冻土路基能量平衡设计方法：高海拔高寒地区高速公路建设技术

3．3．2．1 主要研究内容及理论框架

对于多年冻土天然地基，多年冻土与外界环境之间保持动态的能量平衡状态，冻土上限保持在相对稳定的水平。而开展工程活动之后，人为改变了原来天然地表的传热条件，破坏了原有地基的水、热能量平衡状态，引起多年冻土上限下降、地温升高等退化行为，造成一系列工程病害，影响冻土工程的稳定性（图3--19）。目前在冻土工程中常用的保护冻土和控制融化速率的设计原则，其本质就是通过一定的工程措施修复或者弱化工程活动造成的冻土地基能量失衡状态，维持多年冻土的相对稳定状态，从而保证工程结构物的稳定性。

多年冻土地区公路能量平衡设计理念主要围绕多年冻土地基能量变化过程开展研究，以多年冻土地基-工程活动能量相互作用为纽带，以工程构筑物和冻土地基的稳定性与能量变化过程的相互关系为主线，重点研究多年冻土地基的能量导入、耗散收支过程及工程措施的能量调节程度，以解决保证工程构筑物稳定性所需的冻土地基能量平衡状态为设计目标。该设计理念主要包含三个方面的内容：

图3--19 多年冻土地基能量变化过程

（a）天然状态下冻土地基；（b）公路工程影响下冻土地基退化

1）公路工程的稳定性与能量变化过程的相互关系

多年冻土地区公路工程的稳定性与下卧冻土地基的状态息息相关，工程活动造成外界热量过多进入地基，造成冻土地基的退化，诱发一系列病害，继而严重影响公路工程的稳定性。为了更加科学地评估公路工程的稳定性，需要对工程活动的能量变化过程进行深入分析。

多年冻土地基对公路工程的空间效应反应敏感。青藏公路病害调查结果表明，路基尺度的变化与路基病害的关系密切，多年冻土区路基病害主要表现为低路基的热融沉陷和高路基的纵向裂缝。相关数值计算表明，黑色沥青路面的吸热、储热作用使得通过路基工程表面进入冻土地基的热量远大于天然地表，路基尺度变化引发的基底吸热和放热变化是诱发路基病害的主要原因。以目前青藏公路二级公路（路基宽度为10m）为研究对象进行数值模拟计算。计算结果（表3--21）表明，路基基底吸热/放热为3．71，当路面宽度增加1倍后，路基基底热流量将增加60%，而这部分“有害”能量的过多导入，导致下卧多年冻土地基退化过程加快0．6倍，引起冻土地基承载力下降，变形过大，严重影响上部结构的稳定性。

表3--21 不同宽度路基基底年平均热量收支状况

除此之外，公路工程的建设还会引发公路基底热流分布的不均匀，使得下卧多年冻土退化差异较大。如公路路基下形成的融化盘；由于路基阴阳坡效应引发的融化盘偏移；由于桥涵通风作用使小桥涵中部多年冻土上限上升，而涵端上限下移等。反映到公路工程的稳定性，都将诱发公路不均匀变形（图3--20a）、差异沉降、路基边坡滑塌、桥涵两端和洞口产生开裂下沉（图3--20b）等病害。

图3-20 多年冻土地基退化差异引发公路病害（a）冻土地基纵向退化差异引发波浪；（b）涵洞基地退化差异引发冻胀病害

因此，阐述公路工程引发的外界能量导入和分布，以及与工程稳定性的相互关系是该设计理念的首要问题。

2）工程措施对冻土地基能量状态的调节程度

主要从冻土地基能量收支角度，研究工程措施对打破平衡后的冻土地基能量状态的调节修复程度。为了保证公路工程的稳定性，必须改善工程活动影响下冻土地基的能量状态，使其维持相对稳定的状态，延缓或弱化多年冻土的退化过程。在工程中，常采用各种被动或主动冷却措施保障冻土地基的稳定性。

青藏公路整治改建工程中在纵向裂缝较为发育的楚玛尔河平原设计了热棒路基，用以确保路基工程的稳定性（图3--21）。2004—2011年的监测资料表明，热棒路基年度传输能量在1400～1900MJ，有效地导出冻土地基内的“有害”能量，路基下人为上限在运营期内保持在天然上限水平（图3--22），保证了路基工程的稳定性。片块石路基、通风管路基等多年冻土区广泛应用的特殊结构措施的作用本质都是对冻土地基中“有害能量”的导出。

