冻土区自然技术系统监测

冻土区自然技术系统监测

Р.М.卡缅斯基

(Р.М. Камонскии)

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本世纪初因建设外贝加尔和阿穆尔铁路，开始组织和进行技术系统与自然环境相互作用之下的动态观测。正是冻土区的工业和交通建设，不仅产生了研究技术系统热状况和强度参数的形成过程与规律的需要，而且还产生了对它们的时空变化进行系统观测的需要。在最初阶段优先专注于线性建筑物和泄水建筑物系统观测。

1912年工程师Скварценко受阿穆尔铁路管理局的委托在列宁格勒进行专门试验，以测定负温环境中输水管道的热损耗。然后，М.Я.Цернышев［1933］在1913年初于埋入冻土的长期工作的给水管道工程现场进行了类似的试验研究。

后来铁路车站给水管道的建设实行了试验制度，这就广泛地推开了科学研究，因而能够制定关于多年冻土区铺设给水管线的方法及其热工计算方法的建议。

20世纪30～40年代，工程冻土学原理开始形成，这与Н.А.崔托维奇最初的著作(1928，1933)、雅库茨克希雅库特发电站的建设(崔托维奇等，1947)、斯科沃罗迪诺冻土科学研究站的研究(Быков，Коптеров，1940)以及港口城市伊加尔卡在叶尼塞河上的地基是联系在一起的(1929)，这里的北方海路冻土站保障了木材联合企业和城市建设所需的科学技术支持(Быков，1934)。

随着冻土区各地更广泛的经济开发，多层石造住房和公共房屋以及大型工业建筑物的建设，工程师冻土学家最终拟定了两种方法，即多年冻土上的两种建筑原则。

原则Ⅰ是保护土的冻结状态，原则Ⅱ是预融冻土地基或允许冻土地基在运营过程中融化。原则Ⅰ在大部分冻土区具有无可争议的优势。

冻土站在雅库茨克将原则Ⅰ相当广泛地推行到民用住宅建设中之后，以奥勃鲁契夫命名

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的冻土研究所东北分所曾对一系列新石造住宅和正变形的旧石造住宅地基土温度状况组织了系统观测。此外，还评价了城市建筑对冻土区上部热状况的影响。

从带通风地下室的房屋地基的最初观测资料得到的结论是：由于地下室气温上升使土的年平均温度增高(Мелвникыов，1952)，但同时在一般建筑区，冻土温度要低于城市郊区。П.А.索珞维耶夫(1958)WVSRB 1670～1950年雅库茨克市区范围内冻土温度与建筑时间之间的关系，他证实了：地区的“居住适宜性”大大降低天然冻土温度。但同时在冻土温度状况和强度方面一般令人满意的建房区却与无通风地下室的房屋下渗成融化盘，不均沉降和承载结构变表联系在一起。因此需要对房屋和建筑物地基温度状况进行系统监测。当在冻土区开采金刚石矿床、煤矿床、金属矿床，修建各种用途的管道，建设北方水力工程(动力的、水利的和土壤改良的)时，监测就成为特别紧迫。需要制定预报各种建筑物及其地基在与自然环境相互作用时的热状况动态的方法，以便评价建筑物及其地基的可靠性和稳定性(Порхаев，1959，1960)。

冻土学家不得不解决的头一批重大问题之一是开采雅库特伯朝拉河流域煤矿床和地下砂金矿矿时竖井、井上建筑物和矿井坑道的稳定性问题。

在开采冻土区地下矿藏时必须考虑矿井热状态、山地工程施工条件和矿井稳定性之间的紧密联系。

为论证预报支坊矿井筒壁岩石温度的理论方法，Ф.Я.诺维科夫(1959)曾对沃尔库塔许多矿井靠近竖井的岩石热状况的变化进行了长期观测，也就在这个时期，А.Ф.西尔伯博德(1963)在雅库特Сангарская、ДжеБарики-Хая、Цулвманск等工作矿井中组织了对坑道周围岩石温度场的形成和岩石的融化以及矿坑空气参数的时空变化特点的观测。

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Ф.Я.诺维科夫和А.Ф.西尔伯博德的研究得到了关于地下构筑物、冻结围岩和生产过程相互影响的范围和强度的概念。这些概念成为解决矿山制定建筑原则和方法、保障井上房屋(包括重型塔式井架)稳定性等一系列问题的基础(Гурьянов，1988)。

