太阳辐射与非典型性降雨交互作用下冻土路基长期稳定性: 以王繁高速为例

薛婧文; 贾剑青; 高佳美

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503231

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (8) :3476-3487 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503231

交通运输

太阳辐射与非典型性降雨交互作用下冻土路基长期稳定性: 以王繁高速为例

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Long-stability of Permafrost Subgrade under Interactive Effects of Solar Radiation and Atypical Precipitation: Wangfan Expressway

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摘要

受全球变暖的影响,近年来中国极端气候事件频发,对季节性冻土区路基长期稳定性构成严重威胁。聚焦于太阳辐射调控与非典型性降雨频发的交互作用,以王繁高速为研究对象,构建多边界条件下的多物理场耦合模型,研究季节性冻土路基50年内稳定性的演化规律。温度场中将集成后的数据嵌入太阳辐射-对流换热复合温度边界条件,实现了气候长期变化的高精度映射;在水分场中,确定了短时极端降水事件以及温度交互雨季降雨事件两种工况,通过降雨数据与有限元降雨荷载联动得到了路基内水分的动态响应。结果表明:太阳辐射主导的路基冻融循环损伤与非典型性降雨带来的路基水分场的重构对路基长期冻胀和融沉变形产生了很大影响;第50年路基最大变形区域的冻胀量和融沉量分别达到68.36 mm和49.56 mm,相较第一年分别增长了35%和43.6%。

Abstract

Affected by global warming, the frequent occurrence of extreme climate in China has posed severe challenges to the long-term stability of seasonally frozen soil subgrades. Taking the Wangfan Expressway as the example, the interaction between solar radiation regulation and frequent atypical rainfall was considered, and a multi-physics coupled model under multiple boundary conditions was developed to investigate the evolution patterns of the stability of the of seasonally frozen soil subgrade within 50 years. For the temperature field, integrated data was embedded into composite temperature boundary conditions incorporating solar radiation and convective heat transfer, enabling high-precision mapping of long-term climate variations. In the moisture field, two scenarios were defined: short-duration extreme precipitation events and rainfall events interacting with temperature during the rainy season. The dynamic moisture responses within the subgrade were obtained by the coupling of rainfall data with finite element rainfall loading. The results demonstrate that freeze-thaw cycle damage dominated by solar radiation, along with moisture field reconstruction induced by atypical rainfall, significantly influences the long-term frost heave and thaw settlement deformation. By the 50th year, the maximum frost heave and thaw settlement reaches 68.36 mm and 49.56 mm, representing increases of 35% and 43.6% respectively compared to the first year.

Graphical abstract

关键词

寒区路基 / 太阳辐射 / 非典型降雨 / 长期稳定性

Key words

cold region subgrade / solar radiation / atypical precipitation / long-term stability

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薛婧文, 贾剑青, 高佳美. 太阳辐射与非典型性降雨交互作用下冻土路基长期稳定性: 以王繁高速为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(8): 3476-3487 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503231

XUE Jing-wen, JIA Jian-qing, GAO Jia-mei. Long-stability of Permafrost Subgrade under Interactive Effects of Solar Radiation and Atypical Precipitation: Wangfan Expressway[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(8): 3476-3487 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503231

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中国是世界上第三大冻土国家,总面积约占国土面积的75%以上^[1]。相较常规土类而言,冻土具有极强的热敏感性,外界温度变化将致使其热力学参数发生改变,进而影响冻土区路基的设计与施工。

