多年冻土区路基温度分布和变化规律是寒区道路工程设计、建设及冻害治理的重要内容。本文以青藏高原某处典型公路路段为研究对象,分别运用第一类边界条件和第二、三类边界条件叠加组合对含相变的冻土路基温度场进行了数值计算,并分析了路基温度场的变化规律以及不同路面类型对路基温度场的影响。计算分析结果表明:多年冻土区路基温度场的特点表现为单向融化和双向冻结;受全球变暖的影响,路基自建成之日起,运营30年,路基内部平均温度提升1.3℃左右,天然地表以下3m模型计算范围内的的土体平均温度提升0.9℃左右;在年均气温温度-5.2℃,运营10年,天然地表、水泥路面、沥青路面下最大融化深度分别为1.7、1.8、2.5m,而且水泥路面可有效的降低路面温度,降低对下伏多年冻土的影响,增加路基的稳定性。

本文以五道梁地区典型路基为研究对象,对多年冻土地区路基温度场进行数值模拟,研究了不同上垫面类型对路基温度场的影响。结果表明:季节冻结过程的特点主要是单向冻结和双向融化,上边界负温变化大而下边界正温变化小,冻深主要受上边界制约。季节融化过程特点则是单向融化和双向冻结,上边界为正温变化大,下边界为负温变化小,同样主要受上边界制约。位于多年冻土地区的水泥路面结构可把路面的年均温度降低到2.2℃左右。受全球气候变暖的影响,路基各边界处年均温度均呈现上升的趋势,各边界升温速率从快到慢排序依次为:沥青路面、水泥路面、阳坡、天然地面、阴坡。

基于国道214不同试验路段的地温监测资料,对沿线沥青、水泥路面下路基的浅层温度差异、年平均温度差异及路面对路基温度的影响深度等进行了分析,并根据分析结果开展模拟分析。结果表明,沥青路面与水泥路面下路基浅层温度差异存在着明显的季节性差异。路面类型对路基下多年冻土的影响深度基本在路面下8 m以内。通过模拟分析得出了相同条件下沥青和水泥2种路面类型下路基融化核形成的时间差异,路基下最大融化深度随路基运营时间和路基高度的变化规律,以及沥青和水泥2种路面下多年冻土最大融化深度的差异及其发展规律等。可以根据研究结果提出一些有效的措施来保持路基的热稳定性。

对国道214公路部分试验监测路段水泥混凝土路面和沥青混凝土路面下的温度场进行了分析和研究。研究结果表明,路面类型对路基温度场有一定的影响,在多年冻土地区,水泥混凝土路面下路基温度场的改变程度明显比沥青混凝土路面下小。这说明在多年冻土区,采用水泥混凝土路面比采用沥青混凝土路面更有利于改善路基温度场的稳定。

采用焓模型, 建立含相变的冻土路基温度场, 综合考虑气温、太阳辐射、风速风向、坡面蒸发等气象因素, 将诸多气象因素归结为第二、三类边界条件的叠加组合, 对不同气温地区的沥青路面及水泥路面路基温度场进行了有限元计算. 结果表明: 路面类型对冻土路基温度场有着重要影响, 水泥路面的采用可有效地降低路面温度, 延缓冻土上限下降速率, 从而可以有效保护基底多年冻土; 从对基底冻土上限影响的角度来看, 路面类型、外部气温与路基高度三者间存在一定的动态等效关系.