邊界條件對多年凍土區(qū)高速公路整體式和分離式路基熱穩(wěn)定性的影響

栗曉林，馬巍，穆彥虎，牛永紅，黃永庭，柴明堂

(1.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅蘭州，730000；2.中國科學院大學，北京，100049)

多年凍土是氣候、地表及地質條件長期作用而形成的產(chǎn)物，其對溫度具有較強的敏感性，溫度的升高可引起多年凍土物理力學及工程性質發(fā)生變化。近半個世紀以來，在青藏高原550 km 多年凍土區(qū)的青藏工程走廊內(nèi)相繼修建了大量的線性工程，如青藏公路、青藏鐵路、格拉輸油管線等，這些線性工程的修筑已對青藏工程走廊內(nèi)凍土環(huán)境產(chǎn)生顯著影響[1]。但現(xiàn)有公路、鐵路不能滿足青海和西藏地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展，因此，多年凍土區(qū)高等級公路的修筑是必然趨勢，但其寬幅高填方、黑色瀝青路面、厚重封閉路面層等結構特征及更大的工程體量將可能引起更大范圍和程度的多年凍土退化[2]。已有的研究表明[3-5]：瀝青路面結構層具有強烈的吸熱能力和阻滯路基土體水分蒸發(fā)的作用，寬幅路面較大的吸熱量使得路基中心產(chǎn)生明顯的“聚熱效應”，導致路基下部多年凍土退化程度及范圍擴大。因此，在全球氣候變暖情況下，路基的長期熱穩(wěn)定性成為擬建青藏高速公路工程建設所面臨的重大問題。在青藏公路和青藏鐵路修筑期間，研究者們已經(jīng)認識到多年凍土區(qū)修筑道路工程成功的關鍵在于路基[6]。對于多年凍土區(qū)高等級公路路基，俞祁浩等[7]利用土體熱流密度研究了不同路面和幅寬條件下凍土路基的傳熱特性，認為高等級公路瀝青路面寬度增加1倍，將導致路基底面年平均熱流量增加60%，多年凍土退化速率加快0.6 倍。朱東鵬等[8]認為高吸熱性的瀝青路面和路基幅面增寬的尺度效應將顯著增加路基的吸熱量，瀝青路面的熱效應對路基下部多年凍土影響比邊坡表面的顯著。汪雙杰等[9]分析了高、低溫多年凍土區(qū)高速公路寬幅路基的熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在高溫凍土區(qū)寬幅路基較窄幅路基表現(xiàn)出強烈的吸熱能力，導致基底吸熱量增大20%以上，路基下部多年凍土融化潛熱增大2.2倍以上，認為寬幅路基具有更大的融沉風險。馬勤國等[10]研究了5種路面寬度對路基下部多年凍土熱狀況的影響，發(fā)現(xiàn)路面寬度對路基內(nèi)和基底融化夾層面積具有很大影響，而且在不采取冷卻降溫措施情況下，路基修筑后20 a 不出現(xiàn)融化夾層的最大路面寬度為6.00 m。此外，為解決多年凍土區(qū)高等級公路寬幅路基“聚熱效應”的問題，一些研究者[11-12]提出采用分離式路基進行擬建青藏高速公路的修筑，并強調(diào)分離式路基之間存在相互熱干擾現(xiàn)象，但并未展開進一步研究。隨著西藏自治區(qū)的進一步發(fā)展，擬建青藏高速公路逐漸提上日程，但不能確定路基結構形式是選擇整體式還是分離式?；诖耍疚淖髡呃脭?shù)值模擬方法，對擬建青藏高速公路的路基選擇進行研究；考慮到不同年平均地溫和隔離帶寬度條件下分離式路基之間的相互熱干擾作用，對比分析分離式路基修筑后下部多年凍土的熱狀況變化，并采用分離式路基左右坡腳下部多年凍土上限差值和地溫差值來表示多年凍土溫度場的不對稱程度，以期為多年凍土區(qū)高速公路建設提供參考。