铁路和公路是国民经济发展的重要支撑,是衡量一个国家经济实力与现代化进程的重要标志。当前,中国公路和铁路的建设均已取得长足发展。然而,严寒地区的公路、铁路路基都深受冻胀与融沉病害影响,给工程营运安全带来极大挑战。冬季,外界温度骤然下降,路基土体内的未冻水冻结成冰,路基产生膨胀变形。到了次年春天,随着外界温度的升高,土体内部的冰晶体开始融化,路基含水率上升,土体的抗剪强度随之下降,路基发生融沉。季冻土路基出现上述工程病害的根本原因,是土体在冻融循环过程中内部温度场、水分场及应力场相互影响、相互制约,进而产生耦合效应^[2]所造成的。周家作等^[3]研究发现,土体冻结过程中薄膜水在势能梯度驱动下发生迁移,未冻水向最暖冰透镜体聚集并促进其生长。薛珂等^[4]深入研究了冻土的冻结特征曲线。Su等^[5]基于达西渗流定律,揭示了路基边坡冻融过程中水热分布规律与相变驱动的交互机制。Lu等^[6]采用数值模拟与实验验证相结合的方法,揭示了冻融过程中水分迁移与应力场的耦合机制。张田震等^[7]基于多孔介质理论与(representative elementary volume,REV)方法,建立了考虑相态划分的冻土导热模型,并分析了孔隙率、含水率等多因素对导热系数的影响。甘海龙等^[8]通过水热力耦合模型与现场监测发现,季冻区路基变形主要源于水场分与温度场的重分布。赫金良等^[9]通过室内试验分析了初始含水率、细粒含量等参数对路基冻胀的影响,并建立了(support vector machine,SVM)模型预测了路基的冻胀量。叶锦华等^[10]针对高纬度林区多年冻土特性,确立了一种能有效控制变形量的片块石路基热力耦合模型。

在季节性冻土区,气候变化的威胁已从潜在风险转化为严峻的现实挑战。《中国气候变化蓝皮书(2024)》^[11]显示,2023年极端天气气候事件频发多发重发。其中非典型性降雨时有发生。水分快速入渗路基后,较高的入渗压力会引发土体裂隙扩展形成优先渗流通道,从而致使路基含水率骤增破坏非饱和土吸力。在长期湿润累积效应下,年降雨量的增加会增大路基饱和区域,冬季到来时强化后的水分补给使得冻结锋面推进速度加快、分凝冰作用加剧,从而导致路基冻胀病害更加严重。张明礼等^[12]进行了降雨对多年冻土路基水热影响的室内试验,结果表明:在降雨作用下的路面温度普遍低于未降雨的路面温度。蔡沛辰等^[13]基于颗粒流和等效降雨法模拟了不同坡度和降雨冲刷速度下边坡坡面土的剥落过程,明确了降雨导致浅层冻土区边坡土的剥落机理。张雅宁等^[14]基于传热理论与渗流理论将降雨和蒸发的边界引入考虑相变的水热耦合模型,明确了水分边界对冻土路基水热过程的影响程度。

太阳辐射作为路基进行热量交换的重要方式,不仅主导昼夜的温差变化,在冬季时还会调控路基的水分迁移,甚至影响分凝冰的发育。因而考虑太阳辐射得到的路基日温变化结果能为冻土路基的多年稳定性研究提供更加精确的温度条件。政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第六次评估报告《综合报告》指出,按照2021年公布的国家自主贡献(NDCs)数据推算,预计2030年全球温室气体排放量可能会导致21世纪全球温升超过1.5 ℃,且很难将其控制在2 ℃以内。根据IPCC AR6第一组工作报告所预测的5种未来全球气候情景,在SSP5-8.5的高排放情况下,全球气温将于21世纪末升高3.3~5.7 ℃。

综上所述,气候极端事件对冻土区路基长期稳定性具有重要影响。因此,以50年后全球气温上升4.4 ℃为温度边界条件,考虑了太阳辐射与非典型性降雨的交互作用,以王繁高速为研究对象,研究了冻土路基温度场、水分场及变形场的演变规律,研究成果对气候变暖背景下冻土路基设计及防灾减灾具有一定参考价值。

1 工程概况

王繁高速公路(S40灵河高速公路王庄堡至繁峙段)位于山西省北部,是山西省“三纵十二横十二环”高速公路网的重要组成部分。该高速公路全长58.7 km,路面宽度33.5 m,设计时速为100 km/h,双向六车道^[15]。

