亓守臣

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250101)

凍土是一種溫度低于0℃且含有冰的各種巖石和土壤[1]。根據(jù)凍土存在時(shí)間的長(zhǎng)短，將冬季凍結(jié)、春季融化的土壤或疏松巖石稱為季節(jié)性凍土。目前，我國(guó)在季節(jié)性凍土區(qū)已成功修建哈大，哈齊和蘭新等高速鐵路。高速鐵路作為國(guó)家重要的戰(zhàn)略資源，對(duì)全面建設(shè)美麗中國(guó)意義重大，特別對(duì)加快振興東北老工業(yè)基地的經(jīng)濟(jì)影響深遠(yuǎn)。然而，凍害問(wèn)題始終威脅著我國(guó)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路在冬季的安全運(yùn)營(yíng)，每年仍需耗費(fèi)大量人力、物力進(jìn)行整治。學(xué)者針對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路存在的凍脹問(wèn)題，開(kāi)展了相關(guān)研究。邰博文等[2-4]系統(tǒng)研究了深季節(jié)凍土區(qū)哈齊高速鐵路路基工程溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)的變化特征，并提出了寒區(qū)高速鐵路路基工程凍脹數(shù)值計(jì)算模型和有效的抗凍脹措施。NIU等[5-7]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了寒區(qū)高速鐵路路基凍脹量沿凍結(jié)深度的分布規(guī)律，得出路基凍脹變形量主要出現(xiàn)在基床底層。LIN等[8]研究了蘭新高速鐵路路基結(jié)構(gòu)不同層位凍結(jié)深度和凍脹變形隨時(shí)間的變化規(guī)律。盛岱超等[9-10]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和有限元仿真提出了路基凍脹是由高速列車(chē)循環(huán)荷載作用下導(dǎo)致地下水位以下飽和地基土中孔隙水“泵送”至凍結(jié)線以上，從而引起路基凍脹。張先軍等[11-12]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了寒區(qū)高速鐵路路基工程凍脹變形的發(fā)生、發(fā)展和變化規(guī)律。YUE等[13-15]還對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)鐵路路堤采用的常規(guī)防凍措施進(jìn)行了研究，得出以下主要結(jié)論：1)保溫法，在鐵路路堤中添加保溫層和保溫護(hù)道來(lái)減少路基與外界大氣之間的熱交換可以有效控制凍脹；2)改良土，采用細(xì)顆粒含量少于5%的填料填筑路基其抗凍脹效果顯著；3)水分條件。修建排水溝、滲水溝和滲水盲溝等排水設(shè)施，有助于控制路基填料的含水量。宋景振等[16-17]基于青藏鐵路和青藏公路的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料，研究了寒區(qū)路基工程陰陽(yáng)坡的地溫和變形差異，得出無(wú)論是處于多年凍土區(qū)還是季節(jié)凍土區(qū)的路基工程，由坡向效應(yīng)產(chǎn)生的橫向熱差異所帶來(lái)的路基兩側(cè)非均勻的凍融變形，將嚴(yán)重影響凍土路基的整體穩(wěn)定性。上述研究主要是針對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路無(wú)砟軌道路基產(chǎn)生凍脹的影響因素和路基凍脹變化規(guī)律的研究。但關(guān)于深季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路抗凍脹基床結(jié)構(gòu)水熱力學(xué)行為演變的內(nèi)在機(jī)理和抗凍脹效果的研究較少，尤其針對(duì)深季節(jié)凍土區(qū)高鐵路基陰陽(yáng)坡效應(yīng)的研究更少。這里需要說(shuō)明的是深季節(jié)凍土指季節(jié)凍結(jié)深度大于1.5 m的土體。鑒于此，本文依托在建的深季節(jié)凍土區(qū)牡丹江至佳木斯高速鐵路工程為研究對(duì)象，深入開(kāi)展寒區(qū)高速鐵路抗凍脹基床結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性研究。

1 試驗(yàn)儀器布設(shè)