1 數(shù)學模型

1.1 計算模型及參數(shù)

本文以青藏高原不同地區(qū)的氣象條件和工程地質條件為依據(jù)，參照高等級公路設計標準，分別建立寬幅和窄幅整體式路基以及分離式路基計算模型。寬幅整體式路基(下面簡稱寬幅路基)：路面寬度為26 m，路基高度為3 m，路基邊坡坡度取1.0:1.5，路基兩側計算寬度為坡腳外30 m，計算深度為地表以下30 m；窄幅整體式路基(下面簡稱窄幅路基)的路面寬度為13 m，其余尺寸與寬幅整體式路基的相同；分離式路基路面寬度為13 m，兩幅路基之間隔離帶寬度分別取2，5，10，15，20，30 和50 m，其余尺寸與寬幅整體式路基的相同。整體式和分離式路基計算模型如圖1所示。其中，區(qū)域I為路基填土，區(qū)域II為碎石亞砂土，區(qū)域III為礫砂，區(qū)域IV為亞黏土，區(qū)域V為砂巖夾泥巖，各層具體參數(shù)如表1所示[13]。此外，為方便分析分離式路基溫度場分布規(guī)律，將其分為1-1和1-2兩部分進行研究。

1.2 控制微分方程

對于土層計算區(qū)域，由于熱傳導項遠大于熱對流項(為2~3 個數(shù)量級)，故忽略土體凍結和融化過程中的熱對流，僅僅考慮土骨架、介質水的熱傳導以及冰水相變作用，并采用顯熱容法處理含水介質的相變問題。假設含水介質相變發(fā)生在溫度區(qū)間(θm±Δθ)，考慮溫度間隔Δθ效應，認為介質在正凍和未凍時的體積比熱容Cf和Cu以及導熱系數(shù)λf和λu與溫度無關，因此，帶相變非穩(wěn)態(tài)溫度場問題的熱量平衡控制微分方程表示為[14-15]：

圖1 整體式和分離式路基計算模型Fig.1 Computation models of integral embankment and separated embankment

表1 路基模型土層的熱物理參數(shù)Table1 Thermal physical parameters of soil layers in embankment model

式中：Ce*和λ*e分別為土體等效體積比熱容和等效導熱系數(shù)；Cf和λf分別為凍土的體積比熱容和導熱系數(shù)；Cu和λu分別為融土的體積比熱容和導熱系數(shù)；Lw為水的相變潛熱；w和wu分別為凍土的總含水量和未凍水含量；θm為水介質相變溫度；θ為溫度。

1.3 初始條件和邊界條件

根據(jù)青藏高原長期的觀測資料及附面層理論[16]可知，天然地表、路基邊坡、瀝青路面的溫度變化均符合三角函數(shù)規(guī)律，若未來50 a 青藏高原氣溫升高約2.6 ℃[17]，則計算區(qū)域的熱邊界條件可表示為

式中：θ0為天然地面下附面層底的年平均溫度；A'為溫度邊界的年振幅；th為時間；α0為相位角，取決于路基修筑完成時間；當th=0，α0=0時，對應試驗段的初始日期為7月15日；Δθrate為年平均溫度升溫速率，本文取0.052 ℃/a。模型下界面KJ深度處的熱流密度q=0.06 W/m2；設定路基坡腳兩側外30 m 處邊界為絕熱邊界，即ANMLK和FGHIJ邊界的溫度梯度為0 ℃/m。