王繁高速地处太行山脉和恒山山脉的交汇处,属黄土高原东缘与华北平原的过渡带,以中低山、丘陵地貌为主,局部地势陡峭,沟壑纵横,海拔最高达1 500 m。该区域内水系属黄河流域的黄河水系,区域内总体属于温带大陆性季风气候,冬季严寒干燥,夏季降雨集中。年平均气温处于2~6 ℃,极端低温可达-30 ℃,7月平均温度在20~25 ℃,年降雨量位于400~500 mm,且超过60%的降雨集中在7—9月。

因处在典型季节性冻土地区,王繁高速公路路基冻融循环特征明显,且埋深较浅的地下水(2~5 m)受季节降雨影响显著,易引起路基内水分迁移,为冻胀的产生提供了有利条件。道路所在区域每年冻结期从11月开始延续至次年3月结束,最大冻深达1.2~1.5 m,严重时路基甚至能达到Ⅳ级冻胀。

选取路基填土为6%石灰改良粉土,压实度95%以上。地基为天然粉质黏土,压实度为80%~ 85%。路基断面设计高度为2.25 m,顶面宽度为18 m。考虑地形中的阴阳坡效应,模型设定左侧边坡为阳坡,右侧为阴坡。路基计算模型如图1所示。

2 考虑太阳辐射的路基温度场

2.1 模型建立及边界条件

数值模拟采用ABAQUS有限元软件;路基高2.25 m,宽18 m,地下水埋深2.5 m。左侧为阳坡,右侧为阴坡;模型尺寸如图1所示,热力学参数如表1^[16]所示。

在传热学当中,边界条件有三类。第一类为已知边界上各点温度的狄利克雷边界条件,第二类为已知边界上各点热流密度的诺伊曼边界条件,第三类为对流换热边界条件^[17]。太阳辐射是地表主要热源,使得大气温度在昼夜间显现出明显差异;辐射热在冬季还会调控路基的水分迁移,甚至影响冻结速率和分凝冰的发育位置。目前,相关研究主要通过实测气象数据拟合年温变化函数,但该方法难以获取实际的边界温度,且计算结果精度不高。太阳辐射结合风速-气温关联函数的复合边界条件可以很好地避免单一边界可能产生的热平衡差,极大提升了季节温度波动的模拟精度。因此,选用第二、第三类边界条件,即叠加太阳辐射、地面有效辐射及对流换热作用,研究季节性冻土路基日变化的温度场^[18]。数值分析时设置7月份为初始计算时间,并选取“热传递”分析步进行有限元计算,以下为温度边界条件的实现过程^[18]。

2.1.1 太阳辐射边界条件

根据文献[19-20],太阳辐射日变化函数可近似表示为

(1)q_t=

$\left\{\begin{array}{ll}0,& 0\le t12-\frac{c}{2}\\ {q}_{0}cosm\omega (t-12),& 12-\frac{c}{2}\le t\le 12+\frac{c}{2}\\ 0,& 12+\frac{c}{2}t\le 24\end{array}\right.$

式(1)中:q₀为中午最大辐射,q₀=0.131mQ,其中,m=12/c;Q为日太阳辐射总量,J/m²;c为实际有效日照时间,h;ω为角频率,ω=2π/24,rad。

式(1)为分段函数形式,在进行温度场计算时会出现跳跃间断点,因而将其展开为余弦三角函数形式的Fourier级数形式。

(2)

${q}_{0}=\frac{{a}_{0}}{2}+\sum _{k=1}^{∞}{a}_{k}cos\frac{k\pi (t-12)}{12}$

式(2)中:k为计算阶数;a₀=

$\frac{2{q}_{0}}{m\pi }$

;

a_k=

$\left\{\begin{array}{l}\frac{{q}_{0}}{\pi }\left[\frac{1}{m+k}sin(m+k)\frac{\pi }{2m}+\frac{\pi }{2m}\right],\\ 　　k=m\\ \frac{{q}_{0}}{\pi }\left[\frac{1}{m+k}sin(m+k)\frac{\pi }{2m}+\frac{1}{m-k}sin(m-k)\right],\\ 　　k\ne m\end{array}\right.$

