冰川冻土, 2023, 45(3): 966-979 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0073

寒区工程与灾害

季节冻土山区公路路基阴阳坡效应及其防治措施研究

武立波,1,2, 曹金生1, 牛富俊2, 林战举2, 商允虎2, 胡川1

1.宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021

2.中国科学院 西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000

Study on sunny-shady slope effect and its prevention measures of highway subgrade in seasonally frozen ground mountain regions

WU Libo,1,2, CAO Jinsheng1, NIU Fujun2, LIN Zhanju2, SHANG Yunhu2, HU Chuan1

1.School of Civil Engineering and Water Conservancy，Ningxia University，Yinchuan 750021，China

2.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

收稿日期: 2023-02-28   修回日期: 2023-06-10  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41961011
宁夏回族自治区重点研发计划（引才专项）项目.  2019BEB04010
宁夏回族自治区区级大学生创新创业训练计划项目.  S202110749059

Received: 2023-02-28   Revised: 2023-06-10  

作者简介 About authors

武立波，副教授，主要从事寒区路基工程及岩土工程防灾减灾研究.E-mail：wulibo@nxu.edu.cn , E-mail：wulibo@nxu.edu.cn

摘要

大量工程实践表明，在寒冷山区公路建设过程中，路基阴阳坡效应对冻土区路基的稳定性具有重要影响。以甘肃省南部山区季节冻土路基为例，基于新建宕昌—迭部二级公路试验段的现场监测资料，分析了季节冻土山区公路路基阴阳面的地温和变形差异，提出针对性的两种新型防治措施——措施A（阴坡侧路基下半幅铺设10 cm厚XPS板，阳坡侧路基下半幅铺设6 cm厚XPS板）和措施B（路基下满幅+阴坡坡面铺设6 cm厚XPS板），并通过数值模拟分析了这两种措施控制路基阴阳坡效应的效果。结果表明，在甘肃南部季节冻土山区，山体遮挡作用使公路路基阴阳坡发生转换，对路基横向地温的影响不容忽视，试验段K18+180段阴坡路肩与阳坡路肩地温最大相差6 ℃左右，公路路基横向地温存在显著的阴阳坡效应。地温的横向差异导致公路路基土体冻深和冻胀变形的横向差异，两个试验段路基中心与阳坡路肩的最大季节冻深在第一个、第二个冻结期内均相差约0.8 m和0.9 m，K18+180段阴阳坡路肩冻胀量差值的最大值为2.8 mm，出现在春融初期。路堤高度为1.0 m、2.0 m时，措施A和措施B都能显著地减小公路路基阴阳坡温度差异，并且控制效果明显优于普通措施（满幅铺设8 cm厚XPS板、满幅铺设6 cm厚XPS板）。建议季节冻土山区公路设计时应充分考虑山体遮挡这一局地因素对路基土体冻融状态的影响，并采取阴阳坡两侧差异设计的结构型式，以减少因阴阳坡现象导致的路基病害。研究结果可为季节冻土山区路基阴阳坡效应及其防治研究以及冻害研究提供参考和借鉴。

关键词： 季节冻土山区 ; 阴阳坡效应 ; 防治措施 ; 最大季节冻深 ; 地温 ; 变形

Abstract

With the construction of highway developing in cold mountain regions， it will inevitably face the roadbed sunny-shady slope problems， and the sunny-shady slope effect has an important impact on the subgrade stability in frozen ground area. Taking the seasonally frozen soil subgrade of the mountainous area as an example， based on in-situ ground temperature and deformation monitoring data of two highway test sections along a highway between Tanchang County and Diebu （Tewo） County in southern Gansu Province， the ground temperature difference and deformation difference between the shady and sunny slopes of highway subgrade was studied firstly. In order to control the sunny-shady slope effect， two new measures were put forward， which included Measure A （laying 10 cm thick XPS insulation board in half width range of road with shady slope and 6 cm thick in half width range of road with sunny slope） and Measure B （laying 6 cm thick XPS insulation board in shady slope side and in full width range of road）. The effectiveness of measures was analyzed through numerical simulation secondly. The results show that： （1） The traditional location of sunny and shady slopes of road subgrade would be changed due to be shadowed by the mountains， the obvious difference of solar radiation resulted in asymmetric thermal regime in subgrade. The maximum difference of ground temperature between shady shoulder and sunny shoulder of roadbed was 6 ℃ in the south mountainous area in Gansu. （2） The asymmetric thermal regime resulted in the unevenly transverse maximum frozen depth and deformation. The maximum differences of frozen depth of two test sections between road center and sunny shoulder were also about 0.8 m and 0.9 m in the first and second freezing period. The maximum difference of the frost heaving peak between shady shoulder and sunny shoulder in the section of K18+180 was 2.8 mm， and it appeared on February 5 （belong to early spring thawing period）. （3） While embankment height is 1.0 m and 2.0 m， the Measures A and B can all effectively reduce the roadbed difference of ground temperature between shady shoulder and sunny shoulder， and by comparison， the new two measures have better prevention effect than ordinary measures （laying 6 cm and 8 cm thick XPS insulation board in full width range of road） in the same condition. Therefore， the influence of local factor of the mountain shelter reaction on freeze-thaw state of subgrade soil should be adequately considered in seasonally frozen ground mountain regions. And in order to reduce freezing damage of road， the embankment constructional form with differential designed sunny and shady slopes should be adopted. The research results have reference significance for understanding the subgrade sunny-shady slope effect and its prevention in seasonally frozen ground mountain regions， and further studying the frost damage in other similar regions.