已有研究表明[18-20]，多年凍土區(qū)路基工程的熱穩(wěn)定性與年平均地溫密切相關。依據(jù)多年凍土年平均地溫的不同，青藏高原多年凍土區(qū)可劃分為4個區(qū)域：I 區(qū)為高溫極不穩(wěn)定區(qū)，即年平均地溫θcp≥-0.5 ℃；II區(qū)為高溫不穩(wěn)定區(qū)，即年平均地溫-1.0≤θcp＜-0.5 ℃；III區(qū)為低溫基本穩(wěn)定區(qū)，即年平均地溫-2.0≤θcp＜-1.0 ℃；IV 區(qū)為低溫穩(wěn)定區(qū)，即年平均地溫θcp＜-2.0 ℃。本文選取典型年平均地溫分別為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃的區(qū)域(對應年平均氣溫分別為-3.0，-3.5，-4.0和-4.5 ℃)進行研究，計算天然地表、路基邊坡和瀝青路面的年平均溫度θ0和年振幅A'如表2所示[10,16,21]。

將不考慮升溫的天然地表溫度方程(4)作為熱邊界條件進行長時間計算，直至得到穩(wěn)定的溫度場為止，此時得到的7月15日溫度場作為天然土層的初始溫度，而路基填土區(qū)域的初始溫度設定為該時間淺地表土層的年平均溫度。

1.4 模型驗證

在多年凍土區(qū)，青藏高速公路尚未修建，缺乏實測數(shù)據(jù)進行路基模型及參數(shù)的合理性驗證，故選取不同年平均地溫區(qū)域下天然場地的實測數(shù)據(jù)[22-24]與計算結果進行對比，如圖2所示。由圖2可以看出：計算獲得的多年凍土天然上限處于實測年平均地溫區(qū)域多年凍土上限范圍內(nèi)，說明建立的數(shù)值模型、選用的參數(shù)以及邊界條件能夠用于多年凍土區(qū)高速公路路基熱狀況的計算分析，所得計算結果也可為工程建設提供參考。

2 計算結果及分析

2.1 寬幅和窄幅路基對多年凍土的熱影響

在多年凍土區(qū)，工程修筑打破了原地表的熱量收支平衡狀態(tài)，引起下部多年凍土熱狀況發(fā)生改變，導致多年凍土融化及路基病害(不均勻沉降、裂縫等)的產(chǎn)生。計劃修筑的青藏高速公路具有寬幅高填方、黑色瀝青路面、厚重封閉路面層等結構特征，勢必引起更大范圍的多年凍土退化。為研究路基尺度效應對下部多年凍土的影響程度，將高溫極不穩(wěn)定(-0.5 ℃)、高溫不穩(wěn)定(-1.0 ℃)、低溫基本穩(wěn)定(-1.5 ℃和-2.0 ℃)這幾種年平均地溫下凍土區(qū)的寬幅和窄幅路基下部土體熱狀況進行對比分析。

表2 不同位置熱邊界參數(shù)Table2 Thermal boundary parameters of different surfaces

圖2 多年凍土上限計算結果與實測結果對比Fig.2 Comparison between the calculated and measured results of permafrost table

在數(shù)值計算中，不考慮路基兩側的陰、陽坡效應，所以，可選取1/2計算模型進行研究。年平均地溫分別為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃區(qū)域的寬幅和窄幅路基修筑后第50年10月下部土體溫度場分布情況如圖3所示，其中，X為距路基中心的水平距離，Y為距地面的垂向距離。由圖3可見：在相同年平均地溫情況下，寬幅路基對下部多年凍土的熱影響程度明顯比窄幅路基的大，尤其是-0.5 ℃的年平均地溫區(qū)域多年凍土退化程度最嚴重，路基下部形成范圍較大的融化盤。通過對比-0.5，-1.0，-1.5 和-2.0 ℃這4 種年平均地溫區(qū)域的寬幅和窄幅路基，得到寬幅路基中心下部多年凍土上限分別為-17.42，-12.71，-10.47，-8.10 m，凍土上限下降速率分別為0.299，0.207，0.166和0.125 m/a；窄幅路基中心下部多年凍土上限分別為-14.69，-9.05，-6.80和-5.50 m，凍土上限下降速率分別為0.244，0.134，0.093 和0.073 m/a；除0 ℃等溫線外，路基下部20 m 深度范圍內(nèi)，寬幅路基多年凍土等溫線所對應的深度均低于窄幅路基同一等溫線的深度。由此可見，寬幅路基多年凍土上限和地溫變化幅度比窄幅路基的顯著，而且多年凍土上限和上限下降速率均與年平均地溫有關，如高溫凍土區(qū)(年平均地溫大于-1.0 ℃)的多年凍土退化程度比低溫凍土區(qū)的大。