。

选取路面太阳辐射吸收率为0.8。在阴阳坡日辐射总量确定时,考虑坡面的影响先计算出每月的坡面系数^[21],然后与表2中的平面辐射量相乘即可求得;本文地面有效辐射取太阳辐射的1/3。实现上述辐射边界条件所需要的参数如表2所示。

2.1.2 对流换热边界条件

对流换热边界条件可表示为

(3)T_a=$\overline{{T}_{a}}$+T_m[0.96sinω(t-t₀)+0.14sin2ω(t-t₀)]

(4)h_c=3.7v_w+9.4

式中:

$\overline{{T}_{a}}$

为日平均气温;T_m为日气温变化幅度;t₀为初相位,取t₀=9;h_c为热交换系数,W(m²·℃);v_w为日平均风速,m/s。

实现对流换热所需要的气象数据如表3所示。由于从气象数据所得的平均风速为地表平面处风速,不适用于路基表面与边坡表面。因此假设各处风向频率相同,利用同风向频率路面边坡风速表^[22],根据本模型路基高度线性插值来修正路基处与边坡处的风速。此外,还将50年后大气温度上升4.4 ℃作为升温条件。由于以上温度边界无法直接在有限元软件中设置,因此通过程序二次开发将不同的坐标点分别赋予路基、地基、阴坡和阳坡表面来实现。

2.2 模拟结果与分析

2.2.1 模型验证

在模型验证时采用考虑太阳辐射、地面有效辐射、对流换热条件的温度场解析式,计算王繁高速公路7月的温度场,并与数值模拟结果进行对比分析,结果如图2所示。从图2可以看出:数值模拟结果与解析解的变化曲线几乎吻合;解析解的值略小于数值解,二者相对误差小于7%内,能够满足精度要求。

2.2.2 一年内路基温度变化

路基7月、10月、次年1月及次年4月的温度场模拟结果如图3所示;一年内路基中心(A点)、路基阳坡(B点)、路基阴坡(C点)温度随深度变化曲线如图4所示。

由图3和图4可知:7月工程所在地气温高,此时路基表面温度也达到一年的峰值26.61 ℃;阴阳坡温差在2 ℃范围内,温度分布随着深度的增加呈递减趋势。随着时间的推移路基温度也开始下降。10月后路基表面受外界气温影响显著,温度迅速降低至约10 ℃。但因地表传递热量具有延时性,路基内部温度受外界气温影响变化慢,略高于路基表面2~3 ℃。随着路基深度的持续增加,路基下部温度逐步趋于平稳,不再随外界环境变化而变化。因而10月份时,路基整体温度分布随深度的递增呈低-高-低的变化趋势。10月后,路基逐渐开始进入负温冻结期。次年1月份时路基表面温度降至-16.71 ℃,达到一年中的最低值,阴阳坡温差超过2 ℃。从路基表面向下1.1 m内土体全部发生冻结,温度低于0 ℃,且温度分布随深度的增加而增加。次年2月后外界气温逐渐回升路基进入融化期,4月份时路基表面已为正温。与10月温度分布类似,因热量传递具有迟滞性,所以路基中心处仍有一部分土体处在0 ℃之下,形成冻结核,且冻结核区域内路基中心温度低于靠近阴阳坡处的温度,这是由于路基中心深度较大,受外界气温影响较小。随着深度的持续增加,路基温度逐渐稳定在约7.5 ℃。4月温度随深度的分布呈现高-低-高的趋势。

图5为路基不同位置相同深度处温度变化曲线。可以看出,路基相同深度处的温度变化幅度为:路肩>路基中心>地基>坡脚。这是由于路肩直接暴露于大气环境中,受到太阳辐射与对流换热的影响更加明显,且路肩双面受热^[23],因而其温度波动最大;坡脚处于较深的位置且属于重力排水富集区域,因而发生冰水相变吸放能量时易形成热量缓冲层,能抑制或减缓温度的急剧变化。