深季節(jié)凍土區(qū)牡丹江—佳木斯高速鐵路路基工程典型抗凍脹基床結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段位于黑龍江省佳木斯市樺南縣境內(nèi)。試驗(yàn)段極端氣溫-39～38℃。地下水較淺，埋深約6.0 m。天然地面以粉砂土為主，且其最大季節(jié)凍土深度230 cm，屬典型的深季節(jié)性凍土地段。試驗(yàn)段存在陰陽(yáng)坡(左邊坡為陽(yáng)面，右邊坡為陰面)。此外，試驗(yàn)路堤頂寬14 m，高度9 m，邊坡坡度為1:1.5。

典型抗凍脹基床結(jié)構(gòu)水熱力學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2019年8月安裝完成。使用5根8.5 m長(zhǎng)的熱敏電阻串監(jiān)測(cè)路基不同位置和深度(左右坡腳、左右坡頂和路基中心)的溫度，溫度傳感器的精度為±0.05℃。熱敏電阻串被放置在一根8.5 m長(zhǎng)的鋼管中，以防止因水侵蝕而失效。利用水分傳感器對(duì)基床填料表層和底層的含水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。利用變形傳感器記錄基床表層的垂直變形，變形傳感器1號(hào)用于測(cè)量基床不同位置的總變形，其精度為±0.1 mm。水分和變形傳感器分別安裝在左右路肩和路基中心。所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由2臺(tái)采集儀收集，每月采集10次。施工結(jié)束后，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放置在40 cm×40 cm×60 cm特制鋼箱內(nèi)，由太陽(yáng)能供電裝置持續(xù)供電。試驗(yàn)斷面天然地面的最大季節(jié)凍結(jié)深度為2.3 m。深季節(jié)凍土區(qū)典型抗凍脹路基結(jié)構(gòu)試驗(yàn)儀器布設(shè)位置如圖1所示。

2 地溫特征

2.1 地溫隨深度變化

圖2給出了深季節(jié)凍土區(qū)抗凍脹路基結(jié)構(gòu)地溫沿深度的變化特征。由圖2可知，在深季節(jié)凍土區(qū)任意測(cè)點(diǎn)位置處的地溫在地表至最大季節(jié)凍結(jié)深度范圍內(nèi)(季節(jié)凍融層)變化劇烈，且隨土層深度增大地溫變化的幅度逐漸減小。這一范圍內(nèi)的土層將直接影響土體水分遷移的方向和強(qiáng)度。最大凍結(jié)深度以下，地溫隨深度的增加其變化幅度逐漸變小。由此可以說(shuō)明在一定深度以下，地溫近似處于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，季節(jié)凍結(jié)層的地溫在0℃上下波動(dòng)，這種波動(dòng)將對(duì)土體內(nèi)部的一系列物理力學(xué)狀態(tài)、相變潛熱的釋放和吸收以及冰的離析產(chǎn)生重要影響。因此，對(duì)于深季節(jié)凍土區(qū)的路基工程而言，其季節(jié)性凍融層的時(shí)空發(fā)展過(guò)程、溫度狀況和厚度是采取抗凍脹措施的關(guān)鍵。因此，在深季節(jié)凍土區(qū)可以通過(guò)增加進(jìn)入基床表面熱量或減少路基內(nèi)部熱量擴(kuò)散的角度來(lái)減小最大季節(jié)凍結(jié)深度。具體的工程措施如：鋪設(shè)吸熱瀝青層或?yàn)r青混凝土層等來(lái)減小路基的最大凍結(jié)深度。

此外，天然坡腳的最大季節(jié)凍結(jié)深度小于右路肩和路基中心的最大季節(jié)凍結(jié)深度，分析其主要原因是：1)路基填料采用粗粒土和級(jí)配碎石填筑，其填料粒徑遠(yuǎn)大于天然坡腳的粉砂土。這將導(dǎo)致路基本體填料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于天然坡腳填土的導(dǎo)熱系數(shù)，進(jìn)而使得路基本體在冬季有更多的冷量傳入路基本體，最終導(dǎo)致路基本體的凍結(jié)深度大于天然坡腳的凍結(jié)深度。2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探資料得知路基本體填料的初始含水量遠(yuǎn)小于天然坡腳填土的初始含水量。由于土體的凍結(jié)深度與含水量的平方根成反比，所以含水量越小，土體的凍結(jié)深度越大。