Keywords： seasonally frozen ground mountain regions ; sunny-shady slope effect ; prevention measures ; the maximum seasonally frozen depth ; ground temperature ; deformation

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本文引用格式

武立波, 曹金生, 牛富俊, 林战举, 商允虎, 胡川. 季节冻土山区公路路基阴阳坡效应及其防治措施研究[J]. 冰川冻土, 2023, 45(3): 966-979 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0073

WU Libo, CAO Jinsheng, NIU Fujun, LIN Zhanju, SHANG Yunhu, HU Chuan. Study on sunny-shady slope effect and its prevention measures of highway subgrade in seasonally frozen ground mountain regions[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2023, 45(3): 966-979 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0073

0 引言

冻土区修筑的路基受阴阳坡影响时，路基两侧的地温分布表现出较大的差异，路基两侧出现不对称的冻融状态，进而引起路基发生差异变形并导致大量的工程问题，如不均匀变形、纵向裂缝等［1-3］。多年冻土区路基阴阳坡效应已引起广泛关注［4-8］，季节冻土区路基阴阳坡效应也有较多的研究，如邰博文等［9］基于哈齐铁路客运专线路堤的监测资料，研究了严寒地区路堤阴阳面的地温和变形差异。张明礼等［10］对张掖地区路基在阴阳坡效应下的地温和变形规律进行了数值模拟分析。Ren等［11］研究了季节冻土区阴阳坡效应下铁路路基水-热-力行为与轨道不平顺规律。针对多年冻土区，一些关于阴阳坡两侧差异化设计的防治措施相继被提出与研究。程国栋［12］最早指出铺设保温材料等阴阳坡用同样措施的方法不能从根本上改善路基的热物理状态。赖远明等［13］、Zhang等［14］发现青藏铁路采用片石与块碎石边坡厚度不等的特殊设计能减缓阴阳坡效应，使温度场趋于对称；其他学者还提出提高南侧边坡反照率［15］、遮阳通风路基结构［16］、热管路基系统［17］等措施。针对季节冻土区，目前只检索到文献［18］结论中提到“建议阴阳坡面采取不同的设计与养护措施”，正文中并未涉及具体的设计措施内容，后续也未见相关的报道。但总体而言，已有研究表明阴阳坡两侧采用差异化设计的防治措施能较好地控制阴阳坡效应。

保温板因承重效果好、低吸水性等优点被广泛地用在冻土工程中，包括多年冻土区道路工程［19-21］和季节冻土区的铁路路基［22-25］与公路路基［26-29］，但季节冻土区已有研究路基结构中保温板均是传统的铺设方式，即以路基中心为界，路基左右两侧等厚度满幅铺设，未检索到季节冻土区阴阳坡两侧铺设保温板厚度不同以及两侧铺设位置不对称的文献。因此，本文在前人研究与实践的基础上，针对季节冻土区公路路基阴阳坡效应，将阴阳坡两侧差异化设计和保温板法结合起来，首次提出两种新型防治措施（措施A和措施B），并对新型防治措施的有效性展开研究。措施A指路基两侧不同保温板厚度的方法，即以路基中心为界，在路面下0.8 m位置阴坡侧半幅铺设10 cm厚XPS保温板，在路面下0.84 m位置阳坡侧半幅铺设6 cm厚XPS保温板；措施B指在路面下0.8 m位置满幅铺设6 cm厚XPS保温板，再在阴坡坡面方向全长范围铺设6 cm厚XPS保温板。

众所周知，我国除了广布季节冻土外，也是一个多山的国家，山地面积约占陆地国土面积的68%［30］，并且目前中国的公路建设重心已经转向中西部自然条件复杂的山区［31］。季节冻土山区气候环境恶劣，公路使用环境复杂，尤其是山区地形变化剧烈，沿道路走向日照状况变化大，体现在山区道路的阳坡和阴坡在日照强度和时间上相差很大，阴阳坡这种日照时间和强度的差异在冬季尤为显著［32］，使得季节冻土山区道路的阴阳坡效应比平原地区更显著，但目前针对季节冻土山区路基阴阳坡效应的研究却鲜有报道。同时，这方面现场试验的监测数据资料十分缺乏，因此，季节冻土山区公路路基阴阳坡效应方面的研究既重要又紧迫，亟需完善。甘肃省甘南藏族自治州属于典型的季节冻土山区，依托新建宕昌—迭部二级公路实体工程布设试验段，本文基于该试验段地温、变形和水分的现场监测数据，对路基的阴阳坡温度及变形差异进行研究，并通过数值模拟分析两种新型防治措施A和措施B控制公路路基阴阳坡效应的效果。研究成果既为季节冻土山区公路病害研究积累数据，也为未来寒冷山区公路的设计、修建以及冻害防护提供理论依据。

