随着我国现阶段的公路建设里程不断增长,相较于常规平原地区,高寒冻土区公路建设过程要克服冻土路基带来的各类不良影响。针对热扰动对冻土区片块石路基带来的影响进行深入研究,在分析该区域高等级公路路基状态的过程中,采集片块石路基的温度状态、吸放热状态和冻融循环状态等方面数据,探讨了其热状态变化的整体规律。研究结果显示:片块石路基在冻土区有着很好的热稳定性作用,可实现主动冷却作用;片块石路基能通过加快温差空气间的流通速度,避免热扰动对路基温度产生过于明显的影响,从而减少热扰动所带来的各类路基病害;片块石路基正下方的最大融化深度正逐步提高;片块石路基的阴阳面存在吸放热不平衡的情况,阳面路肩吸放热量达到阴面路肩吸放热量的2.7倍,阳面坡脚吸放热量达到阴面坡脚吸放热量的2.3倍;随着片块石路基阴阳面吸放热不平衡的发展,其对应的阴面冻土升温速度小于阳面冻土,阴面冻土上限发展程度同样小于阳面冻土。

基于长期、连续的地温观测数据,对位于共和至玉树高等级公路沿线、平均海拔为4 260 m且处于高温冻土区的片块石路基温度、热状态、冻融循环过程和冻土人为上限及变化速率等进行了分析,研究了沥青混凝土和水泥混凝土路面对片块石路基下伏多年冻土的影响,以期对其适用性进行评价。研究发现,沥青混凝土路面的铺设使路基吸收了较多的热量,促使下伏多年冻土升温,导致多年冻土快速退化。观测期内,高温冻土地区沥青混凝土路面下片块石路基中心冻土退化速率为33.5 cm/a,几乎是天然地基的5倍。而且路基阴阳坡效应严重,阳坡路肩冻土退化速率为33.0 cm/a,明显大于阴坡路肩（22.0 cm/a）。与沥青混凝土路面相比,水泥混凝土路面较高的热反射率、较小的热辐射吸收率,有利于抬升冻土上限或减缓冻土退化速率。但在观测期间,发现处于高温冻土区的高等级公路片块石路基在沥青混凝土路面下融化盘面积增长速率为12.24 m2/a,而在水泥混凝土路面下为9.28 m2/a,即融化盘面积以不同程度的速率始终在增大。因此,单纯的片块石层的存在和路面类型的改变,并未彻底解决高温冻土区高等级...

青藏高原脆弱的生态系统以及人类工程活动,加剧了青藏工程走廊线性工程两侧沙漠化、荒漠化发展趋势,尤其冻土块石路基面临日益严重的风积沙灾害问题。以多年冻土区高等级公路块石路基为研究对象,采用数值模拟分析风积沙环境下封闭块石路基的降温性能和长期热稳定性。结果表明:风积沙堆积对封闭块石路基下部土层冻土温度的影响程度高于冻土上限,1.0 m湿沙工况降低冻土温度,0.2 m干沙则增大冻土温度。升温背景下,随年平均气温增加风沙堆积对路基冻土上限影响程度增强,干沙增大冻土融化深度,湿沙抬升冻土上限。随冻土含冰量减小,路基中心冻土上限对气候升温敏感性增加,风沙堆积影响减弱。气候升温和风沙堆积条件下,在年平均气温低于-5.5℃时,宽幅沥青路面封闭块石路基能够满足降温要求,使人为冻土上限保持在块石层内。研究成果可为风沙危害区多年冻土块石路基的病害治理和拟建青藏高速公路块石路基设计提供科学依据。

U型块石路基作为块石护坡与块石基底两种结构路基的组合,同时也作为青藏铁路的一种主要补强措施,其在高温冻土区的长期降温效果备受关注。基于长期的现场监测资料,对青藏铁路楚玛尔河高温冻土区一处U型块石路基的长期降温过程、降温机制以及变形特征进行了研究。结果表明:U型块石路基表现出持续稳定的降温效果,路基下部多年冻土上限附近降温明显,上限抬升迅速,且进入稳定状态。基底块石层底、顶板温差存在明显冷暖季差异。阴坡侧块石层每年1月至3月初为相对强烈自然对流期,阳坡侧相对缩短半个月时间。受工程热扰动影响,深层的多年冻土在经历2～3年升温过程后,呈现显著的降温过程。路基变形整体表现为较小的沉降量,变形主要来源于早期路基下部高温冻土层的压缩变形。总之,U型块石路基在高温冻土区表现出长期有效的降温效果,变形量有限且已趋于稳定,路基整体稳定性可以得到保证。

对青藏铁路冻土路基的设计思路为主动降温,冷却路基的设计理念得到广泛的认同。对比了楚玛尔河地区不同冻土路基的实测地温资料,结果表明:普通填土路基下多年冻土的融化趋势明显,必须及时采取保护措施;块石厚度较薄的块石路基有一定的保护多年冻土的作用,但效果不明显,建议补充块石护坡形成U形块石路基;块石护坡路基能够发挥降低地温、保护多年冻土的作用,具有主动冷却路基的良好效果。

应用有限体积法,对一块石路基内的温度与速度特性进行了数值计算分析。计算结果表明块石路基的热稳定性较好。在路基内,越远离地表,监测点的温度变化越滞后于地表。而且离地表越远,温度变化幅度越小。在对块石路基内的块石层计算中采用了"块石"与"多孔介质"模型。两种模型计算的块石层内空气速度场在冬季都呈现一个逆时针旋转的涡,在夏季则是顺时针旋转的涡。由于块石模型计算的速度更加直接地反映了块石空隙中空气的真实速度,所以其计算结果大于多孔介质模型计算的速度。采用块石模型计算出路基内的整体温度略低于采用多孔介质模型计算结果。本文认为采用块石模型计算块石路基的速度场与温度场优于多孔介质模型。