2.2 地溫隨時(shí)間變化

圖3給出了深季節(jié)凍土區(qū)抗凍脹路基工程不同測(cè)點(diǎn)在不同深度處地溫隨時(shí)間的變化曲線。由圖3可知，在季節(jié)凍融層范圍內(nèi)(地表以下3.1 m深度范圍內(nèi))，在氣溫下降至0℃階段，任意測(cè)點(diǎn)不同深度處的地溫均隨外界氣溫的降低均逐漸減小。同時(shí)，季節(jié)凍融層深度范圍內(nèi)，不同深度處地溫的最小值隨土層深度的增大依次滯后，且季節(jié)凍融層范圍內(nèi)土體溫度在冬季存在一定的負(fù)溫現(xiàn)象；與此同時(shí)，在氣溫上升階段，不同深度處地溫的最大值隨土層深度的增大也依次滯后。在季節(jié)凍融層以下(距地表3.1 m深度以下)，任意測(cè)點(diǎn)處的不同深度處的地溫均大于0℃。無(wú)論是降溫階段還是升溫階段，任意測(cè)點(diǎn)近地表的溫度均隨外界氣溫的增大而逐漸增大，即近地表溫度與外界氣溫的變化存在線性正相關(guān)性。而深部土體的溫度與外界氣溫的變化無(wú)明顯的線性相關(guān)性。由此說(shuō)明，近地表地溫受外界氣溫的影響較顯著，而深部土體的地溫受外界氣溫的影響較弱，且深部土層地溫的變化相對(duì)于氣溫的變化呈現(xiàn)滯后現(xiàn)象。其主要原因是外界氣溫對(duì)不同土層地溫的影響隨土層深度的增大而逐漸減弱。此外，不同深度處的地溫在全年均呈現(xiàn)正弦變化規(guī)律，且不同深度處地溫的變化幅度隨深度的增大而逐漸減小，并在一定深度處地溫變化在全年趨于一條直線，說(shuō)明此深度處土體處于熱穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 深季節(jié)凍土區(qū)抗凍脹路基不同深度處地溫隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of ground temperature with time at different depths of anti-frost subgrade in deep seasonally frozen soil regions

2.3 凍結(jié)深度附近熱通量變化

路堤下凍土的溫度變化主要受地中熱流與地表熱交換的影響，在研究寒區(qū)路堤溫度場(chǎng)的變化時(shí)，需計(jì)算進(jìn)入凍土層的熱流密度。因此，本節(jié)以最大季節(jié)凍結(jié)深度附近1 m范圍內(nèi)的土層作為熱流密度的計(jì)算區(qū)域，其計(jì)算區(qū)域的熱流密度為：

式中：q為土體熱流密度，W/m2；λ為土體導(dǎo)熱系數(shù)，粗粒土在凍融狀態(tài)下取1.9 W/(m?K)；粉砂土在融化狀態(tài)取1.474 W/(m?K)，凍結(jié)狀態(tài)取1.824 W/(m?K)；TD1和TD2分別表示地表以下D1與D2深度處地溫；ΔZ為土層厚度，取1.0 m。

根據(jù)1 a的地溫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算路堤中心和天然坡腳下最大季節(jié)凍結(jié)深度附近土層的熱流密度(正值代表吸熱，負(fù)值代表放熱)，如圖4所示。由圖4可知，路堤和坡腳在暖季均表現(xiàn)為吸熱狀態(tài)，在冷季均表現(xiàn)為放熱狀態(tài)。

圖4 最大凍結(jié)深度附近土體的熱流密度Fig.4 Heat flux density of maximum soil near frost depth

地面下總的熱通量為：

式中：Q為總的熱通量，MJ/m2；t為時(shí)間，d。

利用式(2)計(jì)算得到路堤工程在凍結(jié)深度附近土層從2020年1月1日至2020年12月30日期間總的熱量收支Q。路堤的熱通量為3.875 MJ/m2；坡腳的熱通量為-0.675 MJ/m2。由此可知，路堤下部?jī)鼋Y(jié)深度附近土層的熱量收支整體表現(xiàn)為吸熱狀態(tài)。相比路堤，天然坡腳的吸熱量為負(fù)值，其原因是路堤作為拱形三向受熱，進(jìn)而使得路堤本體的儲(chǔ)熱和吸熱量較大。