2.2.3 50年内路基温度变化

图6为升温4.4 ℃条件下50年内路基中心在7月、次年1月及次年4月温度随深度的变化曲线。由图6可知,在50年后气温上升4.4 ℃的条件下,路基在融化期(7月)、冻结期(次年1月)、冻融交界期(次年4月)温度场的变化比较明显。50年后,7月路基表面的温度高达30.44 ℃,与第10年相比上升了3.54 ℃,且路基表面下4 m处温度逐渐趋于稳定;第50年1月路基表面温度升至-11.21 ℃,较第10年升高了3.79 ℃;而对于冻融交界的4月份,尽管路基温度随深度的分布始终为高—低—高变化的趋势,但在第40年,路基就已全部处于正温状态。

2.2.4 路基冻结深度变化

路基冻结深度变化曲线如图7所示。从图7(a)中可以看出:第120天路基逐渐开始发生冻结,路基中心表面在第210天时达到最低温度,为-15.2 ℃,而此时冻深仍在持续增大,第240天时达到冻结峰值,为1.35 m。由此可见,路基冻结期冻深与温度变化不完全同步,存在一定的滞后性。1月后路基表面温度逐渐回升;2月后由于路基单向冻结、双向融化的规律,其从表面和冻深最大的位置同时向中间开始消融,由此可见,路基的冻深与温度变化并不呈现正相关性。由图7(b)可知:在全球变暖背景下,路基冻深逐年递减,第50年路基最大冻结深度达到0.95 m。且随着时间的推移路基最小冻深(图中每条曲线两个标记点之间的距离)也逐年减小,路基双向融化所需要的时间也越来越短。

3 考虑非典型性降雨的路基水分场

3.1 短期降雨作用下路基水分场

非典型性降雨是指具有异常强度、持续时间、季节分布的降雨事件。从短期来看非典型降雨体现在极端日降水量事件上。《中国气候变化蓝皮书(2024)》显示:2023年中国共发生极端日降水量事件297站日,较常年值偏多35站^[11]。非典型性降雨会快速入渗路基,致使路肩和坡脚等受到严重冲蚀形成优势渗流路径,从而导致路基含水率迅速增大,破坏非饱和土吸力。该过程也导致冻土路基在冬季来临时大量水分聚集在冻结锋面,加剧冻胀病害的发生。

根据《中国气候变化蓝皮书(2024)》,选用2023年山西平定24 h极端降水(降雨量230.7 mm)为路基降雨条件,路基土力学参数如表4所示。非饱和土渗透系数与饱和度相关,而饱和度一般为基质吸力的函数,有限元分析时需要分别定义;定义时参考了费康^[24]给出的水力渗透曲线与土水特征曲线。降雨强度通过定义幅值曲线,在路基、边坡、地基上施加正弦荷载,即0~8 h降雨强度逐渐增大,第8 h时达到峰值;8~16 h保持峰值降雨;16 h后降雨强度逐渐减小直至24 h时为0。

图8为初始状态下的路基水分场云图。图9为降雨入渗过程中路基水分场云图。由图8可知,初始时刻路基饱和度分布由上至下逐渐递增;随着时间持续,路基土体在地下水浸润作用下水分开始由下向上迁移,这是由于土体重力势与基质势不平衡导致的。随着土体空隙内含水率的增多,路基上部饱和度逐渐增大,完全饱和区域也逐渐上移,直至基质势与重力势达到平衡时,毛细水上升高度才进入稳定状态,如图8(b)所示。从图8(c)、图8(d)可以看出,初始时刻的孔隙压力呈线性分布,路基非饱和区域孔隙压力为负值,且饱和度越低处基质吸力越大,这与所确定的土水特征曲线完全吻合。随着毛细水的上升,孔压分布规律稳定,但非饱和区孔隙压力有所降低。

