不同填筑材料对公路路堤热稳定性影响的数值分析

白金泉，郑春明，白 璐，李 杰

（1.兴安盟交通运输局综合保障中心，内蒙古 兴安盟 137400；2.内蒙古公路交通投资发展有限公司，内蒙古 呼和浩特 010000 ；3.中交第三公路工程局有限公司，内蒙古 兴安盟 137400）

1 引言

内蒙古东北地区多年冻土融化导致路堤发生融化沉降变形，不仅破坏路堤稳定性，还会导致路面破碎、翻浆和裂缝等次生灾害[1-3]。近几十年来，该区域冻土地温上升速率高于全国平均水平，冻土融化速率加快，路基破坏问题日益凸显[4]。然而，目前常规的处置措施并不能彻底改善冻土路堤的稳定性，进而造成该地区公路病害频发[5，6]。因此，探索适用于该地区的路堤融沉防治措施迫在眉睫[7-10]。

目前，针对多年冻土融化引发的路基沉降问题，国内外已有大量研究[11-14]。其中主要的思路是通过冷却地基的方式提高多年冻土上限，减小冻土融化产生的地基沉降，从而达到改善路基稳定性的目的，典型的工程处置措施包括压填碎石通风路堤、热棒路堤、通风管路堤、碎石护坡路堤等[11，14，15]。同时，为了提高冷却地基的效率，复合式路基成为新的研究方向，典型代表有热棒加碎石护坡路堤结构，通风管加压填碎石通风路堤结构等，上述措施已经开始用于青藏铁路和青藏公路等冻土路基的改建和后期维护，并取得了良好的效果[16，17]。然而，这些措施在东北地区的应用效果却大打折扣[1]，最主要的原因在于东北地区冻土的水热条件和青藏地区差别较大，该区域内多年冻土复杂的水热状况导致上述措施的降温效果大幅降低。

根据Y M Lai 等[18]的研究结果，块石作为一种多孔介质材料，其较低的导热率可有效保护路基下多年冻土。在开放状态下，由近地表空气流动引起的块石孔隙强迫对流可以取得良好降温效果。D J Goering[19]对块石通风路堤的冷却作用和对流机制进行了现场试验，结果发现与自然对流效果相比，块石层中空气的强制对流是冷却效果的主要来源。为了研究块石通风路堤的适用性，研究者进行了大量的室内和现场试验对其降温机制和影响因素进行分析[20，21]，结果发现块石层厚度、研究区内冻土条件和自然环境都对块石层的对流效果和降温效率有重要影响。因此，块石通风路堤的适用性受到较大限制。东北地区地处欧亚大陆多年冻土区南缘，区域内多年冻土退化严重，受西伯利亚高压和大陆季风气候影响，多年冻土水热状况非常复杂，气温低、地温高、含水率大、含冰量低，易受外界环境影响导致物理力学性质极不稳定成为该地区多年冻土的典型特征，解决该地区冻土退化带来的路基融沉问题面临极大挑战。

选择内蒙古S308线伊尔施至柴桥段公路工程作为本文的研究对象，通过数值模拟的方式对比分析了块石和普通填土作为路堤填筑材料时路堤结构的热稳定性，建立了考虑冰水相变的冻土路基传热模型，对项目完成后20 年内路基的温度场进行了数值计算，对比了这两种填筑材料路基结构的地温变化和多年冻土上限变化，并探讨了这两种路基结构的适用性。

2 项目概况

伊尔施至柴桥段公路工程是S308线阿尔山口岸至碾子山公路的重要组成部分，路线总体呈西至东走向，起点位于伊尔施机场路与G331 交叉处，经金江沟、天池、兴安，终点位于柴桥（兴安盟与呼伦贝尔交界处），项目位置如图1所示。项目途经阿尔山生态旅游区、森林旅游区、地质旅游区，是通往旅游景点的一条重要道路，路线全长87.079km。

图1 项目地理位置图

项目区域地质构造以华夏构造体系及新华夏构造体系为主，新华夏构造体系改造、利用、复合并包容了华夏系构造，使区域内地质构造形成极为错综复杂。项目沿线分布有大量多年冻土层，冻土层厚度约为几米至几十米不等，多发于山脚和坡脚处[3，4]。冻土融化可能会引发严重的不均匀沉降变形，从而破坏路堤稳定性[6，22]。

