季节性冻土路基工程温度场变化的数值模拟研究

道 桥 技 术Numerical Simulation Study on Change of Temperature Field in Seasonal Frozen Soil Subgrade Engineering

季节性冻土路基工程温度场变化的数值模拟研究王劭琨

（陕西工业职业技术学院 土木工程学院，陕西 咸阳 712000）

　　摘　要：本文建立了青藏公路楚玛尔河路段某冻土路基工程的FLAC 3D数值模拟模型，分析了不同季节的阴阳坡效应和路基内部土体的温度变化规律，研究了温室效应对路基内部土体温度分布的影响规律。研究成果表明：（1）春夏秋冬环境条件下，阳坡和阴坡的温差分别为4℃、0℃、3℃和8℃；（2）在同一水平高度，路基内部土体的温差在夏季相差不明显、春秋季节较为明显、冬季最为明显；（3）温室效应会造成路基内部土体温度整体升高，导致路基土体的冻融交界线每10年会提升约0.6m。

　　关键词：冻土路基；数值模拟；阴阳坡；季节；温室效应

　　中图分类号：TU445　　　　文献标识码：A　　　　文章编号：1005-8249（2020）01-0126-04

WANG Shaokun

（College of Civil Engineering, Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, China）

highway was established. The yin-yang slope effect in different seasons and the temperature variation rule of soil inside the roadbed were analyzed. And the influence rule of greenhouse effect on the temperature distribution of soil inside the roadbed was studied. The results of the research showed that :（1）Under the environmental conditions of spring, summer, autumn and winter, the range of temperature between the sunny slope and the negative slope were 4℃, 0℃, 3℃ and 8℃ respectively.（2）At the same height level, There is no obvious difference in the range of temperature of soil mass inside subgrade, it was obvious in spring and autumn, and most invisible in winter; （3）Greenhouse effect would lead approximately 0.6m every 10 years.

　　Abstract: In this paper, the FLAC 3D numerical simulation model of a permafrost roadbed project in chumar river section of qinghai-tibet

to the overall increase of soil temperature in subgrade, resulting in the freezing-thawing boundary of the roadbed soil which would increase to

　　Keywords: permafrost roadbed; numerical simulation; the yin-yang slope; season; the greenhouse effect

0　引言

青藏工程走廊北起青海省格尔木市，南至自治区拉萨市，是一条横穿青藏高原腹地的、宽度不足10km的国家重大基础工程与设施建设走廊

6

2

［1］

。冻土不可避免的对该地之间的称为季节性冻土［4］

区公路建设施工和后期维护产生影响，尤其是季节。性冻土的冻融循环作用更是增大维护难度［5］

阴阳坡现象是山区地理的研究范畴，坡向对山区生态环境有显著影响，阴阳坡两侧存在气候差异，

［6］

。温室效应引发全球气候变暖，产生不同的生态环境

。青

藏高原冻土区面积达到1.73×10km，占我国总冻土。冻土可分为短时冻土、季区面积的80%左右［2-3］

节性冻土和多年冻土，其中冻结时间在半月至数月

。阴阳坡现象和温室造成了冻土区逐年发生变化［7］

效应的共同作用，导致季节性冻土区公路建设施工和后期维护需要在空间和时间上差别对待，进一步增大了建设施工和后期维护的难度。因此，研究季节性冻土路基工程温度场变化规律具有十分重要的意义。

　　作者简介：王劭琨（1983-），男，硕士，讲师，研究方向：公路施工管理、路基防护，桥梁损伤检测。　　收稿日期：2019-07-09

·126·

2019 NO.3王劭琨：季节性冻土路基工程温度场变化的数值模拟研究 2020年第1期

1 数值模拟方案设计

1.1 工程概况

青藏公路楚玛尔河路段某路基断面填土高度为3m，顶面宽度为5m，两侧边坡坡度为1:1.5，路基下方20m内土层由上至下依次为2m厚的碎石砂土、 6 m厚的粉质黏土以及12m厚的风化泥岩。该路基断面温度受季节性以及阴阳坡效应影响显著，全年温差变化可达30℃［8-9］

。1.2 数值模型建立根据上述实际工程情况，采用FLAC 3D建立青藏公路季节性冻土路基工程数值模拟模型，如图1所示。为消除横向以及竖向热边界效应影响，取模型宽度为80m，高度为23m，厚度为1m。整个模型共划分1700个单元和3612个节点。另外，为分析路基工程内部土体温度随季节的变化规律，在路基填土底部（测线A）以及中部（测线B）各布置了1条温度测线。