3 水分特征

為了分析深季節(jié)性凍土區(qū)抗凍脹基床結(jié)構(gòu)層內(nèi)地溫和未凍水在凍融作用下的變化特征。圖5給出了深季節(jié)凍土區(qū)抗凍脹基床結(jié)構(gòu)層(基床表層和基床底層)內(nèi)溫度和水分的變化曲線。由圖5可知，當(dāng)基床表層溫度降低至0℃階段，對(duì)應(yīng)土層內(nèi)的未凍水含量呈現(xiàn)小幅下降趨勢(shì)。同時(shí)，基床底層土體中的未凍水含量也隨土體溫度的減低而呈現(xiàn)輕微減小。分析其主要原因是隨不同土層溫度的降低，下部未凍結(jié)土層中的液態(tài)水開(kāi)始向上部?jī)鼋Y(jié)層發(fā)生輕微遷移，進(jìn)而導(dǎo)致基床表層和底層內(nèi)的含水量減小。當(dāng)基床表層土體溫度降至負(fù)溫以下時(shí)，相應(yīng)土層內(nèi)的未凍含水量呈現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)。其原因是在這個(gè)過(guò)程中填充于基床表層填料內(nèi)的大量液態(tài)水在短期負(fù)溫作用下變?yōu)楣虘B(tài)冰。而此階段基床底層土體內(nèi)的未凍水含量仍隨土體溫度的降低呈現(xiàn)輕微減小。當(dāng)基床表層溫度降低至最小值時(shí)，對(duì)應(yīng)土層內(nèi)的未凍水含量呈現(xiàn)緩慢下降或保持穩(wěn)定。其主要原因是由于對(duì)應(yīng)土層已處于完全凍結(jié)狀態(tài)，土體降溫僅導(dǎo)致少量液態(tài)水發(fā)生相變。

圖5 深季節(jié)凍土區(qū)抗凍脹基床結(jié)構(gòu)層溫度和水分的變化曲線Fig.5 Variation curve of temperature and moisture of anti-frost subgrade bed layer in deep seasonal frozen soil area

隨基床表層土體溫度的升高，相應(yīng)土層內(nèi)的未凍水含量略有輕微增加，其主要原因是基床表層土體仍處于負(fù)溫狀態(tài)，即凍土升溫引起的冰水相變量較小。與此同時(shí)，基床底層仍處于正溫狀態(tài)，但其對(duì)應(yīng)土層內(nèi)的未凍水含量卻發(fā)生緩慢降低，說(shuō)明基床底層內(nèi)的未凍水持續(xù)向上部?jī)鼋Y(jié)層遷移。當(dāng)基床表層和底層的溫度接近0℃時(shí)，相應(yīng)土層內(nèi)的未凍水含量迅速增加，且基床表層和底層內(nèi)的未凍水含量大于其對(duì)應(yīng)土層內(nèi)的初始含水量。分析其主要原因如下：1)此時(shí)相應(yīng)土層中的固態(tài)冰已接近融化溫度，大量的固態(tài)冰迅速融化成液態(tài)水；2)凍土層中的水分在凍結(jié)緣附近積聚，土層進(jìn)入正溫度后，對(duì)應(yīng)深度處的含水量顯著增加。此外，隨外界氣溫的持續(xù)升高，基床表層和底層內(nèi)的溫度不斷升高，相應(yīng)土層內(nèi)的含水量緩慢減小并趨于初始值。其主要原因是土層內(nèi)的固態(tài)冰已全部融化為液態(tài)水，隨著地溫的升高。此外，值得注意的是在非凍結(jié)期未凍水含量波動(dòng)較劇烈，其主要原因是水分傳感器在非凍結(jié)期對(duì)外界氣溫和地溫的微小變化較敏感。

