冻土路基降温机理与设计施工要点

冻土对温度十分敏感，其工程力学性质受温度影响显著，冻结与融化状态下其力学承载能力反差较大。气候变化与人类工程活动很容易引起多年冻土的地温变化，导致冻土的力学性质也会随之变化，冻土这种典型的动态不稳定特性给道路建设带来巨大困难。

在多年冻土区修筑路基工程，上部路基结构会影响原地表与环境的换热，加之，沥青路面具有聚热效应，必然破坏原有的热量平衡，其结果往往引起活动层厚度增大，严重者，甚至引发诸如冻融滑坡、热融湖塘等诸多不良冻土地质现象。因此，多年冻土地区工程设计，必须采取各类措施来调节地、气、工程与冻土间的热量平衡关系，尽量使冻土地基温度降低，确保冻土地基的热学稳定性。

1   特殊路基结构分析

一些专家学者提出了不同的冷却措施保护下覆多年冻土，可分为被动冷却措施和主动冷却措施，其中，被动措施以保持地温的初始状况或减缓冻土退化为主，主动措施则主要通过工程措施来积极地冷却冻土，以达到降低冻土温度，使其长期保持冻结状态。从传热理论角度来讲，多年冻土地区的路基热调控的原理无非是通过调控热辐射、热对流与热传导。

1.1   调控热辐射措施

调控辐射措施主要在路面喷涂防辐射材料、或增加附属结构对辐射源进行遮挡，通过减少路基结构的辐射量，从而达到局部降温的效果。常见的工程措施包括：浅色路面、遮阳棚路基、遮阳板路基等。

（1）浅色路面是通过将沥青路面进行刷白，通过提高路面结构的太阳辐射反射率，从而减少热量流入，达到降低地温的目的。美国学者曾开展过浅色路面现场试验研究，他们利用浅色涂料对局部路面进行粉刷，并利用温度传感器对地面温度进行长期监测，结果发现，与沥青路面相较，白色路面的下伏冻土融化深度与路面变形均更低。中国科学院也曾在青藏公路开展浅色路面研究，结果发现，浅色路面与砂砾石路面的下伏冻土上限变化基本相同，且均高于沥青路面下的冻土上限，证实了浅色路面热调控措施的有效性。然而，在长期运行过程中，由于汽车轮胎的磨损，浅色路面容易发生黑化，其作用效果也随之降低。

（2）遮阳棚或遮阳板同样属于主动冷却措施，美国学者曾在阿拉斯加公路开展遮阳板试验路段现场研究，结果表明遮阳板可以有效减少路基边坡的吸热量，其坡面温度较未遮挡路段降低越6℃左右，可以起到保护冻土的作用。国内专家学者在青藏高原地区也开展过遮阳棚路基试验段研究，其结果同样表明遮阳棚具有主动冷却冻土的作用。然而，因为青藏高原地区多烈风，像遮阳棚与遮阳板这类附属结构显然会影响地表气流场分布，其自身在风荷载作用下也极易发生破坏，威胁到交通通行安全，此外，遮阳板（棚）结构材料也存在耐久性问题，这类结构措施固有缺点，导致其未能得到广泛 应用。

1.2   调控热对流措施

调控对流措施主要是利用空气对流来加速路基热量释放，从而达到冷却路基的目的。其工程措施主要包括碎石路基，块石路基和通风管路基等。

块石路基是青藏铁路、公路多年冻土段常见的路基结构形式。多年冻土地区寒季空气温度极低，相较之下，块石层下部冻土温度更高，冷热空气之间必然存在温度差（压力差），在空气压力作用下形成自然对流，冷空气下降，暖空气上升，从而将路基下伏地层的热量带出路基，起到保护多年冻土的目的。暖季时，块石层温度较高，路基下伏冻土温度更低，块石层中，冷空气在下，暖空气在上，不能形成自然对流，二者之间仅能发生热传导，而空气的导热性能极差，因此，暖季块石路基并不会带入很多热量。块石层起到“阻热、传冷”特性，使得块石路基内年均温度下降，促使冻土人为上限上升。块石路基设计施工时需要考虑：年平均气温、湿度、风速、风向等外部因素；多年冻土的年平均地温、冻土类型、融化深度、地形与植被覆盖率等本质因素；路基高度、路面材料、块石粒径等人为因素。