無論是寬幅路基還是窄幅路基的修筑，均能夠引起下部多年凍土地溫顯著升高。年平均地溫分別為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃區(qū)域的寬幅和窄幅路基修筑前以及修筑后第5，25，50年10月份中心下部6 m 深度土體地溫變化情況如圖4所示。由圖4可見：在不同年平均地溫區(qū)域中，在路基修筑初期(第5年)，寬幅路基和窄幅路基對下部多年凍土地溫的影響程度相差較小，但隨著運營時間的增加，寬幅路基的“聚熱效應”對下部多年凍土的影響程度顯著增強，尤其是路基修筑后第50年，年平均地溫為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃區(qū)域的寬幅路基中心下部6 m深度土體地溫比窄幅路基的分別高0.61，0.87，0.82，0.48 ℃，并且除低溫基本穩(wěn)定(-2.0 ℃)凍土區(qū)的窄幅路基外，多年凍土地溫均變?yōu)檎郎亍＝Y合寬幅和窄幅路基下部多年凍土熱狀況，發(fā)現(xiàn)在4種年平均地溫情況下，寬幅路基相比窄幅路基對下部多年凍土熱影響顯著，其產(chǎn)生的融化區(qū)可直接導致路基失穩(wěn)，不利于工程安全，尤其是高溫極不穩(wěn)定(-0.5 ℃)多年凍土區(qū)處于嚴重的退化狀態(tài)。因此，擬建青藏高速公路應考慮使用分離式路基進行修筑。

2.2 分離式路基對多年凍土的熱影響

2.2.1 不同年平均地溫區(qū)域的分離式路基多年凍土熱狀況分析

圖3 寬幅及窄幅路基修筑后第50年下部土體溫度場分布Fig.3 Soil temperature distributions beneath wide and narrow embankments in the 50th operation year

圖4 寬幅和窄幅路基中心下部6 m深度土體地溫變化Fig.4 Variations in soil temperature at 6 m depth beneath the centerline of wide and narrow embankments

在數(shù)值計算中，不考慮路基兩側陰陽坡效應，兩幅分離式路基下部土體溫度場呈對稱分布，下文均選取分離式路基1-1區(qū)域進行研究。圖5所示為在4種年平均地溫區(qū)域條件下，不同隔離帶寬度的分離式路基修筑后第50年10月份下部土體0 ℃等溫線分布情況。由圖5(a)可見：當隔離帶寬度為2 m 時，4 種年平均地溫區(qū)域的分離式路基對下部多年凍土的熱影響具有顯著差異，其中，0 ℃等溫線形態(tài)變化表明路基兩側溫度場存在嚴重的不對稱分布，而且隨著年平均地溫的升高，0 ℃等溫線變化深度以及不對稱程度呈現(xiàn)增加趨勢；但隨著隔離帶寬度的增加，-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃年平均地溫區(qū)域的分離式路基下部0 ℃等溫線的不對稱性逐漸減??；當隔離帶寬度為20 m 時，多年凍土溫度場的不對稱現(xiàn)象基本消失，說明隔離帶寬度的增加能夠弱化兩幅分離式路基之間的相互熱干擾。此外，如圖6所示：分離式路基修筑后第50年，-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃年平均地溫區(qū)域分離式路基下部15 m 多年凍土地溫發(fā)生顯著升溫，尤其是高溫極不穩(wěn)定(-0.5 ℃)凍土區(qū)出現(xiàn)正溫，并受到隔離帶寬度的顯著影響。結合圖5和圖6發(fā)現(xiàn)低溫凍土區(qū)路基下部多年凍土升溫幅度比高溫凍土區(qū)的大，但低溫凍土區(qū)多年凍土上限下降幅度比高溫凍土區(qū)的小，這說明在高溫凍土區(qū)，路基修筑所吸收的熱量主要貢獻于多年凍土上限(0 ℃等溫線)的下降，而在低溫凍土區(qū)，主要用于下部多年凍土的升溫，使得其多年凍土上限下降幅度比高溫凍土區(qū)的小。因此，擬建青藏高速公路可使用分離式路基來代替整體式路基進行修筑，但考慮到兩幅分離式路基之間的相互熱干擾作用，選擇合理的隔離帶寬度至關重要。