3 研究方法

3.1 几何模型

根据研究断面的几何参数确定几何模型范围，如图2 所示。填筑层厚度为4m，黏土层厚度为3m，强风化玄武岩层为8.8m，中风化玄武岩层取30m。其中，为了对比不同填筑材料对路堤热稳定性的影响，将填筑层材料分为块石（模型1）和普通填土（模型2）两类。

图2 模型几何及计算域划分

3.2 数学模型

考虑水分相变的多孔介质传热模型如下：

式中，T 为温度，℃；t 为时间，h；C*为等效体积热容，J/m3·K；λ*为等效导热系数，W/m·K。

假设冰水相变温度区间为ΔT，则C*和λ*表达式为：

式中，f 和u 分别代表冻结和非冻结状态；C 和λ 分

别为体积热容和导热系数；L 为冰水相变潜热；w 和wu分别为总含水率与未冻含水率。未冻含水率表达式为:

3.3 土层参数

基于现场试验和室内试验结果，土层热物理参数见表1。

表1 土层物理参数

3.4 边界条件

模型的热边界条件为：

式中，T0为年平均温度，℃；A 为温度年变化幅度，℃；th为时间，h；α0为与路堤完成时间对应的相位角，rad；△T为气候变暖速率，取值为0.052℃/年。不同的区域T0和A 取值不同，具体见表2。

表2 不同表面热边界参数

4 结果及讨论

对比不同年份暖季两种路基结构地温分布，如图3所示（a1～a4分别为模型1第5、10、15和20年10月15日地温分布，b1～b4为模型2第5、10、15和20年10月15日地温分布）。当填筑层为块石时，路基完工后前5 年多年冻土上限开始下降，但是随着时间的增加，多年冻土上限逐渐上升，到第20 年时，多年冻土上限高度达到0.12m，高于自然地表。这表明块石路基结构能够提升多年冻土上限，从而减小路基融化沉降量，进而提高路基力学稳定性。当填筑层为普通填土时，随着时间增加，多年冻土上限不断降低，到第20 年时，多年冻土上限高度降至-7.59m。多年冻土上限降低导致冻土融化，进而破坏地基土强度，最终会增大地基不均匀沉降。因此，普通填土路基结构不能改善路基的稳定性，也不适用于该地区路基建设。

图3 路基完工后不同年份10月15日地温分布

对比不同年份冷季两种路基结构地温分布，如图4所示（a1～a4为模型1第5、10、15和20年3月15日地温分布，b1～b4分别为模型2第5、10、15和20年3月15日地温分布）。当填筑层为块石时，路基完工后前5年地基中出现融化夹层，但是随着时间的增加，融化夹层范围逐渐减小。到第20年时，融化夹层完全消失。这表明块石路基结构能够冷却地基，并保护路基下多年冻土，因此该结构能提高路基力学稳定性。当填筑层为普通填土时，随着时间增加，融化夹层范围先减小后增大。到第20年时，融化夹层范围达到最大值。多年冻土融化降低了地基土强度，最终导致地基产生不均匀沉降。因此，普通填土路基结构的热稳定性较差，也不能用于改善路基变形，这种结构不能用于该地区路基建设。

图4 路基完工后不同年份3月15日地温分布

综上所述，填筑层为块石的路基结构能够提高多年冻土上限，减小融化夹层范围。这种结构不仅能改善路基的热稳定性，还能减小路基的融化沉降变形，从而提升路基的力学稳定性。

5 结语

本文以S308线伊尔施至柴桥段公路工程为研究对象，通过数值模拟的方式对比分析了块石和普通填土作为路堤填筑材料时路堤结构的热稳定性，建立了考虑冰水相变的冻土路基传热模型，对项目完成后20年内路基的温度场进行了数值计算，对比分析了这两种填筑材料路基结构的地温变化和多年冻土上限变化。结论如下：

①当填筑层为块石时，路基下多年冻土上限最终高于自然地表，这种结构能减小融化夹层范围，降低冻土地温，从而达到保护多年冻土的目的。因此该结构能够减小路基沉降变形，从而提高路基的力学稳定性。

②当填筑层为普通填土时，路基下多年冻土上限不断降低，多年冻土持续退化，结果导致地基土强度降低，最终增加路基融化沉降量。该结构不能用于提升路基的力学稳定性，也不能用于多年冻土区路基建设。