图1 季节性冻土路基工程数值模拟模型

Fig.1 Numerical simulation model of seasonal permafrost subgrade

engineering

1.3 计算条件

模拟冻土路基温度场随季节性变化时，首先对模型内各土层赋予如表1所示的热力学参数，然后基于现场监测数据，将天然地表、路基顶面、边坡坡面温度拟合为如式（1）所示的正弦函数施加于模型

各边界位置进行热力学分析［8-9］

。如考虑未来50年内，路基工程周围温度会因温室效应影响而上升2.6℃，则在式（1）基础上，对模型施加式（2）所示的温度边界条件。

（1）

（2）

道 桥 技 术式中： 为实时温度，℃； 为年平均温度，℃；为温度振幅，℃；为时间，h。由于存在阴阳坡效应，地表以及路基表面的温度参数并不一致，其中，路基顶面沥青层为3.0℃，为11℃；路基阳坡=2.5℃，=12.5℃；路基阴坡为-1.5℃，为15.5℃；天然地表为-1℃，为11.5℃。

表1 路基内各土层的热力学参数

Table 1 The rmodynamic parameters of each soil layer in subgrade

土层名称密度/（kg/m3）比热容

/［W/（m·K）

导热系数 ］

/［J/（kg·℃）］

路基填土210071252碎石砂土17106552584粉质黏土16506022945风化泥岩

1824

6566

1053

2 计算结果分析

2.1 冻土路基工程温度场随季节的变化

不同季节下冻土路基工程的温度场分布如图2所示。

春天环境条件下，路基工程两侧天然地表温度约为-2℃，并由上向下，温度逐渐减小为-6℃，表明该季节下路基下方土体虽都属于冻结状态，但上方土体已经开始受空气温度影响逐渐解冻；此时，路基两侧阴阳坡效应较为明显，阳坡温度约为3℃，而

阴坡则约-1℃，两侧温差为4℃，这种情况下容易导致路基填土发生不均匀沉降，影响车辆通行。

夏天环境条件下，路基两侧地表温度达到全年最高温度10℃，深部位置土体则约为0℃，说明该季节路基下方土体已全部解冻，并随外界空气温度升高而逐渐升高；此时，路基填土最大温度出现在路基顶面，约为18℃，路基两侧边坡温度则都约为14℃，说明该季节路基工程阴阳坡效应不明显，路基填土能够均匀沉降，对行车有利。

秋天环境条件下，路基两侧地表温度为-1℃而深处为6℃，说明路基表层土体开始受秋天降温影响出现冻结，而深部土体受空气温度影响相对滞后，其温度仍保持在夏天的高温状态；此时，路基顶面温度为3℃，两侧阴阳坡温度分别为-1℃和2℃，阴阳坡效应对路基填土的变形影响开始逐渐显现。

·127·

第34卷 第1期期2020年 2月道 桥 技 术冬天环境影响下，路基两侧地表温度为-12℃，深部土体温度也由秋天的6℃降低至0℃，表明路基内部所有土体都进入冻结状态，此时，路基顶部温度为-12℃，两侧阴阳坡温度分别为-18℃和-10℃，相差8℃，达到全年最大差值，说明冬天环境下，路基的阴阳坡效应最为明显。

（a） 春

（b） 夏

（c） 秋

（d） 冬

图2 不同季节下冻土路基工程的温度分布图

Fig. 2 Temperature distribution of permafrost subgrade

project in different seasons

随着全年太阳辐射量的变化，季节性冻土路基工程内部土体温度随月份的变化而变化，温度曲线如图3所示。由图3（a）可以看出，7月份路基土体温度最高，约为10℃~15℃；1月份路基土体温度最低，约为-18℃~-13℃；5月份与9月份路基土体温度相当，约为5℃~10℃；3月份路基土体温度则与11月份大致相同，约为-10℃~-2℃。同一月份条件下，路基下方土体的温度要比两侧稍高约2℃~5℃，而且受阴阳坡效应的影响，路基两侧边坡下方土体的温度相差也较大，尤其以1月份最为明显，相差可达8℃。由图3（b）可以看出，同一月份下，受太阳辐射以及热传递的影响，不同深度位置土体的温度相差较大：1月份路基顶部的温度最低，越往下温度越高，·128·