与其它工程活动方向相比较，冻土区水力工程建筑物的建设落后了很长时期。不但如此，在Амазар、Могоча修建以及后来在Пветкова Магдагача河、Бол河上低水头土坝的经验都是负面的。当涅维尔等(Цветкова，Дво)建立了不可能保证在多年冻土上修筑的坝的静力的和渗透的稳定性概念。虽然如此，在20世纪30年代末第六届冻土学术会议上(1939年)和文献中(Близняк，1937；Быков，Коптеров，1940)还是表述了在冻结地基上修筑坝的基本原则和方法(“冷”坝和“热”坝)，而主要是由于工矿企业的供水需要聚集小河水流迫使人们去寻找解决问题的实用途径。

大量的坝是按融化原则修建的，其中很大一部分已经在泄水区和两岸街接处出现险情，1943年建成了第一座含防渗冻土隔层的坝，这一隔层成了许多类似坝的原型。通过坝体和地基的温度资料的分析和冻结系统运行的观测结果，得以改进冻结系统的结构参数，设计阶段并在有依据地预报建筑物热状况。

19年伊雷利亚赫河(米尔内城)水库坝开始运营(图1)。此坝被公认为按冻结原则建筑和运营并在轴部和与泄水道街接处有由空气冻结系统而形成的冻结隔层的坝之标准(Бцянов等，19)。曾在坝上组织了系统的温度观测，并据此评价了坝的静力和渗透稳定性。但溢水道不在观测范围，结果在1968年就发现溢水道的有裂隙的石质地基中存在深10m、温度达+21℃的融区。此时被要求进行紧急维修工程(地基灌浆)，然后对溢水道作了重大改建(Бцянов等，19)。这说明：对建于冻结地基上的特殊建筑物应仔细地、方法熟练地组织观测。尽管如此，仍会重复错误。

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图1伊雷利亚赫河永久性水库水利枢纽平面图

1-公路桥；2-溢水道；3-降落墙；4-坝；5-坝的冻结隔层；6-溢水道侧的冻隔层；

7-溢水道下的冻隔层；8-融化常边界；9-分水道(Бцянов，1975)。

Сытыкан河水库坝是按类似于伊雷利亚赫河水库坝的方法设计和建造的，并吸收了伊雷利亚赫河坝的营行经验。泄水建筑物的布置和结构总的来说与伊雷利亚赫水利枢纽相类似。测温孔布置在坝体坝基和溢水道中。头几年水利枢纽运行正常，但1995年在溢水道地基中以及坝与溢水道街接带发现融区，由于水库渗漏而损失的大量的水，使得融区不断地增大。显然，融区形成过程一开始就被忽略了。到现在已处于危险状态。除了对Сытыкан水利枢纽进行温度观测以外，俄罗斯科学院西伯利亚分院冻土研究所维柳伊冻土科学研究站还进行了地球物理监测，以获取关于融区的位置、大小、形状和发育动态的资料，并更精确地确定上游河段水的渗漏带，为维修工作提供工程处理的依据。

伊雷利亚赫和Сытыкан的经验表明：我们犯了原则性错误。无论是结构还是运营方式都不能长久地保证溢水道按原则Ⅰ长期运行，溢水道对冻结坝的加热影响是不呆避免的。为节省资金投入，泄水建筑物“紧贴”坝体，并将冻结隔层设置在坝—溢水道的接线上，效果发挥不出来。必须将溢水道移到岸坡深处，使溢水道与坝之间保持相当大的冻结原岩。

维柳伊水电站是正确组织表征建筑物状态的各个参数观测系统的一个榜样。这是冻土区的第一个水电站。在修建和运营融化类型的坝时，最为关注的是观测下游抛石坝壳的形变(沉降)的坝基、亚粘土防渗斜墙、压坡棱体的热状况动态。坝体的温度观测按3个断面线组织，而地基按灌浆隧道轴线组织观测。观测资料用来检验坝及其地基的防渗稳定性，以及预报建筑物在运营过程中的热状况动态。还在水电站水库及库底进行全年温度综合观测(Каменск

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ий，1977)。象以Б.Е.维杰涅耶夫命名的全苏水利工程科学研究院，以В.В.古比雷夫命名的莫斯科建筑工程学院、俄罗斯科学院西伯利亚分院冻土研究所这样的大机构都被吸引到水电站来进行实验研究，冻土研究所为了对坝和水库进行观测还专门在Церныщев镇建立了维柳伊冻土科学研究站。