由图9可知: t=5 h时,随着降雨时间的增加,水分从上到下逐渐开始扩散,路基表面处的饱和度达到21.35%,且路基内的饱和区域明显大于降雨前;随着降雨强度逐渐增大,在t=8 h时强度达到峰值,并在8~16 h内始终保持峰值降雨。t=15 h时路基表面饱和度增至33.18%,且该饱和度区域有所增大;随着时间的延续,t=16 h后降雨强度开始减小,直至t=24 h时减为0,此时路基表面饱和度降到26.73%。在降雨强度先增大再减小的过程中,路基表面孔隙水压力先减小后增大。对比图8(b)、图9(d)可知,持续24 h的极端日降水事件导致路基表面饱和度上升了15%,并且扩大了路基的饱和区域。

3.2 长期降雨作用下路基水分场

短期的非典型性降雨体现为极端日降水事件,而长期非典型性降雨表现为雨季的延长和降雨量的增多。根据山西气象局报道,2024年7月省平均降雨量达175 mm,较常年同期偏多61 mm;8月省平均降雨量132 mm,较常年同期偏多31 mm;9月省平均降雨量79 mm,较常年同期偏多13 mm。除降雨日数增加外,每月的暴雨日数也呈明显增加趋势。这些都是非典型性降雨的具象体现。

以山西省2024年7—9月降雨作为王繁高速公路降雨边界条件,其也采用幅值形式施加,如表5所示。

图10为7、8、9月降雨入渗作用下不同时间路基中心含水率及饱和度随深度的变化趋势。由图10可知:7—9月路基水分场变化趋势、含水率以及饱和度分布规律基本相同。由于7—9月外界气温较高,路基土体也处于正温状态,因此降雨入渗后水分主要在重力的作用下发生扩散,含水率及饱和度分布都随路基深度的增加而增大,且在3.75 m深度处达到饱和;另外,每月降雨峰值时刻路基表面含水率及饱和度都大于降雨结束时刻。由于7月路基温度最高且降雨强度最大,从而导致降雨入渗的综合作用更强,因此降雨峰值时刻路基顶面含水率最高,达到8.2%;8月和9月相应时刻的含水率分别为7.8%和6.8%。综上所述,长期持续的非典型性降雨极易使路基达到高饱和状态;在冻融循环及长期非典型性降雨相互作用下,路基内水分累积会导致冬季有更多未冻水迁移至冻结锋面处,从而进一步加剧了路基的冻胀融沉损伤。

4 太阳辐射与非典型性降雨交互作用下路基变形场

4.1 路基融沉变形分析

路基融沉演化特征如图11所示,土体力学参数如表4所示。

由图11(a)可知:7、8、9月路基的沉降变形趋势基本一致。7月路基表面温度达到峰值,在非典型性降雨的作用下土体含水率急升,初次饱和导致孔隙水压力突增,因而初期沉降迅速增加;8月降雨强度有所减小,但由于此前路基中的水分未完全排出,因此次固结沉降持续,但沉降速率有所减缓;9月后路基表面温度明显下降,土体排水逐渐完成,次固结速率显著降低,路基沉降逐渐趋于稳定。

从7月沉降曲线可以看出:路基中心沉降(U_A7)>路肩沉降(U_D7)>坡脚沉降(U_E7),但随着时间的推移,坡脚处的沉降越来越大。9月后坡脚处沉降(U_E9)达到37 mm,路基中心沉降(U_A9)次之,为34.49 mm,路肩处沉降(U_D9)最小,为32.96 mm。分析其原因,由于坡脚处于边坡下缘,位置低洼,接收到太阳辐射量少,雨水汇集后导致该处含水率达到最高,因而其排水条件较差、水分滞留时间也较长。另外,因坡脚受到剪应力和自重应力的叠加,其塑性变形累积效应会更加显著;路基中心结构稳定,应力分布均匀,沉降量次之;而路肩处于边坡上缘,土体双面受热,接收太阳辐射的能力较强且含水率较低,因此沉降量最小。从7月变化曲线还可以看出:阴坡处沉降(U_C7)>阳坡处沉降(U_B7)。这是由于阴坡接收到的太阳辐射量与阳坡相比较少,温度较低,降雨作用后水分滞留时间较长,且由于冬季冻深更大,导致次年融化后结构易受损伤。