1 试验场地与数据

宕昌至迭部二级公路位于甘南藏族自治州境内，是国道212线和国道213线的联络线。试验段位于距离宕昌县城17 km的山区沟谷区域。试验场地的平均海拔2 460 m，年平均降雨量636~718 mm，且降雨量主要集中于每年的7—10月，根据现场气温监测结果［33］，年平均气温5.2 ℃，极端最低与最高气温分别为-19.7 ℃与27.9 ℃，试验场地2013年1月的平均气温是-6.9 ℃，7月的平均气温是15.2 ℃。试验段从宕昌至迭部方向的纵向走向为由东向西，存在明显阴阳坡，如图1（a）所示。

图1

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图1   试验段道路走向和监测探头布设示意图

Fig. 1   Direction of road in test site and layout for sensors in monitoring sites： the longitudinal direction of test road （from east to west） （a） and cross-section and monitoring borehole schematic diagram for Section K18+180［33］ （b）


试验场地共设2个试验段K18+180段（碎石土换填2.0 m，初始地下水位1.3 m）和K18+330段（碎石土换填1.0 m，初始地下水位3.4 m）。每个断面布设3个变形监测孔（埋深3.0 m），3个地温监测孔（埋深5.0 m），分别位于阴坡路肩、阳坡路肩、路中心。此外，在K18+180段水平铺设测温探头，测温点间距1.0 m，引线延伸引出至路基边坡处，每回填50 cm路基垫层后横向铺设一根测温电缆，共计横向水平埋设5根测温电缆。天然场地布设了地温监测孔，埋深5.0 m。所有地温监测孔从地表至2.0 m深度探头间隔0.25 m，2.0~5.0 m探头间隔0.5 m。试验用温度探头为中国科学院冻土工程国家重点实验室研制的高精度热敏电阻探头，其测量精度为0.05 ℃，测温范围为-30~+50 ℃。变形测量仪器采用湖南湘银河公司生产的YH-2500冻胀仪，该种冻胀计的分辨率为0.01 mm，量程±200 mm；温度和变形数据都是通过CR3000数据采集仪存储，采集频率为每6小时1次。水分监测采用美国Decagon公司生产的ECH2O土壤水分传感器，精度为±2%，测量值为体积含水量。试验段监测仪器布置如图1（b）所示，m表示水分探头。根据前期对水位的分析，通过设置降排水措施后试验段地下水位对路基变形的影响已不大［33］，本次分析中，未对地下水位展开分析。由于部分监测仪器在道路施工过程中被损坏，本文仅对尚有的监测数据进行分析。

2 现场试验结果分析

2.1　路基地温的阴阳坡差异

研究表明，在坡向、坡度、地形遮蔽（影响直射辐射）等多因素的共同影响下，山区环境复杂的地形会使不同区域接受的总太阳辐射存在很大的差异［32］。地形遮蔽是指由于地物本身或周围地物的遮挡，使太阳直射辐射不能到达某些区域形成阴影，进而减少阴影区太阳辐射的接收。一般地，在平原地区由东向西的道路阳坡路肩在左侧即南路肩、阴坡路肩在右侧即北路肩，但在试验场地，由于试验段南面有高山遮挡，北面5~20 m的距离相对平坦，受山体遮挡的影响，实际的南路肩成为相对阴坡路肩，北路肩成为相对阳坡路肩，即山体遮挡作用直接决定道路阴阳坡面的位置，能使传统的道路阴阳坡发生转换。

路基阴阳坡温度差主要是由冬季温度差异造成的，以布设了水平方向地温监测的K18+180试验段为例，图2给出了该试验段在冻结期的地温分布。如图所示，进入冬季后，K18+180试验段路基水平地温等值线整体呈现出向下凸的趋势，路基横向地温场分布不对称，路基左侧的温度变化更快，路基左路肩（阴坡路肩）与路基右路肩（阳坡路肩）的地温呈现出了显著的阴阳坡效应。如2013年12月18日的地温分布图中，路基左路肩出现-8 ℃的负温，而同一深度处路基右路肩的地温约为-2 ℃，二者相差6 ℃左右，并且在融化期同一深度处仍是路基右路肩地温高于左路肩地温。总的来说，在路面下3 m范围内，左路肩（阴坡路肩）地温最低，路基中心地温居中，右路肩（阳坡路肩）地温最高。坡向不同引起的太阳辐射差异是造成阴阳坡地温分布不对称的根本原因［6］，结合试验场地试验段的位置，对于K18+180试验段，从左路肩到路基中心再到右路肩，受山体遮挡的影响是依次减小，阴坡路肩完全处在南侧山体遮蔽的范围，基本上不能被太阳直射，因而阴坡路肩的地温最低，冻深也大；阳坡路肩基本已不受山体遮挡影响，受到太阳直射的时间最长，所以阳坡路肩的地温最高，冻深也最小。这说明在季节冻土山区，山体的遮挡作用直接影响太阳辐射时间的长短，进而对路基横向地温产生显著的影响。