组织和进行观测的方法上的高水准，使得水利枢纽运营过程中的一系列结构和技术问题得到了更好的解决，其中包括坝基灌浆状况的校准。当通过系统的温度观测查明了由于抛石孔隙中空气的强烈对流使下游压坡棱体大大冷却，其地基冻至70m深度处(Каменский，1977)(图2)时，就采取了用小石块制成的“皮袄”来稳定下方边坡的措施。

维柳伊水利枢纽的建设是修筑一批类似水力建筑物的开始。由于克拉亚尔斯克边区北区北极圈内诺里尔斯克地区生产综合体的需要，选建成了Усть-Хантайская水电站，后又建成Курейская水电站。在马加丹地区修建了Калымская水电站。所有这些水利枢纽的建设和运营都是在对土坝的静力和渗透稳定性的精细检测之下进行的。其中，对热状况、不同标高防渗透构件和下游压坡棱体的沉降、渗透状况组织了系统观测。整个综合观测不仅能够检测建筑物状况的动态，而且能够详细地评价所采取的结构方案和建筑技术方法的最优化。

维柳伊水利枢纽坝的热况观测成为长期运营条件下坝的热状况动态预报之基础(Каменский，1977)。

图21975年1月维柳伊水电站地基和地坝体中的温度场(℃)

用来改良土壤的小水头(3—5m)土坝主要建于中雅库特，这些土坝的设计和建筑在最初阶段是未经足够的工程论证和运营检测的(Селиверстов，1976)。

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随着象Нюрбцнская、Бютейтяхская、Хоробутская、Хос-Уряхская这些大型土壤改良系统的建设，俄罗斯科学院西伯利亚分院冻土研究对Хоробутская和Хос-Уряхская水利枢纽建筑物组织了温度观测(Цветкова、Цжан，1976)。这些先是系统地进行了4年，随后是间断的观测为小水头坝以及泄水和引水构筑物的最佳结构提供依据。

在尾矿场的一些大型堤坝和围堰上，尤其在存储选矿或冶金工业生产的有毒废物时(例如诺里尔斯克市希望联合企业尾矿场的坝)也对建筑物的热状况和渗漏组织系统观测。这些观测可改进坝的防渗构件的结构并制定减少向下游渗漏的技术措施。

随着雅库特和西西伯利亚北部天然气田的开发，工程师冻土学者面临在各种冻土和气候条件下选择并论证天然气管道铺设方法的复杂问题。从Таа-сТумус(Мастах)气田到雅库茨克市的冻土区第一条天然气管线(直径528mm)被视为试验管线，是用3种方法铺设的：架空、地面填土和地下。1975年俄罗斯科学院西伯利亚分院冻土研究所对地面和地下区段围土温度场动态、季节冻结融化和管道冻胀以及地下区段天然沿管线的温度变化进行了观测(图3)。系统观测持续了两年半，成为编制关于地下天然气管线热状况数值模拟的建议之基础，并可以用来分析气体向管壁的散热系统的现有计算法，评价林区分界对天然冻土条件变化的影响(Каменский，1987)。对天然气管线的间断性观测持续到1991年，积累了关于地面天然气管线区段对毗邻地区水文状况变化和农田区生态条件变化的影响之资料。

图3Мастах—雅库茨克天然气管线附近土的温度场动态观测点之一的测温孔分布

1968—1977年莫斯科大学地质系冻土教研室勘察队在Мессояха—诺里尔斯克天然气管线通过叶尼塞河处进行了综合研究。

由于流冰期间管道有被破坏的解除，所以将3条地下管线置于一级阶地、河漫滩，部

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分在河床和河右岸坡等地下。土的温度状况和季节冻结融化动态及冷生过程的发育的观测资料记录了天然气管线建设和运营过程中冻土条件发生的极大变化(Кондратвев，1988)。

头5年管道发生了16处断裂事故。这一方面与管道铺设方法选择中的错误有关，另一方面与管子的温度变形以及施工对地表条件被破坏所激发的土在融化时的沉降和冻结时的冻胀等有关。