2.2.2 多年凍土上限不對稱分析

通過分析不同年平均地溫和隔離帶寬度條件下分離式路基下部多年凍土的熱狀況，發(fā)現(xiàn)隔離帶寬度越小的分離式路基相互熱干擾作用越強烈，路基兩側多年凍土上限差別也越大。年平均地溫為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃條件下隔離帶寬度為2 m的分離式路基中心及左右坡腳多年凍土上限隨運營時間的變化關系如圖7所示。由圖7可見：路基修筑初期(第2年)，年平均地溫分別為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃的區(qū)域路基中心下部多年凍土上限發(fā)生不同程度的抬升，分別抬升約0.36，0.83，0.88 和0.88 m；隨著年平均地溫的降低，多年凍土上限維持抬升的時長顯著增加，這是因為多年凍土上限的抬升及維持是以消耗下部土體的冷能為代價，與低溫凍土區(qū)相比，高溫凍土的冷能儲量相對較少，大部分用于抵消路基修筑所產(chǎn)生的吸熱量，能夠貢獻于上限抬升的冷量有限，進而導致其多年凍土上限抬升幅度及速率比低溫凍土區(qū)的??；此外，在路基修筑后第10年，高溫極不穩(wěn)定(-0.5 ℃)凍土區(qū)路基左右坡腳多年凍土上限差值明顯比其他年平均地溫區(qū)域的要大，上限差值達到0.59 m，但低溫基本穩(wěn)定(-2.0 ℃)凍土區(qū)不僅左右坡腳多年凍土上限差值較小，而且路基中心多年凍土上限仍處于抬升狀態(tài)。這是因為高溫凍土對溫度變化較為敏感，多年凍土冷能儲量較少，不足以抵消路基填土所帶來的熱量和上限抬升所需要的冷量，并且極易受到兩幅分離式路基之間的相互熱干擾，從而導致左右坡腳多年凍土上限差值較大。

隨著運營時間的增加，無論是高溫凍土還是低溫凍土，路基中心及左右坡腳多年凍土上限均增大，而且左右坡腳多年凍土上限差值也相應增大。路基修筑后第50年，年平均地溫分別為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃的區(qū)域路基中心多年凍土上限分別為-15.75，-9.87，-7.49和-6.28 m，左右坡腳多年凍土上限差值分別為4.52，2.98，1.91 和1.12 m。由此可見，在不考慮路基陰陽坡效應前提下，不同年平均地溫區(qū)域的分離式路基對下部多年凍土的熱影響程度存在顯著差別，不僅表現(xiàn)在路基中心多年凍土上限的變化，而且左右坡腳多年凍土上限差值也受到年平均地溫的影響，即路基兩側的不對稱性與年平均地溫有關。

圖5 不同年平均地溫和隔離帶寬度下分離式路基修筑后第50年0 ℃等溫線分布Fig.5 0 ℃isotherm distribution beneath separated embankment in the 50th operation year under condition of different annual mean ground temperatures and separating strip widths