图2

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图2   试验段K18+180冻结期不同时间的地温分布（单位：℃）

Fig. 2   Geothermal distribution in Section K18+180 during freezing period at different times （unit： ℃）


地温场的变化幅度和深度反映了冻深范围的变化，即路基土体横向热差异会导致路基下部土体冻结特征存在差异。试验段断面横向热状态对比的理想情况是阴坡路肩、路基中心、阳坡路肩三者的对比，但由于试验段阴坡路肩竖向地温监测孔仪器被损坏，导致竖向地温监测孔的地温数据缺失，只能进行阳坡路肩与路基中心的对比。第一个冻结期试验段路基阳坡路肩与路基中心地温差值随时间的变化见图3，两个试验段浅层路基地温差值最大值见表1，最大冻深、最大冻胀量及其差值见表2。如图3和表1~2所示，对于K18+180段，在第一个冻结期内路面下0 m、1.0 m深度阳坡路肩与路基中心地温差值的最大值分别是7.6 ℃、3.2 ℃，0.5 m深度的差值有正差值与负差值，最大正差值3.2 ℃和最大负差值-2.3 ℃、如表1所示最大负差值出现在12月中旬，最大正差值出现在次年3月中旬，在整个冻结期内这三种深度地温差值的平均值分别是3.0 ℃、-0.3 ℃、2.0 ℃。路基中心与阳坡路肩的最大季节冻深在第一个、第二个冻结期内相差约0.8 m和0.9 m，可见路基横向地温的差异引起路基横向冻深较大的差异。结合前面的分析，这种较大的地温和冻深差异主要是由山体遮挡作用引起。对于K18+330段，路基中心与阳坡路肩的最大季节冻深在第一个、第二个冻结期内也分别相差约0.8 m和0.9 m，在两个冻结期内其路基中心的最大冻胀量约是阴坡路肩最大冻胀量的2.4倍；在路基填料、土体含水率相同的情况下，这种不均匀的冻深变化和冻胀变形同样是由于阳坡路肩与路基中心的浅层地温的较大差异引起。在整个冻结期，K18+330段路面下0 m、0.5 m、1.0 m深度阳坡路肩与路基中心地温差值的最大值分别为5.7 ℃、6.6 ℃、5.6 ℃，地温差值的平均值分别为1.4 ℃、3.9 ℃、3.8 ℃。对比图3（a）与（b），可知两个试验段路面下0 m深度的地温差值曲线的整体变化趋势一致，只是K18+180段的波动更频繁；两个试验段路面下0.5 m深度的地温差值曲线的变化规律明显的不一致，但路面下1.0 m深度的地温差值曲线的变化规律已基本一致。图3的两个图中显示地温差的规律不完全一致，其原因主要有两方面：一方面，K18+180段和K18+330段的换填深度不同，分别是2.0 m和1.0 m，不同厚度的碎石土换填层对地温的调节能力不同；另一方面，与这两个试验段所处位置有关，K18+180段从阴坡侧至路基中心一整天完全处在南面山体遮挡的阴影范围，而K18+330段则处在南面连绵的两座山体之间的空隙位置，在正午时分整个路面都能被太阳晒到。

图3

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图3   第一个冻结期试验段路基阳坡路肩与路基中心地温差值随时间的变化

Fig. 3   Ground temperature differences between sunny slope shoulder and road center during the first freezing period： Section K18+180 （a） and Section K18+330 （b）


表1   地温差值（阳坡路肩减去路基中心） (℃)

Table 1  Ground temperature differences （sunny slope shoulder minus road center）

试验段路面下深度/m地温差值最大值/℃最大值出现日期地温差值平均值/℃
K18+18007.62014-01-123.0
0.53.2，-2.32014-03-11，2013-12-18-0.3
1.03.22014-01-142.0
K18+33005.72014-01-141.4
0.56.62014-01-143.9
1.05.62014-01-043.8

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表2   冻结期最大季节冻深、最大冻胀量及其差值（路基中心减去阳坡路肩）

Table 2  The maximum seasonally frozen depth， the maximum frost heaving and their differences （road center minus sunny slope shoulder） during the freezing period

试验段位置第一个冻结期第二个冻结期
最大冻胀量/mm最大冻深/m最大冻胀量/mm最大冻深/m
K18+180阴坡路肩4.3———
路基中心3.81.844.21.86
阳坡路肩4.01.053.40.98
差值-0.20.790.80.88
K18+330阴坡路肩————
路基中心10.71.7014.01.74
阳坡路肩4.60.915.80.82
差值6.10.798.20.92
天然场地—0.89—0.79

注：—表示监测仪器损坏，导致变形数据缺失。

Note：— indicates that the testing instrument is damaged， resulting in missing deformation data.