莫斯科大学的研究能够制定一系列关于在通过水流的复杂条件下保证天然管道稳定性的建议。

直接参与秋明北方地区天然气管道建设和研究的工程地质监测和勘测托拉斯的工作小组提出了监测输气系统较广泛的方法(Мазур等，1990)。他们认为必须将工程地质监测与工程生态监测结合起来，据此来解释与自然环境相互作用的地质工程系统的最佳时空组织。在Ямбург-Центр天然气管线上(5条线)曾组织了工程地质监测站，进行温度观测、水文地质观测和用各种结构法将管子固定在土中时管道的空间位移测量。野外工程还包括利用重复航测和视频资料进行的景观测绘。

综合全部的研究和观测资料，作为建筑物稳定性检验的基础，不仅具有实用意义，而且还能够制定关于改进天然气管道敷设方法及规定天然气运输的最佳热状态的建议。

在冻土学工程方向形成的最初阶段，建筑物与环境相互作用的预报建立在计算方案(模型)被大大简化的解析解之上的，因而精度不高。在这种情况下，建筑物和自然环境在很大程度上是作为自然—技术系统的两个分量出现的。随着冻土区建设规模和结构的变化，需要制定建筑物热状态和稳定性预报的模型和方法，为此，土不仅是环境或者地基，而且还是材料(例如，土坝)。在这种情况下，由于与环境的热交换的复杂而不稳定过程的综合影响，

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建筑物及其地基形成固有的热状态，因此，这种热状况动态的预报是不能用传统的方法来完成的。在用混合法敷设天然气管道时，或利用温差循环散热装置(热管)人工调节土的温度状态时都会产生相类似的问题。

结论

建筑物与环境相互作用预报方法的论证，作为建筑物长期运营的可靠性和稳定性基础，是地质技术系统监测的最重要问题之一。

对于一定的建筑群，在设计阶段就应该对建筑和运营过程中建筑物参数和状态特征变化的综合观测系统进行方证。

译自Криосфера Земли，

1999，3(4)，P3～8多年冻土监测

Л.Н.赫鲁斯塔廖夫Г.П.普斯托沃伊特

Л.Н.Хрусталев Г.П.Пустовойт

多年冻土温度是决定其强度和形变性质的最重要因素。随着温度的上升，土的强度降低，土的形变性能加强。特别当温度转为正温即多年冻土融化时尤其危险。它会破坏内部键合使土失去总的稳定性。此外，如果大骨架土因融化增大了自身的渗透性，那么细分散性冻土就会比先前不冻结的类似土的渗透性增加1000倍以上。温度的上升往往是土体损失稳定性，修建在这种土体之上的建筑物遭受破坏。矿井和基坑被淹没，不良冻土地质过程(热融、融冻泥流等)活化的原因。

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因此，冻土区的任何开发如果不进行多年冻土温度状态的观测和预报，不对这些状态加以控制，则是不可想象的。要求通过观测来保障各类经济活动直接或间接影响区内土的温度状态的控制。

土的温度数据内安置在钻孔内指定深度上的传感器给出，并以表格的形式来描述，表格的一边是传感器顺序号，另一边是测温日期，此表称为实际温度矩阵，这一数据必须与按提出的任务(保证建设物、边坡的稳定性、不准淹没基坑等)早就规定的极值相比较。极值如果可能的话经计算确定，或者根据专家的评定来确定。将这些极值列入设置传感器的点上，结合成极限温度矩阵。

例如，对于以保持地基土处于冻结状态的原则修建的房屋，这个矩阵包含了用来设计基础的温度设计值。如果房屋使用时温度超过此值，那么，地基就会失去承载力，基础上的结构就会遭受破坏。

因此，如果发现实际温度矩阵中的值偏向大的极值一方，那么这就证明这种类型的经济活动存在不良后果的危险，因此需要采取防治措施，预防措施之一可以是人为降低土的温度。

但是这种形式的监测仅具有确认性质，即危险的变化在它们已经出现时才被揭示出来。在很多场合，工程处于这种状况是不能接受的。因为采取任何防治措施都已为时过晚，或者昂贵得离谱。因此应根据现有的实际资料来预报今后几年温度状况的进一步变化。这样就产生一个问题，即将许多离散点上的土温(测温的刻的温度)作随时间的外推。

解此类问题最普通的方法是规定一定的函数类型和几个准则(例如函数与全部或其中任何部分的测量点规定值之差的最小平方和)，然后在此类函数中找到以最好的方式满足该准则的函数。一般选择多项式作为这类函数，但多项式的外推实实际上不考虑该问题的特点。