4 變形特征

為了分析全凍融周期內(nèi)深季節(jié)性凍土區(qū)抗凍脹基床結(jié)構(gòu)水熱力學(xué)行為演變的一般特征和內(nèi)在機(jī)理。圖6給出了路基中心和右路肩基床表層溫度、未凍水含量和凍脹變形隨時(shí)間的變化曲線。由圖6可知，在初始凍結(jié)期，當(dāng)基床表層土體溫度下降至0℃期間，對(duì)應(yīng)土層內(nèi)的未凍水含量呈現(xiàn)相應(yīng)的小幅下降趨勢(shì)。其主要原因是隨土層溫度降低，下部未凍結(jié)土層中的液態(tài)水開(kāi)始向上部?jī)鼋Y(jié)層遷移。相應(yīng)土層產(chǎn)生輕微凍脹或無(wú)明顯凍脹。此后，隨外界氣溫的持續(xù)降低，基床表層內(nèi)土體的地溫從零度降低至一定值時(shí)，此時(shí)存在于土顆?？紫堕g的大量液態(tài)水變成固體冰，土層的凍脹變形也隨地溫和未凍結(jié)水含量的降低而快速增大。此階段凍脹持續(xù)時(shí)間大約為15 d左右，基床表層的凍脹主要發(fā)生在這一階段，并在該時(shí)期凍脹速率達(dá)到最大值。當(dāng)基床表層地溫持續(xù)降低至最小值時(shí)，基床表層中的未凍水含量保持相對(duì)穩(wěn)定。其主要原因是淺層土壤已完全處于凍結(jié)狀態(tài)，由凍結(jié)土層溫度降低引起的冰水相變的含水量相對(duì)較小，該階段凍脹變形基本保持穩(wěn)定或緩慢增加。隨基床表層土體溫度的升高，相應(yīng)土層內(nèi)的未凍水含量略有輕微增加。其主要原因是基床表層土體仍處于負(fù)溫狀態(tài)，即凍土內(nèi)部溫度升高引起的冰水相變量較小，此階段路基凍脹持續(xù)緩慢增大或基本穩(wěn)定。當(dāng)基床表層土體地溫升高至0℃附近時(shí)，凍結(jié)層中的大量固態(tài)冰在短期內(nèi)轉(zhuǎn)為液態(tài)水，此時(shí)的未凍水含量大于初始含水量。在晝夜溫差較大的情況下基床表層易產(chǎn)生峰值凍脹。最后，隨地溫的持續(xù)升高，相應(yīng)土層內(nèi)的含水量迅速恢復(fù)到初始值并保持基本穩(wěn)定，路基融沉在凍結(jié)層完全解凍后的10 d內(nèi)消失。

圖6 深季節(jié)凍土區(qū)抗凍脹基床表層溫度、未凍水和凍脹隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Variation curves of temperature，unfrozen water and frost heave with time of anti-frost subgrade bed surface in deep seasonally frozen soil region

值得注意的是在基床表層土體融化初期，路基易產(chǎn)生峰值凍脹和翻漿冒泥。其主要原因如下：1)基床表層土體解凍后水分向下滲透。在下層土體仍處于凍結(jié)狀態(tài)的情況下，其透水性較差，導(dǎo)致凍融交界面處含水量增加。當(dāng)融化的基床表層土壤在低溫環(huán)境中再次被凍結(jié)時(shí)，產(chǎn)生大量?jī)雒洝?)基床表層土體的融化將導(dǎo)致頂層土的有效應(yīng)力降低，從而導(dǎo)致基床表層土的反彈。因此，深季節(jié)凍土區(qū)的高速列車(chē)應(yīng)在凍結(jié)初期和凍融交替季節(jié)減速行駛，確保其安全性。同時(shí)，建議在修建寒區(qū)高速鐵路時(shí)應(yīng)做好基床表層的隔水防滲，比如采用以下措施：在基床表層鋪設(shè)隔水材料，防水土工布和防水高性能瀝青等。此外，當(dāng)基床表層土體已處于完全正溫狀態(tài)時(shí)，路基的凍脹變形并未完全消失，即路基凍脹的結(jié)束時(shí)間滯后于凍結(jié)層的完全消失時(shí)間。分析其主要原因是：1)凍結(jié)層內(nèi)孔隙冰的有效融化時(shí)間較長(zhǎng)。2)路基作為一個(gè)拱形，其基床底層的融化沉降變形不能立刻反映到基床表層。

5 陰陽(yáng)坡效應(yīng)