图3-21 青藏公路热棒路基试验工程

图3-22 热棒路基运行第8年10月温度场

除此之外，工程措施对冻土地基能量的调节还包括对公路基底不均匀热流的调整。如针对阴阳坡效应路基设置的阳坡侧遮阳板、碎石护坡、单侧热棒路基等，在涵洞基础洞口设置的热棒（图3--23）等。此类调整可以有效改善基底多年冻土发育的不均匀性，改善公路工程的局部稳定性。

图3--23 利用热棒技术处理涵基冻胀

3）多年冻土公路工程设计的目标和影响因素多年冻土公路工程的设计目标是根据公路工程的稳定性与能量变化过程的相互关系，通过工程措施对冻土路基能量的调节作用，阻止“有害”能量的导入或者将其导出，维持冻土地基能量的相对稳定状态，从而确保公路工程的稳定性。(www.zuozong.com)

其设计目标主要通过时间和空间两个维度实现。在时间维度上，主要有短期、中期和长期目标，时间维度的不同，对稳定性的要求也有所差异。短期目标主要为确保施工期的稳定性，只要确保施工期内公路工程建设顺利完成即可，对冻土地基能量的平衡状态要求相对较低。中期目标为确保公路运营期内的稳定性，保证在公路运营期内，日常维护即可满足使用要求，对于冻土地基能量的平衡也以此确定。长期目标即保证在公路寿命周期内，通过有效整治改造，就可以满足新的运营要求。冻土地基的能量状态调整也以寿命周期远景年改造需求确定。

在空间维度上，则主要通过路基高度、宽度等路基尺度的变化，全幅和分幅等修建方式的异同，以及路基与桥涵、隧道等构造物建设形式的不同，调节冻土地基的能量状态，使其维持相对稳定。

需要指出的是，时间维度和空间维度的需求通常不是孤立的，两者互相联系，也经常受到其他因素的影响（工程的投资、等级、冻土地质条件等）。如对于埋藏较浅、厚度较薄的多年冻土，若在短期和中期对公路的通行要求不高，则可以主要在时间维度进行处理，如铺设简易路面通行，待三五年后多年冻土融化，再进行建设。若在时间维度上要求较高，则主要在空间维度上处理，如挖除换填等。因此，在具体设计中，需要综合考虑当地的实际情况，分析各种因素，在时间和空间两个维度中寻找一个平衡点，以最优的设计方案确保冻土-公路工程体系的能量平衡，满足设计要求。

3．3．2．2 空间维度的能量平衡过程

作为线形工程，构筑于冻土层之上的道路工程必然改变一定面积原天然地表的性状，有时甚至深入一定深度的地基。这些地表和地基在空间上的人为变化都会引起下部冻土吸热特征的变化。因此，空间维度能量平衡的概念是指，通过路基高度、宽度等路基尺度的变化，全幅和分幅等修建方式的异同，以及路基与桥涵、隧道等构造物的变换来调节冻土地基的能量状态，使其维持相对稳定。

路基高度的变化直接影响路基顶面所吸收热量的传递过程。从传热学角度看，如果将路基视为按层均匀的传热介质，其热阻为

式中：n为介质总层数；Ai和ki分别为第i层路基填料的横截面积（在宽度不变的条件下，仅与路基高度有关）和导热系数。

由式可见，路基高度对冻土能量平衡特征的影响体现在两个方面：高度和导热系数。冻土工程中常用的保温板路基就是以导热系数远小于路基填料的保温材料来等效一定厚度的填料。以XPS保温板为例，其导热系数为0．0258W/m2，按照热阻等效原则，取路基填料导热系数为1．8W/m2，则10cm厚的XPS保温板大约相当于6．9m高的路基填料。XPS保温板对下部地基平衡能量的调整能力与6．9m厚的路基填土相当，其原理就是增加路基高度，阻止外界“有害”能量的进入。

以路基工程为例阐述路基尺度对冻土能量平衡特征的影响。影响冻土能量平衡特征的路基尺度因素包括路基高度、路基宽度、路基坡度以及保温护道等。选取路基高度和路基宽度为代表，采用数值分析的方法分析路基尺度对冻土能量平衡特征调节作用。根据数值计算结果，下部冻土吸热量随填土路基高度的变化如图3--24所示。由图可见，路基越高，热阻越大，通过其进入地基的“有害”能量就越少。可见，加高路基能够延缓地基冻土吸热，延缓和阻止地基冻土吸收的“有害”能量。