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不稳定条件下土的温度与时间的关系式是用非常复杂的函数来描述的，多项式用来近似此函数是很糟糕的。选择比较复杂的函数作为支持函数类型会使计算变得很困难，如果不在现有的计算方法中引入物理条件而要克服这种困难是不可能的。

相反最大限度地考虑问题的物理本质的方法此时是以描述土冻结和融化引起的热量转移的微分方程为基础的。于是就产生了所谓传热性反演问题：即按一定时刻所规定的温度来恢复起始条件和边界条件。众所周知，这一问题在数学关系上是错误的，并且不具有单值解。

可以看出，“形式数学”法也好，“纯物理”法也好都不能得到解。将问题的物理本质作为找到支持函数类型之基础的折衷方法是从上述情况得到的一个结论。这种支持 数类型可以通过较简单的计算就得到最好的升推函数。籽了实施这个方法，我们应用了作者之一早先制定的建筑物地基温度场的近似计算法［4］，并称之为等效温度法。这个方法的思想是将三维热传导问题简化为一维问题之总和(按计算点数目)。

假设我们对地基中某个安置有温度传感器的点的温度变化感兴趣。研究一维情况下热的传播，即假设具有与土体(在布置有测温孔的地方)相同的热物理特征并且起始条件也相同的垂直半无限杆的情况。改变杆的上边界温度后，总是能在我们感兴趣点上获得在指定的时刻与土的温度一致的杆的温度(同一点和同一时刻)。从这一条件求得杆的边界温度(上边界)，我们称之为等效温度。总的来说，每一点和每个时刻都有自己相应的等效温度。

此法之作者证明：等效温度与时间之间的依赖关系是可以忽略的。这样，杆点(一维问题)和土体点(三维问题)温度随时间的变化规律就没有很大的差异。于是就能够以解析的形式即与时间有关的几个参数(其中之一就是等效温度)的函数形式求得一维问题的解。这些函数应视为外推的支持类型函数。

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从此类函数中选择具体的函数是根据现有的测温资料确定等效温度和其它未知参数。现在我们转到从一维问题的解求支持函数类型的一般形式上来。

我们研究初始温度t0＜0，和上边界温度为tз的半无限杆，从中选出深度Z上的点。如果tз＜0，那么这个点的温度变化规律由富里叶解给出：

t(τ)=t0+(tз-t0)?erfc?(Z[]2амτ)，(1)

式中τ—时间，ам—冻土导温系数。

如果tз＞0，那么发生融化，融化带和冻结带的温度变化规律由斯蒂芬解给出。要预报多年冻土温度，融化带的解是没有意义的，因为我们仅对融化事实本身即达到0℃感兴趣，利用下述冻结带的解可做到这一点：

t(τ)=t0［1-erfc?(Z[]2амτ)／erfc?(β[]2ам)］，(2)

式中β—是从超越方程之解(包含等效温度)得到的附加参数，这里我们没有写出超越方程(见文献［2］)。比较解(1)和解(2)，很易看出，它们可以写成同一种形式：

t(τ)=t0-xE(τ)，(3)

式中引入了函数符号

E(τ)=erfc?(Z[]2амτ)，(4)

而富里叶解(1)和斯蒂芬解(2)的参数x相应地有下述形式：

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x=tз-t0或x=-t0／erfc?(β[]2ам).(5)

在两种解中，这个参数都与温度tз相关：在富里叶解中，这一关系是显式，在斯蒂芬解中呈隐式，通过由包含tз的方程确定的参数β表现出来。

按照上述思路，支持函数类型由(3)式和(4)式给出，据此，借助于(5)式应求得温度tз的等效值，即保证此点的计算温度与一定时刻的实际测量值相同。然后，这些表达式可用于外推。但是，从(3)式可清楚地看到，对于计算，不要求纯粹形态的等效值tз，而是参数x，并且x与tз间关系的具体形式又不起任何作用。这就大大简化了问题，因为解x和tз关系的复杂的超越方程的必要性已不存在。因此，(3)式中的参数x是未知的，应根据实际观测资料确定。

(3)式中第2个参数是初始温度t0，它可以视为自然条件下多年冻土的年平均温度。但这个温度常常是未积压的，因此一般情况下温度t0应视为(3)式的第2个未知参数，以后用y表示。

这样，根据以上所述，支持函数类型可写：

t(τ)=xE(τ)+y，(6)