圖6 不同年平均地溫和隔離帶寬度下分離式路基修筑后第50年中心下部15 m深度土體地溫Fig.6 Soil temperatures at 15 m depth beneath the centerline of separated embankment in the 50th operation year under the condition of different annual mean ground temperatures and separating strip widths

為量化分析兩幅分離式路基之間相互熱干擾作用所引起路基兩側多年凍土上限的不對稱程度，研究分離式路基修筑后第50年，不同年平均地溫區(qū)域的分離式路基左右坡腳多年凍土上限差值隨隔離帶寬度的變化，如圖8所示。由圖8可見：左右坡腳上限差值受到隔離帶寬度和年平均地溫的顯著影響，隨著隔離帶寬度的增加和年平均地溫的降低而減小。當年平均地溫為-0.5 ℃時，隔離帶寬度為2 m的分離式路基左右坡腳多年凍土上限存在嚴重的不對稱分布，差值達到4.52 m；當隔離帶寬度增加到20 m 時，左右坡腳多年凍土上限差值顯著減小，約為0.14 m；當年平均地溫為-2.0 ℃時，隔離帶寬度為2 m的分離式路基左右坡腳多年凍土上限差值為1.12 m，而隔離帶寬度增加到5 m 時，左右坡腳上限差值減小到0.12 m。之后，隨著隔離帶寬度的增加，左右坡腳上限差值均小于0.10 m，說明年平均地溫對路基兩側多年凍土上限的不對稱分布具有很大影響，尤其是高溫凍土區(qū)的路基兩側表現(xiàn)出較為嚴重的不對稱性。若左右坡腳多年凍土上限差值小于0.10 m，則認為分離式路基兩側溫度場不對稱分布可以忽略，年平均地溫分別為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃區(qū)域的分離式路基不存在相互熱干擾，所對應的隔離帶寬度區(qū)間分別為20~30，15~20，10~15 和5~10 m。可見，兩幅分離式路基之間合理的隔離帶寬度與年平均地溫存在較大關系。

2.2.3 多年凍土地溫不對稱分析

圖7 隔離帶寬度為2 m的分離式路基中心及左右坡腳多年凍土上限變化曲線Fig.7 Changing curves of permafrost table beneath the centerline,left and right slope feet of separated embankment with separating strip width of 2 m

圖8 不同年平均地溫區(qū)域的分離式路基修筑后第50年左右坡腳多年凍土上限差值變化曲線Fig.8 Changing curves of permafrost table beneath the left and right slope feet of separated embankment in the 50th operation year at regions with different annual mean ground temperatures

為分析兩幅分離式路基之間相互熱干擾作用對下部多年凍土地溫的影響，分別研究年平均地溫為-0.5，-1.0，-1.5 和-2.0 ℃時隔離帶寬度為2 m的分離式路基中心及左右坡腳下部6 m深度土體地溫隨運營時間的變化，如圖9所示。由圖9可見：無論是高溫凍土區(qū)還是低溫凍土區(qū)，路基修筑后，多年凍土地溫均呈現(xiàn)出明顯升高，而且瀝青路面吸收的熱量主要聚集于路基中心，使得中心下部多年凍土地溫升溫幅度較大。隔離帶寬度較小的分離式路基之間存在強烈的相互熱干擾作用，導致路基右坡腳多年凍土地溫升溫幅度比左坡腳的大。當年平均地溫為-0.5 ℃時，路基修筑初期下部多年凍土升溫幅度比其他年平均地溫區(qū)域的小，而且左右坡腳多年凍土地溫差值也相對較小。但在路基修筑后第30年，路基下部多年凍土地溫顯著升高，左右坡腳地溫差值也逐漸增大，到第50年時，路基中心及右坡腳下部6 m 深度多年凍土地溫升高到1.72 ℃，左右坡腳地溫差值達到0.94 ℃。隨著年平均地溫降低，分離式路基修筑后第50年中心及左右坡腳多年凍土地溫逐漸減小，年平均地溫為-1.0，-1.5和-2.0 ℃區(qū)域路基中心下部多年凍土地溫分別為0.80，0.30 和0.04 ℃，左右坡腳多年凍土地溫差值分別為0.68，0.33 和0.23 ℃，說明分離式路基修筑對下部多年凍土的影響程度與年平均地溫有關。