图3--24 下部冻土吸热量随填土路基高度的变化关系（路基宽度为10m）

图3--25 冻土吸热量随填土路基宽度变化关系（路基高度为2m）

因此，加高路基和采用保温板都是在空间维度上有效减少“有害”能量吸入的方式。路基宽度对冻土能量平衡特征的影响主要体现在路基加宽后，沥青路面吸热面增大，通过路基基底进入地基的“有害”能量增大，路基中心区域的聚热效应加剧，基底能量分布不均匀，造成冻土地基形成融化盘等不均匀退化现象。图3--25所示下部冻土吸热量随填土路基宽度的变化关系说明，路基宽度对冻土吸热量的影响小于路基高度的影响。基于这一规律，对于工程应用中的宽幅路基，可以将全幅修建转化为分幅修建。图3--26所示为新建共玉公路的分幅路基。相对于全幅修建形式，分幅修建形式的本质是减小了路基宽度，削弱了路基中心区域的聚热效应，不仅减少了“有害”能量总量，而且减小了融化盘的深度。数值模拟结果显示，将23m宽的全幅路基改为间距为2m、幅宽均为10m的分幅路基后，下部冻土吸热量减少了15．8%。

图3-26 共玉公路分幅建设形式

图3-27 青藏铁路多年冻土区旱桥

在极不稳定的高温高含冰量冻土地区，冻土地基对吸热量极为敏感，工程活动极易破坏冻土地基的能量平衡状态，而增高路基、减小幅宽和特殊处置措施等难以维持冻土地基的稳定性。在这种情况下可以考虑“以桥代路”的旱桥方案，图3--27所示为青藏铁路多年冻土区修建的旱桥。以桥梁工程通过多年冻土区，桩基对冻土地基的扰动明显减小，且无黑色路面的吸热作用，冻土地基回冻过程明显缩短，这也是典型的在空间维度上实现冻土地基的能量平衡过程。

3．3．2．3 时间维度能量平衡要求

在时间维度上，依据工程建设的需求目标，主要有短期、中期和长期目标。时间维度的不同，对稳定性的要求也有所差异。短期内的外界热量来源主要是施工扰动，能量平衡目标主要为确保施工期的稳定性，只要确保施工期内公路工程建设顺利完成即可，对冻土地基能量的平衡状态要求相对较低。因此，对该阶段消除“有害”能量的特殊处置措施的要求是适应性强、降温迅速，能够在较短的冻融循环周期内有效地平衡“有害”能量。例如，在隧道施工中，洞口开挖后，冻土直接暴露于空气中，极易受热融化而造成热融滑塌，为了维持短期的施工安全、稳定性，就需要采用热棒的快速制冷作用短期内解决能量平衡问题。

中期的吸热来源为工程构筑物上边界的吸热以及气候变暖的影响，能量平衡目标为确保公路运营期内的稳定性，保证在公路运营期内，日常维护即可满足使用要求，对于冻土地基能量的平衡也以此确定。该阶段吸热过程一般较为缓慢和稳定，且对冻土环境、水文环境和地质环境等依赖性较强。因此，该阶段的能量平衡目标是尽量减少“有害”能量的进入。该阶段的特殊处置措施应该易于养护、具有较好的长效降温能力、适应性强、能够一定程度适应气候变暖和可靠性高等特点。工程中常用到的通风管、块石层等路基形式由于其结构简单、对气温条件的适应性强、长期降温效能良好等特点，适用于中期阶段的能量平衡。对于块碎石层路基，基于实测数据的推算表明，高度为3m、宽度为10m的路基在采用厚度为1．5m的块碎石层后，考虑外界气温升高的影响，其结构损坏程度低，降温效能较为稳定，每年消除路基吸入的“有害”能量约为200MJ，运营20年后的片块石路基下冻土上限基本维持在天然上限附近，中长期降温效果明显，块石层路基以其在气温升高的条件仍能有效消除“有害”能量而适用于中期阶段。

长期的吸热来源则主要考虑气候变暖的影响，能量平衡目标为保证在公路寿命周期，通过有效的整治改造，就可以满足新的运营要求。对该阶段平衡能量的特殊处置措施的要求是可靠性高、易于维修和改造、能够抵抗气候变暖。