5.1 陰陽(yáng)坡特征

為研究寒區(qū)高速鐵路抗凍脹路基結(jié)構(gòu)內(nèi)陰陽(yáng)路肩不同深度土層地溫的動(dòng)態(tài)變化特征，取位于左右路肩以下不同對(duì)應(yīng)深度處的溫度變化情況為研究對(duì)象。圖7分別給出了左、右路肩下0.5，3.1，4.5與8.5 m深度處地溫隨時(shí)間的變化曲線。圖中深度均自基床表面處算起。因此，0.5 m與8.3 m深度可分別代表路基結(jié)構(gòu)的凍融層與非凍結(jié)層。由圖7可知，在凍融層內(nèi)左右路肩的地溫均隨氣溫的降低而逐漸減小，而非凍結(jié)土層內(nèi)任意深度處左右路肩的地溫與外界氣溫的變化呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān)的變化關(guān)系，即隨外界氣溫的降低左右路肩的地溫呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。同時(shí)，不論外界氣溫處于升溫還是降溫階段，抗凍脹路基工程在季節(jié)凍融層或非凍結(jié)層內(nèi)其左路肩的地溫均大于右路肩的地溫，其原因是右路肩處于陰坡一側(cè)，接收的太陽(yáng)輻射能較陽(yáng)坡少，導(dǎo)致右路肩的吸熱量相對(duì)較左路肩少。

圖7 左、右路肩下0.5，3.1，4.5與8.5 m深度處地溫隨時(shí)間的變化曲線Fig.7 Variation curves of ground temperature with time at the depth of 0.5,3.1,4.5 and 8.5 m under the left and right shoulders

為了進(jìn)一步說(shuō)明抗凍脹路基工程的橫向熱穩(wěn)定性。圖8給出了左(陽(yáng))右(陰)肩不同對(duì)應(yīng)深度處的溫差。由圖8可知，路基修筑后凍結(jié)層范圍內(nèi)(基床表面以下3.1 m深度范圍內(nèi))陰陽(yáng)肩不同對(duì)應(yīng)深度處的溫差在大多數(shù)時(shí)間大于0℃，僅存在短期溫差呈現(xiàn)負(fù)值。分析其主要原因是雪蓋對(duì)邊坡土體的保溫作用。由于冷季在主風(fēng)向的作用下右側(cè)邊坡(陰坡)的積雪覆蓋厚度較左側(cè)邊坡(陽(yáng)坡)大，進(jìn)而導(dǎo)致右邊坡(陰坡)下土體的地溫較左邊坡(陽(yáng)坡)下高。故出現(xiàn)季節(jié)凍結(jié)層范圍內(nèi)左右肩的溫差在冷季出現(xiàn)負(fù)值。同時(shí)，非凍結(jié)層深度范圍內(nèi)(距基床表面3.1 m深度以下)陰陽(yáng)肩不同對(duì)應(yīng)深度處的溫差均大于0℃，即陽(yáng)肩溫度大于陰肩。此外，在氣溫下降階段，路基凍融層內(nèi)陰陽(yáng)肩的溫差均隨外界氣溫的降低而減??；在外界氣溫升高階段，凍融層內(nèi)左右路肩的溫差隨外界氣溫的增大而逐漸增大。相反，在氣溫下降階段，路基非凍結(jié)層內(nèi)陰陽(yáng)肩的溫差并未隨外界氣溫的降低而減小，相反呈現(xiàn)升溫趨勢(shì)；在外界氣溫升高階段，非凍結(jié)層內(nèi)陰陽(yáng)肩的溫差隨外界氣溫的增大而逐漸減小。由此說(shuō)明，路基不同深度處陰陽(yáng)肩溫差的峰值隨土層深度的增大而呈現(xiàn)滯后現(xiàn)象。同時(shí)，不同深度處陰陽(yáng)路肩的溫差隨時(shí)間推移呈現(xiàn)正弦規(guī)律變化，且陰陽(yáng)肩不同對(duì)應(yīng)深度處的溫差并未隨時(shí)間的延續(xù)和深度的增大而消失。由此說(shuō)明，路基走向與主風(fēng)向?qū)﹃庩?yáng)肩溫差的影響占主導(dǎo)地位。

圖8 左右肩不同對(duì)應(yīng)深度處的溫差Fig.8 Temperature difference at different corresponding depths of left and right shoulders