圖9 隔離帶寬度為2 m的分離式路基中心及左右坡腳土體地溫變化曲線Fig.9 Changing curves of soil temperatures beneath the centerline and slope feet of separated embankment when separating strip width is 2 m

分離式路基左右坡腳下部多年凍土地溫差值可用來表示路基兩側溫度場的不對稱程度，同時也可反映出兩幅分離式路基之間的相互熱干擾程度。不同年平均地溫區(qū)域的分離式路基修筑后第50年左右坡腳下部6 m深度多年凍土地溫差值隨隔離帶寬度的變化曲線如圖10所示。由圖10可見：分離式路基左右坡腳下部多年凍土地溫差值受到隔離帶寬度和年平均地溫的顯著影響，尤其是隔離帶寬度較小的兩幅路基之間相互熱干擾作用較為強烈，導致路基左右坡腳下部多年凍土地溫呈現(xiàn)出嚴重的不對稱，而且高溫凍土區(qū)的不對稱程度比低溫凍土區(qū)的顯著，更加容易引起路基不均勻變形、裂縫等病害的發(fā)生。隨著年平均地溫升高，分離式路基左右坡腳多年凍土地溫差值逐漸增大，尤其是高溫極不穩(wěn)定(-0.5 ℃)凍土區(qū)的分離式2 m路基兩側多年凍土地溫差值達到0.94 ℃，但隨著隔離帶寬度的增加，左右坡腳地溫差值逐漸減小，即兩幅路基之間的相互熱干擾作用減弱。此外，從左右坡腳下部6 m深度多年凍土地溫差值來看，年平均地溫為-0.5，-1.0，-1.5和-2.0 ℃區(qū)域的分離式路基不發(fā)生相互熱干擾對應的隔離帶寬度均為20 m。

圖10 不同年平均地溫區(qū)域的分離式路基修筑后第50年左右坡腳多年凍土地溫差值變化曲線Fig.10 Changing curves of soil temperatures beneath the left and right slope feet of separated embankment in the 50th operation year at regions with different annual mean ground temperatures

3 結論

1)寬幅路基相比窄幅路基具有強烈的吸熱特性，導致其下部多年凍土上限、上限下降速率以及地溫升溫幅度均比窄幅路基的大，而且路基修筑對下部多年凍土的熱影響程度與年平均地溫有關，即年平均地溫越高，多年凍土退化越嚴重。

2)分離式路基修筑對下部多年凍土的影響程度隨年平均地溫的降低和隔離帶寬度的增加而減小；在高溫凍土區(qū)，路基修筑帶來的熱量主要消耗于多年凍土上限的降低，而在低溫凍土區(qū)，路基修筑帶來的熱量主要作用于下部多年凍土的升溫。

3)分離式路基之間存在相互熱干擾現(xiàn)象，導致兩幅路基相鄰一側的多年凍土退化嚴重，造成路基兩側溫度場的不對稱分布，但隨著年平均地溫的降低和隔離帶寬度的增加，這種不對稱程度逐漸減小，而且當隔離帶寬度大于20 m 時分離式路基下部多年凍土溫度場的不對稱現(xiàn)象可以忽略，即兩幅路基不存在相互熱干擾現(xiàn)象。

4)分離式路基能夠有效弱化整體式路基所引起的聚熱效應，但仍然對下部多年凍土存在較大的熱影響，并不能避免多年凍土的升溫和退化，也不能保證路基工程的長期熱穩(wěn)定性。因此，擬建青藏高速公路的修筑必須考慮冷卻降溫措施的應用，且有必要開展針對高等級公路自身特點的降溫措施研究。