基于水热变化的冻土路基稳定性的致灾因子分析

摘要：致灾因子是造成灾害的风险源，在自然界中，冻土路基随着自然因素和人为因素的影响产生各种各样的问题，其稳定性也会随着致灾因子时时刻刻的变化发生改变。通过对多年冻土地区路基病害类型及其影响因素的分析，本文从水分、热量两个方面来总结出主要致使公路路基发生病害的致灾因子。

关键词：多年冻土；路基；水分因素；热量因素；致灾因子

中图分类号： [P314.5] 文献标识码： A 文章编号：

路基的不均匀沉降和冻胀变形、纵向裂缝等是多年冻土区道路工程的主要病害，路基中的热状况和水分状况及其变化是引起冻害严重与否的主要因素。本文将致灾因子划分为七大类，分别是气温、太阳辐射、风速与风向、地形地貌与地表性状、大气降水与蒸发、地表水与地下水和路基填料含水。

1、热量因素：

⑴ 气温：气温是诸多气候要素中很重要的能量指标。其变化受海拔的影响，与多年冻土的分布具有良好的相关关系，直接影响着多年冻土的生存环境。青藏高原是气候变化的“启动器”，其升温要早于周围地区，同时也是气候变化的“放大器”，其升温值要高于全球平均值。据查阅的资料来看，青藏高原地区年平均气温有上升趋势，最近10年的累年平均气温均比30年累年平均气温要高。1月份(最冷的月份)平均气温上升趋势不明朗，而7月份(最热的月份)平均气温显著升高。青藏高原气温上升的直接结果就是多年冻土的年平均地温升高，多年冻土上限下降，改变了多年冻土的平面分布与垂直分布，致使多年冻土呈现退化趋势，严重影响路基的热稳定性，导致路基病害的出现。

⑵ 太阳辐射：太阳辐射是影响多年冻土路基稳定性的重要因素，是路基边界处能量交换的重要方式。青藏高原云量少、空气洁净，太阳辐射异常强烈、总辐射量大、日照时数长，可达2800h～3200h。太阳总辐射量随季节变化呈不均匀分布。4～9月份辐射日总量较大，11月份至来年2月份达到最小值。在6月份时由于降雨量较大，空气潮湿度大，大气中水汽溶胶吸收了部分太阳辐射能，故在辐射曲线中出现了峰谷值。由于青藏高原地区太阳辐射强烈，多年冻土吸收的辐射能较多，极不稳定。同时，公路构造物的修建又进一步增大了路基体系的辐射吸收面积，且黑色沥青混凝土路面的辐射吸收效应强烈，致使青藏高原多年冻土区的公路热稳定性较差。

（3）风速与风向：青藏高原海拔高，易受高空气流的影响，地势平坦开阔，空旷无物，建筑物和地面植物稀少，风速较大。青藏公路总体呈北北东-南南西走向，高原上常年的冬季西风致使路基西侧边坡在冬季更加容易冷却，温度比东侧边坡低。同时，在冬季，东南侧边坡(阳坡)的日照时间又比西北侧边坡(阴坡)的日照时间长，阳坡的温度比阴坡高。这两个方面的叠加致使青藏公路路基阴、阳坡热差异在冬季十分明显，路基的不均匀变形及路基纵向裂缝等病害也多在冬季发育。

（4）地形地貌与地表性状：季节活动层土的表面既能直接吸收太阳辐射能，也能在表面水分蒸发中发出能量，其差异取决于表面的湿度及色泽深浅。一般而言，湿润的细粒亚粘土或稀疏草地面对太阳辐射吸收在0。8左右，但通过毛细补给的水分蒸发作用较强，融化热影响较弱；干燥的砂砾土面的太阳直接辐射吸收率在0。75左右，但蒸发耗热小，故融化热影响较强。植被覆盖对多年冻土上限的影响最为突出，枯枝落叶层、苔藓层等覆盖植被都可以降低地温，降低地面年均温较差，使季节融化深度大大减小。

2、水分因素：

（1） 大气降水与蒸发：青藏公路沿线降水量以唐古拉山为界呈明显分带性，唐古拉山以南较大，唐古拉山以北较低，而且降水量远远小于蒸发量。降水的季节分布极不均匀，5～9月份降水集中，可占全年降水量的90%以上。降水多为雷阵雨、阵雨加冰雹及霰等形式。大气降水经边坡处渗入路基内部，使路基原有的含水状况发生改变。潮湿的路基热容量较大，其冻胀量也较大，暖季到来之时亦易产生翻浆，对路基稳定性不利。同时，青藏高原地区集中、强烈的降水对边坡冲刷极为严重，在部分路段已经影响了路基的稳定性。

（2）地表水和地下水：路基侧向地表水与冻结层上水的存在制约着路基下多年冻土的分布和发育，同时也影响着路基的稳定性。在山涧沟谷及洼地的细粒土堆积的路段，路基下地下水位较高，两侧地表水排泄不畅的地段，每年融化期，由路面开始向下融化，当融化层内的地下水使土层变为塑形状态时，若存在动荷载的反复作用，填土较低的道路开始翻浆，严重时路面会完全破损。另外积存在路基中的水在冻结过程中会发生聚冰作用导致路基产生不均匀冻胀；融化季节又会产生热融下沉变形。

（3）路基填料含水：这一因素主要考虑的是在施工期间及道路使用初期路基填料含水量对路基造成的影响。松散湿土的含水量处于偏干状态时，由于粒间引力(这里还包括了毛细管压力)使土保持着比较疏松的状态或凝聚结构。土中孔隙大都是相互连通，水少气多。在一定的外部压实功能作用下，虽然土孔隙中气体易被排出，密实可以增大，但由于水膜作用不明显以及外部功能也不足以克服粒间引力，土粒相对移动便不显著，因此压实效果比较差。如果路基隔水措施效果不佳时，较大的孔隙率会增大毛细水上升空间，增加路基内部含冰量。含水量逐渐加大时，水膜变厚，土块变软，引力也减弱。在低温条件下路基填料水分结冰致使体积增大破坏路基整体结构。

结语：

在寒冷的气候条件下，土体中的水分会冻结成冰并膨胀。由于冻结过程中的水分迁移和聚冰，从而引起更大的冻胀及破坏力，致使路基扭曲和折断；在夏季或人为的热干扰下，原已冻结的土会融化，土体因排水固结下沉，进而引起的路基的更大的破坏。本文通过对水、热两方面致灾因子的分析和总结，旨在对今后冻土路基病害的防治和公路的勘察设计、道路修建和养护起到重要的意义。

参考文献

[1] 中交第一公路勘察设计研究院.青藏公路高温高含冰量多年冻土区地基稳定性研究[R].西安：中交第一公路勘察设计研究院，2006.

[2] 中国科学院兰州冰川冻土研究所.冻土的温度水分应力及其互相作用.兰州大学出版社，1989.

[3] 安维东，陈肖柏，吴紫汪.渠道冻结时热质迁移的数据模拟.冰川冻土，1985，9（1）：35-46.

作者简介：王赫 性别：男 出生年月：1992年11月 籍贯：内蒙古通辽市长安大学公路学院本科生专业：公路工程