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综上所述，山体遮挡作用引起路基横向不同位置明显的太阳辐射差异，这种辐射差异引起路基土体浅层地温较大的差异，进而导致路基横向的冻深差异，冻胀变形也会存在差异。而不同冻深导致的不均匀冻胀对路基路面最具破坏性，因此季节冻土山区路基在设计冻深时应考虑山体遮挡这一局地因素的影响。

2.2　路基变形的阴阳坡差异

对K18+180段的路基变形及其两路肩变形差值进行分析（图4），结合表2得出如下规律：

图4

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图4   试验段K18+180路基变形及阴阳坡路肩变形差值

Fig. 4   Deformations （a） and deformation differences （b） between sunny slope shoulder and shady slope shoulder at Section K18+180


（1）在一个冻融周期内，K18+180段两路肩及路基中心变形随时间的变化规律基本相似，由于试验段是2013年10月12日竣工，所以先发生工后的沉降变形（从2013年10月中旬至11月下旬），从冬季的11月下旬（正好是冻结期的起始时间）开始逐渐增大，且最大变形量正好发生在气温最低的1月，当增长到最大值后，变形开始逐渐减小，在春融期有反复波动变化的过程，至3月中旬以后路基的变形量已很小，即整体上路基变形就发生在冻结期，所以判断最大变形就是冻胀变形。虽然路堤土和换填土都是碎石土，碾压时控制含水率，但因为实际施工时为保证压实度，碎石土中必然存在一定的细颗粒，加上试验场地的气候条件是秋季阴湿多雨且入冬早，在山区较大的年气温差下碎石土中的细颗粒会产生冻胀，因为细颗粒含量相对较低，所以产生的冻胀很有限。但三个位置的变形规律最主要的差别在于最大冻胀量的数值及其出现的时间不同，南、北路肩的最大冻胀量发生在1月底，而路基中心的最大冻胀量出现在3月上旬。

（2）南、北路肩的最大冻胀量分别为4.3 mm、4.0 mm，路基中心的最大冻胀量为3.8 mm，显然，阴坡路肩的冻胀变形最大。阴坡路肩温度更低，冻深也更大，在有地下水源的情况下，冬季会聚流更多水分形成较厚的聚冰带，因而阴坡侧的冻胀量更大。

（3）由于起始冻结时间是阴坡路肩的早于阳坡路肩，使得K18+180段南路肩比北路肩产生冻胀变形的时间提前了11天；并且南、北路肩的变形差值在1月底至3月上旬期间的变化幅度在全年是最大的，变形差值的最大值为2.8 mm，出现在2月5日，即春融初期。

其原因在于，从图3可看出阴坡路肩的冻结期要明显长于阳坡路肩，进入春融初期，阴坡路肩的冻胀变形还在规律地持续发展、阳坡路肩由于受太阳直射时间长、气温及地温都更高，白天已出现明显的融化现象，冻胀变形在2月初至3月上旬呈现出反复波动变化的趋势，因而阴阳坡路肩变形差值的最大值易发生在春融初期。因此，季节冻土山区的公路路基在设计与养护时，尤其应重视阴坡变形和春融初期的养护。

3 阴阳坡效应新型防治措施的数值模拟

两种阴阳坡两侧差异设计防治措施的示意图如图5所示。研究表明控制阴阳坡效应的关键在于控制温度场，也就是尽力使路基温度场对称分布［34］，并且要达到最终减缓或消除路基阴阳坡温度差异的关键是尽可能地减小路基阴坡侧的最大季节冻深［2］，这样才能平衡路基左右两侧的冻融过程。因此，本文对措施A和措施B的路基温度场进行数值模拟分析，并重点分析路基的最大季节冻深与阴阳坡温度差异。

图5

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图5   两种新型防治措施示意图（单位：m）

Fig. 5   Two types of new prevention measure （unit： m）： Measure A （laying 10 cm thick XPS insulation board in half width range of road with shady slope and 6 cm thick in half width range of road with sunny slope） （a） and Measure B （laying 6 cm thick XPS insulation board in shady slope side and in full width range of road） （b）


3.1　数值模拟的理论模型

3.1.1　温度场控制方程

根据能量守恒定律和傅里叶热传导定律，将水分的相变潜热作为热源处理，考虑土骨架和水的热传导以及冰-水原位相变，土体中温度满足以下带相变瞬态二维热分析方程。

C∂T∂t=∂∂xλ∂T∂x+∂∂yλ∂T∂y+Lρi∂θi∂t

式中：C为土体比热（J⋅kg-1⋅℃-1）；λ为土体导热系数（W⋅m-1⋅℃-1）；L为冰的融化潜热（J⋅kg-1）；ρi为土体的密度（kg⋅m-3）；T为相变区间，设为0.5 ℃；t为时间（s）；θi为体积含冰量（%）。

