等级公路建设与运营管理造成了重大影响，路基工程的热、力 学稳定性和与冻土环境间的相互影响都需要关注和维护。而在对于热扰动尤为敏感的高温 多年冻土地区，路基下伏多年冻土接近 0 ℃的高温及持续不断的热积累会造成多年冻土的 持续融化，应尽可能选择主动冷却的工程措施。 随着公路运输业的发展，多年冻土地区修筑公路等级的提高已成为必然趋势，这就使得 路面类型由较低等级的砂砾路面逐渐向较高等级的沥青混凝土路面（ACP）和水泥混凝土路 面（CCP）转变。研究表明，不同路面类型对路基的热稳定性影响状况不同。在多年冻土地区铺设沥青路面后，由于吸放热的不平衡，黑色路面下伏冻土层正积温增加，加速了 路基病害的进程。而水泥混凝土路面吸热量较沥青路面小，且养护简单，在多年冻土地区部 分公路也有应用。

观测场地
观测场地多年冻土区公路建设与养护技术交通行业重点实验室青海研究观测基地（上海昌吉冻土研究观测基地）位于共玉高等级公路沿线，地理位置坐标为98°34′05″E， 34°58′28″N，平均海拔4260m，年平均气温为-3℃，该地气候具有年平均气温低、气温年较 差小、气温日较差大、冻结期长、太阳辐射异常强烈的气候特点。
片块石路基铺设沥青、水泥混凝土路面，片块石层厚度1 m，片块石平均粒径10 cm，路 基上部填料为粗颗粒土，铺设30 cm砂砾反滤、过滤层和土工布以防止填土进入片块石层闭塞空隙。为监测片块石路基地温特征，每个断面设置5个测温孔，如图4，路基中心孔深20 m，左 右路肩孔深15 m，左右坡脚孔深10 m，另设置天然孔1个，距路基坡脚20 m且无人为活动扰 动的地方，孔深20 m。测温孔自表面起沿深度方向每个0.5 m或1 m的间距布设一个温度探头， 而温度数据采集频率为每天4次，时间分别为02:00，08:00，14:00，20:00。

结果分析
地温变化
不同地面类型表面的温度是研究地表和大气之间物质交换和能量交换的重要参数，它综 合了地气相互作用和能量交换的结果。为路面以下0.5 m处片块石路基中心孔的温度，可 以看出沥青混凝土路面和水泥混凝土路面都对路基浅层温度有较大的影响。
（1）沥青混凝 土路面下年平均温度为2.6 ℃，明显大于水泥混凝土路面和天然地基的年平均温度，其值分 别为-0.47 ℃和-0.18 ℃。大部分时间沥青混凝土路面下的温度高于水泥混凝土路面，其差值处于0.07~5.32 ℃之间，即沥青混凝土路面对路基浅层地温的影响程度远比水泥混凝土路 面大。
（2）地温季节差异性较为明显，即暖季差异比冷季大。暖季，沥青混凝土路面下路 基中心孔0.5 m深度处地温比同一深度处天然孔地温高出约1.86~11.94 ℃，水泥混凝土高出 0.29~8.79 ℃；冷季，与天然地基相比，沥青混凝土路面下片块石路基中心孔平均温度温差 处于-0.77~1.27 ℃，而在水泥混凝土路面下其温差处于-0.23~0.51 ℃。这类现象的产生，原 因有很多，主要是因为温度对沥青混凝土路面的影响较大，夏季气温高，太阳辐射强，沥青 混凝土路面的升温速率、幅度较冬季快的多；而温度对水泥混凝土的路面影响较小，从而导 致这两种路面的下片块石路基浅层的差异暖季明显比冷季大。
热流密度
（1）在天然地表以下 0.5~1.5 m 深度内，天然地基下热流表 现出周期性的、吸热期长而平缓的特征，而不管是水泥混凝土路面还是沥青混凝土路面，片 块石路基中心的热流通量并未表现出明显的周期变化，吸热过程持续的时间和吸收的热量均 大于放热过程，说明路基基本处于吸热状态，热收支会呈现正平衡。可以看到，不管是天然 地表还是片块石路基，吸热量总是大于放热量，热收支呈现正平衡。
（2）但天然路堤、路 基填土存在热物理性质的差异，导致片块石路基的吸热量和放热量均要小于天然基地的吸热 量和放热量，天然地基吸热热流最大值为 9.49 Wm-2，放热热流最小值为-5.97 Wm-2；水泥 混凝土路面下片块石路基吸热热流最大值 3.16 Wm-2，放热热流最小值为-1.48 Wm-2，对沥 青混凝土路面下片块石路基而言，吸热热流最大值为 4.02 Wm-2，放热热流最小值为-0.77 Wm-2。修筑路基增加了进入土层的热量，但片块石层的存在加强了冷热空气的交换，从而 有效降低了热扰动对多年冻土的热稳定性产生不利的影响。
（3）而路面类型的不同，对进 入原地表以下土体的热量影响显著。与沥青混凝土路面相比，水泥混凝土路面下片块石路基 吸热过程比较平缓、放热期长，吸热热流小、放热热流大。

讨论
上海昌吉地质仪器有限公司面类型下高温多年冻土地区片块石路基的适宜性，选取青海冻土研究观 测基地地气热交换规律试验场中普通路基进行比较。该试验场长180m，宽12.25m，高1.5m， 主要研究地表颜色和地表透水性等试验条件，即路面吸热、隔绝水分深入与蒸发对冻土环境 的影响。但是可以看到，无论路面材料是沥青混凝土或者水泥混凝土，冻土上限处于抬升阶段还 是下降阶段，从2015年到2017年，片块石路基不同位置的下伏多年冻土仍以不同的速率在退化，活动层厚度在不断增大，并未保持稳定，原因除了外界条件，如气候变暖和片块石处于 开放而非封闭状态，风积沙闭塞片块石缝隙导致降温效果减弱外，可能与片块石层的厚度薄 （1.0 m）和粒径小（10 cm）有关。过薄片块石层中空气的循环未能达到最大制冷能力，片块石粒径小不利于热量向外散发，发生自然对流的强度也小。而且无论路面材料是沥青混凝 土或者水泥混凝土，在短期内，片块石路基阴阳坡地温场的非均匀性依然存在，片块石路基 左右路肩热量差异带来的阴阳路肩冻土上限变化差异仍然存在，不一致的变化速率会导致路 基的变形向冻土上限下降速率较快的一侧倾斜，导致两侧路肩变形有差距，路基稳定性受到 影响。建议高温多年冻土地区片块石路基阴阳坡设置不同厚度、粒径的片块石。

结论
高温多年冻土是对热扰动较为敏感的一类冻土，片块石层的存在证明有利于土体热量的 耗散，但由于水泥混凝土、沥青混凝土这两种路面材料吸热特性不同，导致对高等级公路片 块石路基的热稳定性的影响存在差异。沥青混凝土路面对片块石路基温度的影响程度和深度 均大于水泥混凝土路面，且热收支量均大于同样条件下的水泥混凝土路面。但可以看到，单 纯的片块石层的存在和路面类型的改变，并未彻底解决路基热收支平衡问题。片块石路基中心热收支量是处于上升趋势，水泥混凝土、沥青混凝土路面下其上升速率分别为3.58 MJ·a-1 和7.16 MJ·a-1，路基阳坡热收支量远大于阴坡，必然导致片块石路基阳坡升温大于阴坡的现象。