Vol.34 No.1Feb. 2020

顶底部土体温度相差约为13℃；3月份路基顶部土体的温度要稍高于底部的温度，两者相差约2℃；5月份受气温影响，路基顶部土体开始解冻，其上部土体温度约为10℃，而底部土体则处于冻结状态，其温度约为-5℃，冻融交界线位置为路基顶部往下9m；7月份，路基土体都处于融化状态，其温度由上往下，从18℃降低至1℃；9月份，路基顶部土体开始降温，而深部土体则开始升温，此时，顶底部温度相差约5℃；11月份，路基顶部土体开始由融化状态进入冻结状态，其温度变为-4℃，而深度土体温度则变化不大，仍保留在5℃。由此可见，路基工程外界温度随季节性的变化对路基内部土体温度的影响很大，应密切监测路基土体冻融状态转化对路基土体变形的影响，方能保证公路的安全使用。

（a）测线A

（b）测线B

图3 路基工程内部土体温度随月份的变化曲线

Fig. 3 The variation curve of soil temperature with months in

subgrade engineering

2.2 温室效应对冻土路基工程温度场的影响

根据式（2）所示的温度边界条件进行计算，得到温室效应影响下路基工程土体在冬天环境中的温度分布，如图4所示。可以看出，温室效应影响下

2019 NO.3王劭琨：季节性冻土路基工程温度场变化的数值模拟研究 2020年第1期

路基土体温度在横纵向的分布型式基本不发生变化，

但路基土体的温度则整体提高，而且其与年份基本呈线性关系。由图4（a）可知，受阴阳坡效应的影响，同一水平线上，路基土体温度在路基中心偏阳坡的方向最高，其比两侧正常土体高约3℃；而路基土体温度则在阴坡下方最低，其比两侧正常土体低约4℃。随着外界地表温度的提高，同一水平线上路基土体温度每10年提高约0.5℃。由图4（b）可知，随着外界地表温度的提高，不同深度位置土体的温度也逐渐提升，导致路基土体的冻融交界线每10年会提升约0.6m，由此导致的路基冻胀融沉问题也应引起公路建设者们的重视。

（a）测线A

（b）测线B

图4 温室效应影响下土体温度随年份的变化曲线

Fig. 4 The change curve of soil temperature with years under the

influence of greenhouse effect

3 结论

本文根据青藏公路楚玛尔河路段某路基断面的实际情况，建立了冻土路基工程FLAC 3D数值模拟

道 桥 技 术模型，分析了冻土路基工程内部土体随季节和温室效应的变化规律。主要结论如下：

（1）春天、秋天和冬天环境条件下，阳坡和阴坡的温差分别为4℃、3℃和8℃，夏季阴阳坡的温度均为14℃，阴阳坡效应不明显；

（2）在同一水平高度，路基内部土体的温差在夏季相差最小、春秋季节较为明显、冬季最为明显；

（3）路基工程外界温度随季节性的变化对路基内部土体温度的影响很大，应密切监测路基土体冻融状态转化对路基土体变形的影响；

（4）温室效应对路基内部土体的温度分布形式无显著影响，但造成整体温度升高，导致路基土体的冻融交界线每10年会提升约0.6m。

参　考　文　献

杨凯飞，穆彦虎，毕贵权，等．青藏工程走廊道路工程阴阳坡

效应研究现状及展望［J］．防灾减灾工程学报，2019，39（01）: 180-190．

齐吉琳，马巍．冻土的力学性质及研究现状［J］．岩土力学，

2010，31（01）: 133-143．

程国栋. 局地因素对多年冻土分布的影响及其对青藏铁路设计

的启示［J］．中国科学:地球科学, 2003 （06）:602-607.

马巍，刘端，吴青柏．青藏铁路冻土路基变形监测与分析［J］．

岩土力学，2008，29（03）: 571-579．

俞祁浩，樊凯，钱进，等．我国多年冻土区高速公路修筑关键问

题研究［J］．中国科学: 技术科学，2014，44（04）: 425-432．

G K A Dek B，Leszkiewicz J．Impact of climate warming on the

ground surface temperature in the sporadic permafrost zone of the Tatra Mountains，Poland and Slovakia［J］．Cold Regions Science & Technology，2012，79-80．

高学杰，赵宗慈，丁一汇，等．区域气候模式对温室效应引起

的中国地区气候变化的数值模拟［J］．大气科学进展，2003（02）:

165-169．

刘戈，陈建兵，金龙，等．多年冻土区宽幅沥青路面结构层

温度场的分布规律及影响［J］．中外公路，2015，35（04）: 53-58．

杨凯飞，穆彦虎，马巍，等．气候变暖下青藏高原冻土路基地

温场演化规律研究［J］．地震工程学报，2018，44（04）: 734-744.

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