3.1.2　几何模型

依据试验场地工程地质条件，按土岩性质取路基计算区域（图6）。数值模拟中，路堤高度H取1 m和2 m，路面宽度L取12 m，边坡坡度取为1∶1.5。挖除换填区域的宽度取为路堤坡脚各向外延伸2 m，弃渣碎石土换填深度d为天然地面下1 m，边坡坡度为1∶1。计算中取路基横断面以二维问题处理，路基两侧宽度为路堤坡脚向外延伸20 m，深度取天然地面下20 m。其中，左路肩对应阴坡侧，右路肩对应阳坡侧。

图6

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图6   路基温度场计算几何模型（单位：m）

Fig. 6   Computational geometry model of subgrade temperature field （unit： m）


3.1.3　边界条件与模型参数

结合试验场地的实测资料，不考虑全球升温的影响，但考虑阴阳坡效应，得到模拟区段公路路基热边界。假设路基是在7月15日一次填筑成型，初始温度值取15 ℃，数值模型底部地热增温梯度取为0.03 ℃·m-1。由于计算区域宽度较大，模型左侧、右侧设定为绝热边界。

天然地面温度为

TAC=TFH=6+12sin(2πt/365+π/2)

路表面温度为

TDE=7+19sin(2πt/365+π/2)

路基阳坡坡面温度为

TCD=7+18sin(2πt/365+π/2)

路基阴坡坡面温度为

TEF=1+15sin(2πt/365+π/2)

根据试验场地现场实测及文献［35］，计算中采用的土性水热参数见表3。

表3   各土层及保温材料水热参数

Table 3  Thermal parameters of the soils and insulation material

土性干容重/（kg⋅m-3）含水量/%导热系数/（W⋅m-1⋅℃-1）比热/（J⋅kg-1⋅℃-1）
冻结状态融化状态0~20 ℃-0.5~0 ℃-20~-0.5 ℃
①黑色腐殖土1 51028.561.601.261 79452 8001 283
②粉质黏土1 71015.711.721.311 74437 8001 244
③碎石亚黏土1 75012.381.751.452 46032 0001 850
④弱风化砂岩1 80011.651.821.492 79120 0002 066
⑤碎石土2 0703.131.921.682 1839 0001 693
XPS保温板3500.030.031 2501 2501 250

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3.1.4　模型验证

对理论模型在加路堤的情况下进行计算验证，图7分别给出了模型2015年1月21日和7月15日的路基中心孔实测地温与计算结果的对比，就冻土的最大季节冻深而言，二者基本相同，只在气温最高的7月，在1.0~2.5 m的深度实测的地温与模拟值存在差异，但差值不到2 ℃，验证了模型的可靠性。

图7

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图7   路基中心孔实测地温与模拟地温对比

Fig. 7   Comparison of measured temperature and simulated temperature at road center


3.2　模拟结果分析

为分析新型防治措施A和措施B控制路基阴阳坡效应的效果，和常用的满幅铺设6 cm厚XPS保温板以及满幅铺设8 cm厚XPS保温板的措施进行对比分析。表4列出了不同措施路基左右路肩最大季节冻深差值，由表4可知，当路堤高度为1.0 m时，措施A和措施B的左右路肩最大冻深差值都是最小的，平均值为0 m；当路堤高度为2.0 m时，左右路肩最大冻深差值由小到大的顺序是措施B<措施A<满幅铺设8 cm厚XPS板<满幅铺设6 cm厚XPS板，平均值依次是0.01 m、0.17 m、0.35 m、0.55 m，说明两种路堤高度下措施B和措施A能很好地控制路基阴阳坡温度差异，当路堤高度较高时满幅铺设8 cm与6 cm厚XPS板措施只能部分消减阴阳坡温度差异，已偏于不安全。

表4   不同路堤高度不同措施的路基左右路肩最大季节冻深差值 (m)

Table 4  Differences of the maximum seasonally frozen depth between two shoulders with different hights and insulation measures

路堤填筑完成后时间路堤高度1.0 m路堤高度2.0 m
措施A满幅铺设8 cm厚XPS板满幅铺设6 cm厚XPS板措施B措施A满幅铺设8 cm厚XPS板满幅铺设6 cm厚XPS板措施B
平均值00.010.1700.170.350.550.01
2 a00.010.1800.170.320.530.01
5 a000.1900.200.420.640.01
10 a00.020.1500.140.190.440
15 a00.010.1400.140.340.550.01
20 a00.010.1800.190.450.650.01
30 a00.010.2000.190.360.510

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图8~9展示了路堤高度为1.0 m和2.0 m时四种措施第15年最大冻深时刻的地温分布。可以看出：当路堤高度为1.0 m时，措施A和措施B路基中轴线左右两侧的横向地温分布基本对称，两种满幅等厚度铺设措施（以下简称“普通措施”）条件下横向地温场在天然地表下1.0 m深度以下已呈现出较明显的非对称性分布；当路堤高度为2.0 m时，能明显地看出措施B的横向地温场分布仍比较对称，措施A与两种普通措施的横向地温场虽然均呈现出了一定的非对称性分布，但在天然地表下1.0 m深度以下的非对称程度仍比两种普通措施的弱。综上所述，从控制路基阴阳坡效应的角度考虑，措施B的效果最好，其次是措施A，并且这两种措施的效果优于普通措施。