通风管路基利用通风管中空气对流，暖季可带出热量；寒季可以降低路基中土体的温度，增加基底下多年冻土地基的冷储量属于主动冷却型措施。通风管内的气流存在两种运动：一种是外力迫使气流穿过通风管的强迫对流，另一种是空气密度差引起的自然对流。通风管应用需要一定的气候环境，气温使通风管内的冻结指数大于融化指数的2倍时，才具有潜在冻结能力，使管底的冻结深度大于融化深度，进而保持冻土地基的热稳定性。通风管路基的设计过程主要考虑通风管管材与管径、通风管铺设间距与深度、通风管辅助结构与防护措施等因素。在施工阶段需要注意：1）路基基地草皮不清除，用重型振动压路机将碎石压人地表土层；2）按埋设深度与间距的设计要求，进行沟槽开挖和通风管布设；3）通风管管周应铺设中粗砂保护层；4）管顶铺设不小于0.2m中粗砂后，按路堤压实度填筑和压实。

1.3   调控热传导措施

调控热传导方式主要通过增大路基结构的传热热阻，或降低暖季热流入量、或增大冷季的冷流入量，以控制路基下伏冻土的年净吸热量。常见的工程措施有：高填方路基、保温板路基、热棒路基等。

保温板路基是在路基内铺设一层隔热保温层，利用其低导热性阻滞路面结构的热量流入，从而起到保护冻土低温状态，防治冻土上限退化的作用。作为一种特殊路基结构，应用保温层来维持冻土路基的热稳定性已经有近50年的历史，近年来我国冻土路基建设也采用保温结构。事实证明在低温多年冻土地区，路基工程中采用隔热保温层具有较好的长效效果，但对于高温多年冻土区的路基工程，还需要配合其他冷却措施，以达到保持冻土路基稳定性的长效效果。

保温路基在设计施工中，需要判断保温路基的使用条件，选择合适的保温材料、确定保温层厚度以及埋置深度。施工过程应避开最大融化深度的季节，宜选择在寒季末，暖季初时节，在土层融化前进行隔热保温层铺设，通常要在6月底之前完成。

热棒是一种气液两相闭式热虹吸管。在寒季，当冻土温度高于空气温度时，热棒蒸发段管内的液体工质吸热气化上升至冷凝段；由于冷凝段所处的环境温度较低，管内气态工质遇冷液化，并沿内壁回流入蒸发段液池之中，如此完成一次制冷循环。在多年冻土区漫长的寒季中，制冷工质通过不断地蒸发（吸热）与冷凝（放热），持续将冻土地基的热量传递向大气环境，从而起到保护多年冻土的作用。在暖季，空气温度高于冻土温度，此时，由于冷凝段中气态工质不能将热量传向空气，管内工质无法产生气液两相循环。所以，热棒用于多年冻土区、寒区，能使冻土地基冷却降温，暖季却不会使冻土地基升温。

热棒自身具有比金属更加优良的导热性能，其作为“冷却路基”的首选，被广泛应用于公路、铁路、输电塔基、输油管道等工程结构中，特别是在路基工程中，可以起到维护多年冻土热稳定性的目的。热棒路基在设计施工中，需要考虑气温、风速、地表温度、路基几何尺寸、地层土体热物理参数，地层岩性、冻土类型、冻土上限、年变化深度及年平均地温等因素。

1.4   综合调控措施

随着研究与工程实践的深入，研究人员对各种冷却措施进行进一步的组合，从而提出许多新型复合路基形式，以满足高等级公路建设的需要。其中，基于块石结构的复合路基相对较多：针对高温冻土区块石护坡结构降温效果弱以及易受风沙填堵等问题，专家提出一种将遮阳板块与块石护坡结合起来的新型复合护坡结，结果表明复合措施降温效果明显优于单一措施；为解决宽幅路基中部制冷差等问题，提出了L形热管—块石护坡复合路基、通风管—块石基底复合路基、通风管—空心块基底复合结构以及块石基底—空心块护坡复合路基结构，研究结果表明新型复合结构可以保护宽幅路基下部多年冻土，多年冻土路基的热稳定性得到了改善。

2   结束语

上述结构措施在寒区道路建设中起到了至关重要的作用，但在道路的长期服役过程中，冻土病害问题仍时有发生，多年冻土问题仍未得到根本解决，特别是随着“一带一路”倡议的提出，诸如“北京—莫斯科高铁”“中国—俄罗斯—美国—加拿大高铁”等众多高寒地区铁路项目也在酝酿之中。未来通过开发新技术、新产品、提出更为有效地保护冻土结构措施显得愈发重要。