5.2 陰陽(yáng)坡效應(yīng)機(jī)理

寒區(qū)線路走向決定了路基工程邊坡的走向。陰陽(yáng)坡的太陽(yáng)輻射和吸熱差異將導(dǎo)致路基兩側(cè)邊坡的熱邊界條件不同，從而導(dǎo)致路基工程整體溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)和變形場(chǎng)的橫向非對(duì)稱性。圖9給出了寒區(qū)路基工程陰陽(yáng)效應(yīng)的一般形式。由圖9可知，在深季節(jié)凍土區(qū)修建路基工程后，路基陽(yáng)坡的最大季節(jié)凍結(jié)深度較淺，而陰坡的最大季節(jié)凍結(jié)深度較深，兩側(cè)邊坡不同的最大季節(jié)凍結(jié)深度將導(dǎo)致路基水分場(chǎng)在橫向上存在顯著差異，進(jìn)一步引起深季節(jié)凍土區(qū)路基工程在冬季產(chǎn)生非均勻凍脹變形，造成路基工程橫向不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響高速列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)。

圖9 深季節(jié)性凍土區(qū)路基工程陰陽(yáng)坡效應(yīng)的一般形式Fig.9 General form of sunny-shady slope effect of subgrade engineering in deep seasonally frozen soil region

以往的研究資料表明，當(dāng)寒區(qū)路基工程的走向角為0°時(shí)(即線路走向角為東西向)，路基的坡向效應(yīng)最強(qiáng)。當(dāng)線路走向角為90°時(shí)(即線路走向角為南北向)，陰陽(yáng)坡效應(yīng)最弱。同時(shí)，在任意月份，隨線路走向角的增大，陽(yáng)陰坡效應(yīng)逐漸減弱。此外，線路的主風(fēng)向?qū)⑹孤坊L(fēng)坡內(nèi)更多的熱量在風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下被帶走，進(jìn)而導(dǎo)致路基迎風(fēng)坡內(nèi)的儲(chǔ)熱量較背風(fēng)坡小，最終使得迎風(fēng)坡的地溫較背風(fēng)坡的地溫低。由此說(shuō)明主風(fēng)向的風(fēng)力大小將直接影響路基陰陽(yáng)坡效應(yīng)的強(qiáng)弱。因此，為減少陰陽(yáng)坡效應(yīng)對(duì)路基工程橫向穩(wěn)定性的影響，建議線路的設(shè)計(jì)方向?yàn)闁|西向。在走向角無(wú)法避免大于0°的情況下，應(yīng)采取合理的工程措施，盡量減少陰陽(yáng)坡效應(yīng)對(duì)路基橫向穩(wěn)定性的影響，如在陽(yáng)坡鋪設(shè)塊碎石層、遮陽(yáng)板或保溫護(hù)道等。

6 結(jié)論

1)季節(jié)凍融層和非凍結(jié)層內(nèi)土體的地溫和橫向溫差隨時(shí)間推移呈現(xiàn)正弦規(guī)律變化，且不同土層地溫的振幅隨深度的增大依次減小。同時(shí)，不同深度處陰陽(yáng)路肩的溫差在全年均大于0℃。

2)當(dāng)基床層溫度降至0℃附近時(shí)，相應(yīng)土層內(nèi)的未凍水含量呈現(xiàn)急劇下降或增大趨勢(shì)。當(dāng)基床表層溫度上升至0℃時(shí)，相應(yīng)土層內(nèi)的未凍水含量大于初始含水量。其原因是：此時(shí)土層中的固態(tài)冰接近融化溫度；土層中的水分在凍結(jié)緣附近積聚。

3)凍脹主要發(fā)生在凍結(jié)初期和凍融交替期。路基的峰值凍脹發(fā)生在春融期，其原因?yàn)椋捍喝谄诒韺油两鈨鏊窒聺B被再次凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生大量?jī)雒?；表層土融化?dǎo)致頂層土回彈。路基凍脹的結(jié)束時(shí)間滯后于凍結(jié)層的消失時(shí)間。

4)影響寒區(qū)高速鐵路路基工程陰陽(yáng)坡效應(yīng)的主要因素是：線路走向的影響，路基陽(yáng)坡吸熱量較陰坡大，進(jìn)而導(dǎo)致陽(yáng)坡下地溫較高；外界主風(fēng)向的影響，路基迎風(fēng)坡(陰坡)較背風(fēng)坡(陽(yáng)坡)帶走更多熱量，從而使陰坡溫度較陽(yáng)坡低。