图8

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图8   路堤高度1.0 m的四种措施第15年最大冻深时间的地温分布（单位：℃）

Fig. 8   Temperature field at the moment of maximum frozen depth in the 15th year at 1.0 m high embankment （unit： ℃）： laying 6 cm thick XPS insulation board in full width range of road （a）， laying 8 cm thick XPS insulation board in full width range of road （b）， Measure A （c） and Measure B （d）


图9

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图9   路堤高度2.0 m的四种措施第15年最大冻深时间的地温分布（单位：℃）

Fig. 9   Temperature field at the moment of maximum frozen depth in the 15th year at 2.0 m high embankment （unit： ℃）： laying 6 cm thick XPS insulation board in full width range of road （a）， laying 8 cm thick XPS insulation board in full width range of road （b）， Measure A （c） and Measure B （d）


4 讨论

4.1　试验段路基横向、纵向冻结与融化时间

为分析山体对路基的遮挡程度，结合图10与表5对试验段路基横向不同位置以及纵向方向两个试验段冻结与融化的开始时间进行对比分析。在冬季，K18+180段路基阴坡侧一整天完全晒不上太阳，阳坡侧约在11：00—15：00（北京时间，下同）时间段能晒上，由表5可知，K18+180段路基中心与阳坡路肩路面开始冻结的时间和开始融化的时间在两个冻融循环区间分别都是相差1天和4天。由于正好处在道路南侧两座山体之间的空隙位置，K18+330试验段在11：00—15：00这个时间段整个路面都能晒上太阳，路基中心与阳坡路肩路面开始冻结的时间在两个冻融循环区间分别相差6天和2天，开始融化的时间在两个冻融循环区间均相差2天。K18+180和K18+330试验段在试验场地的纵向方向示意图如图10（b）所示。表5的数据显示，在两个冻融循环区间，K18+330段阳坡路肩与路基中心路面冻结的开始时间均滞后于天然场地和K18+180段相应位置路面冻结的开始时间，而其融化的开始时间则提前于天然场地和K18+180段，说明K18+330段的冻结期是最短的。K18+330段与天然场地和K18+180段的水平距离为150 m，结合纵向方向K18+330段所处的位置，其冻结期短的主要原因是K18+330段处在道路南侧两座山体之间的空隙位置，整个路面不在山体遮蔽的范围，与K18+180段相比接受太阳直射的时间更长。研究表明山区因地形的遮蔽作用，地表接收的太阳直射辐射可减少25％左右［32］，由此可见，在山区沟谷地段，即使在纵向方向相距较近的路面由于山体的遮挡作用也会产生明显的太阳辐射差异，这种辐射差异直接造成纵向方向路基土体冻结与融化开始时间的不同，即冻结期不同。这表明在季节冻土山区，山体的遮挡作用对路基土体冻融状态的影响不容忽视。

图10

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图10   山体对试验段的遮挡及试验段的纵向走向示意图［图（a）拍摄时间是12：00—13：00；图（b）中L1与L2代表试验段K18+180和K18+330，水平方向比例为1∶2 000，竖直方向比例为1∶500］

Fig. 10   A diagram of the road in test section being shaded by mountain （a） and the longitudinal road alignment profile： longitudinal direction of test Sections K18+180 and K18+330 （from east to west） （b） ［The shooting time in Fig.（a） is 12：00—13：00； In Fig.（b）， L1 and L2 represent the experimental Sections K18+180 and K18+330， with a horizontal ratio of 1：2 000 and a vertical ratio of 1：500］


表5   冻结与融化的开始时间

Table 5  The starting times of freezing and thawing

时间区间试验段阳坡路肩路基中心天然场地
路面开始冻结时间路面开始融化时间路面开始冻结时间路面开始融化时间地表开始冻结时间地表开始融化时间
2013—2014年K18+1802013-11-252014-01-282013-11-242014-02-012013-11-172014-02-22
K18+3302013-12-062014-01-262013-11-302014-01-28
2014—2015年K18+1802014-12-022015-02-132014-12-012015-02-172014-12-022015-02-19
K18+3302014-12-062015-02-102014-12-042015-02-12

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植被对试验段路面也具有一定的遮挡作用，相关研究表明主要通过植被覆盖度表征植被对季节冻土区道路的影响［36］。试验段路基阳坡侧与阴坡侧都分布了植被，但因为公路两侧的植被覆盖度基本一致，所以本文分析中未考虑植被的遮挡作用。