从图11(b)可以看出:随着时间的推移路基沉降变形逐渐加剧。第50年9月路基中心和坡脚沉降分别达到43.39 mm和49.56 mm,与第10年相比分别增加了8.9 mm和12.55 mm。由此可见,在气候变暖的背景下,太阳辐射主导的路基冻融循环损伤与非典型性降雨带来的路基水分场重构严重影响了路基的长期融沉变形发展。

4.2 路基冻胀变形分析

路基冻胀演化特征如图12所示。季冻区路基在11月份后逐渐开始冻结。12月—次年1月路基温度持续降低、冰晶透体迅速生长、冻结锋面持续推进。此时路基处于冻胀敏感期,土体内未冻水含量较高,水分迁移较为活跃,因而随着冻胀率的上升冻胀量也大幅增加。2月后,路基冻结锋面发展逐渐趋于稳定且未冻水含量减少,因而水分迁移受阻,路基进入冻胀稳定期,冻胀量增幅减小。

12月冻胀量在路基中心达到最大并向边坡、地基处逐渐递减;路基中心冻胀量(U_A12)>路肩冻胀量(U_D12)>地基冻胀量(U_E12)。究其原因,在同等冻结温度下由于路基中心结构受限,与两面受冻的路肩相比冻结窗口期更长,冻结锋面发展更慢,因而水分迁移时间更久,冻胀量更大。并且路基温度越低,冻结锋面越向下生长,这种冻胀量由路基中心向两端递减的趋势就越明显。12月路基中心冻胀量为31.9 mm,地基处冻胀量为24.3 mm,二者差值为7.6 mm;2月份时路基中心与地基处的冻胀量差值已增至9.17 mm。另外,从12月的冻胀曲线还可以看出:路基阴坡冻胀量(U_C12)>阳坡冻胀量(U_B12)。这是由于阴坡接收到的太阳辐射量更少,温度更低,冻结时间更长,且阴坡水分保持较好。从图12(b)中可以看出:第10~50年冻胀量持续增大,第50年2月时路基中心冻胀量已经达到了68.36 mm。

5 结论

考虑太阳辐射与非典型性降雨对季节性冻土路基的交互作用,结合IPCC研究结论,以王繁高速公路为背景建立水热力耦合模型,研究水分场、温度场及变形场的长期演化规律,得到以下主要结论。

(1)50年内太阳辐射驱动的路基年均升温趋势明显。第50年,7月温度升至33.44 ℃、1月温度升至-11.21 ℃、4月份冻结核已完全消失;受气候变暖的影响,冻土冻融循环模式发生重构,冻结期缩短、冻结锋面下移速度降低,冻结深度减小;第50年时路基最大冻深已由第1年的1.35 m降低至0.95 m。

(2)非典型性降雨显著影响了路基水分场的动态响应。短期的暴雨冲击使得路基表层含水率骤增,饱和度升高了15%;而在“冻融-雨季持续降雨”的耦合作用下,路基水力损伤反馈持续增大,且长期浸润累积为路基冻胀融沉变形的加剧提供了充足的水分条件。

(3)太阳辐射主导的路基冻融循环损伤与非典型性降雨带来的路基水分场重构严重影响了路基冻胀融沉变形的长期演化过程。第50年路基2月冻胀量升高至68.36 mm,9月沉降量增加至49.56 mm。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家自然科学基金(42261029)

甘肃省科技计划(26JRRA587)

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Received	Published	Revised
2025-05-06	2026-03-18	2025-12-17
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2026-06-26

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