4.2　试验段路基横向水分分布

试验段路基横向不同位置的水分数据仅有K18+180段路基中心与北路肩（阳坡路肩）回填表面部位的数据（图11），路基中心与北路肩（阳坡路肩）水分变化趋势存在差异，并且在监测期内回填表面部位含水率始终是阳坡路肩的大于路基中心的，即路基回填表面的水分存在横向上的差异。路基中心回填表面含水率在非冻结期稳定在27%左右，冻结期稳定在12%，而阳坡路肩回填表面含水率在整个监测期基本稳定在35%左右，只在冻结期有很小的波动。路基回填表面部位受地表温度的影响大，地表温度又直接影响路基表面开始冻结与开始融化的时间，表5表明路基中心与北路肩开始冻结与融化的时间存在差异，所以最终回填表面部位水分分布的横向差异主要是由横向不均匀的温度引起，即路基土体横向温度的差异是水分分布存在横向差异的根本原因。同时，表2的变形监测结果表明虽然K18+180段路基土体在第一个冻结期的冻胀量总体数值不大，但路基中心与阳坡路肩变形还是存在0.2 mm的差值，即横向温度的差异引起的水分分布差异又进一步引起了冻胀变形的差异。

图11

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图11   K18+180段路基土含水率［33］

Fig. 11   Water content of subgrade soil at Section K18+180［33］


此外，受环境条件与现场试验部分数据缺失的限制，研究区域公路路基阴阳坡的地温与变形差异以及水分差异未能进行全断面的对比分析，但已有数据的分析结果基本表明了研究区域试验段路基阴阳坡侧土体浅层地温的横向差异、路基土体冻深和冻胀变形的横向差异变化规律，以及定性地反映出山体的遮挡作用对路基土体冻融状态的重要影响。同时，本文对提出的防治措施仅从热稳定性的角度分析了控制阴阳坡侧温度差异的效果，未能从水-热-力多场耦合的角度进行分析。因而，下一步将通过模型试验或现场试验系统开展对比研究，对防治措施进行多场耦合的深入研究。

5 结论

本文基于现场实测数据与数值模拟，分析了甘肃省甘南藏族自治州季节冻土山区公路路基的阴阳坡效应，并对提出的新型防治措施控制路基阴阳坡效应的效果进行了探讨，得出以下结论：

（1）在季节冻土山区，山体遮挡作用对路基横向地温的影响不容忽视。山体遮挡作用使路基阴阳坡发生转换，南坡面成为相对阴坡侧，北坡面成为相对阳坡侧，并直接引起路基横向的太阳辐射差异，进而引起路基土体浅层地温较大的横向差异。试验段K18+180阴坡路肩地温最低，路基中心地温居中，阳坡路肩地温最高，阴坡路肩与阳坡路肩地温最大相差6 ℃左右，即路基横向地温存在显著的阴阳坡效应。

（2）路基土体浅层地温较大的横向差异导致路基冻深和冻胀变形的横向差异，两个试验段路基中心与阳坡路肩的最大季节冻深在第一个、第二个冻结期内均相差约0.8 m和0.9 m，并且K18+180段阴阳坡路肩冻胀量差值的最大值为2.8 mm，出现在春融初期。此外山体遮挡作用不仅影响路基横向不同位置的冻结与融化的起始时间，还影响相距较近的纵向方向路基土体冻结期的长短。本文只定性地反映出山体的遮挡作用对路基土体冻融状态的影响，后续还应更深入研究。

（3）数值模拟分析表明，当路堤高度较低时

（≤1.0 m）本文提出的新型防治措施A和措施B能完全地消除路基的阴阳坡温度差异；当路堤高度为2.0 m措施B抑制路基阴阳坡温度差异的效果最好，其次是措施A，满幅铺设8 cm厚XPS板措施只能部分减缓阴阳坡温度差异，满幅铺设6 cm厚XPS板措施偏于不安全。

鉴于山体的遮挡作用对路基土体冻融状态的显著影响，建议季节冻土山区路基在设计冻深时应充分考虑山区山体遮挡这一局地因素的影响，并且公路设计与养护时，尤其应重视阴坡路肩这一关键部位和春融初期这一关键时期。同时，建议公路设计采取阴阳坡两侧差异设计的结构型式，以达到减小冻土路基横向受热的不均匀性，进而减少因阴阳坡现象导致的路基病害。

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Wu Libo， Niu Fujun， Lin Zhanju， et al.

Effect of replacing-filling and dewatering-draining measures on frozen characteristics of weak subgrade in cold valley region

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武立波， 牛富俊， 林战举， 等.

换填与降排水措施对寒区沟谷软弱路基冻结特征的影响

［J］. 交通运输工程学报， 2018， 18（4）： 22-33.

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Lai Yuanming， Zhang Shujuan， Zhang Luxin， et al.

Adjusting temperature distribution under the south and north slopes of embankment in permafrost regions by the ripped-rock revetment

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Ming Feng， Wu Libo， Qi Wei， et al.

Application of replacement method in the gully soft foundation of highway in the alpine cold area

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明锋， 武立波， 祁伟， 等.

换填法在处置高寒沟谷区软基中的应用

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Chai Mingtang， Ma Teng， Li Guoyu， et al.

Analysis on spatial distribution and correlation of pavement distress along the Xinjiang-Tibet Highway

［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2022， 44（6）： 1681-1693.

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柴明堂， 马腾， 李国玉， 等.

新藏公路路面病害空间分布及相互关系分析

［J］. 冰川冻土， 2022， 44（6）： 1681-1693.

[本文引用: 1]

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