式中函数E(τ)由(4)式给出，而参数x和y是未千的，应按测温资料确定。为此，我们设在某时刻ti测得的土的温度值为ti。将它们代入(6)式，得到方程系列

xEi+y=ti，i=1,....n，(7)

式中n—该点测温次数，

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Ei=E(τi)=erfc?erfc?(Z[]2амτi).(8)

温度测量值会因测量误差(技术成因的和天然的偏差)而发生失真。因此n＞2的方程系列(7)出现不相容，并且是可用最小平方法来解的条件方程系列。求得未知参数x和y值后，任一时刻τp的温度预报由下式给出：

tp=xE(τp)+y.(9)

预报误差的评价由下式给出：

Δ=tαD，(10)

式中D—升推函数相应值的高差，是根据条件方程(7)的剩余误差按照已知法则［1］来评价的。ta—2个自由度和单向置信概率α的Ствюдин分布分位数。

置信间距被认为是单向的，因为预报值偏差仅在一个方向，恰恰是较小的方向上危及建筑物的稳定性，而α值按文献(3)取为0.85。按照标准的特征设计值概念，现在应用下面形式来代替(9)式的预报温度值。

tp=xE(τp)+y+Δ.(11)

由于下述两个原因，用上述方法得到的预报是可以改进的。第一个原因是：土的测量温度的随机偏差既取决于测量误差，也取决气温与多年平均值的随机偏差。但这些偏差可从气象资料获得，并在建立条件方程时加以考虑。结果，条件方程系列(7)的剩余误差减小，因而(10)式的预报误差也减小。第二个原因是：土的温度随时间变化的实际规律与从一维问题得到的规律(1)和(2)多少有点差别，因此甚至在理想地精确测量的情况下，方程系列(7)也将

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不相容，因为温度测量点从标(E，t)不是落在直线上而是落在弯曲的线上。事先规定每一具体场合的这种弯曲特征是不可能的，但可以加以考虑最简单是利用含权最小平方法来实行。其思路是：每次温度测量都带着自己的权重进入必须是最小化的偏差平方和中。权重越大，这次测量在时间上就越接近预报时刻。在几何上引入权重表示：坐标(E，t)上的预报直线倾斜角接近于由最后测量点确定的有。下面我们详细地叙述改进温度预报的上述过程。

的平均气温tBi与自己的多年平均值tB不同，用νi来表示这一差异：

νi=tBi-tB.(12)

将最小平方法用于岩土温度测量系列，求得参数x和y，建立土温与预报直线的剩余偏差系列：

gi=ti-xEi-y.(13)

当然希望修正随机值(12)和(13)。求修正系数r和回归系数c的统计评估：

r=νigi／ν2ig2i，(14)

c=rν2i／g2i.(15)

现在土温和气温的随机偏差与回归方程有关

gi=cνi，(16)

这样就能修正土的测量温度

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ti=ti-c(tBi-tB)(17)

这些温度用最小平方法而不是用最初的测量作进一步修正。

温度预报值(11)也应作类似的修正

tp=tp+｜c｜σt0.85(18)

式中σ—年平均气温的均方差，t0.85—对于0.85的单向置信概率和对应于计算σ的气象系列长度的自由度数的Стьюдент分布分位数。

在式(18)中回归系数取绝对值，是因为这个系数可能为负值，但温度预报值应总是在增加方向上修正即按最坏的情况修正。

现转到在最小平方法中引入权重上来。仍然用ti表示在τi(i,...,n)时刻测量的土的温度值，用τp表示给出预报的时刻。每一次测量都给温度提供相应的权重：

pi=1／(τp-τi)，(19)

权重越大，这次测量在时间上就越接近预报时刻，在形式应是最小的偏差平方和时，给每个偏差建立自己的权重，以后的操作就与一般最小平方法相同了［1］。

应注意，这一方法不考虑多年冻土温度的季节变化，因此，用于预报的式是年平均温度或者以一个为间隔定期测量的温度。反之，季节波动将对测量误差起作用，降低预报精度；看来，在10m及10m以下的大深度口，这是可以接受的，因为在这一深度上的季节波动波幅不会超过测量土温的仪器误差。现在对预报多年冻土温度时要考虑季节变化的问题正在

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进行研究。

我们以气温天然变率条件下土的温度预报为例。由于缺乏钻孔中测量的实际资料，我们用模拟结果代替它们，在模型中，安置温度传感器地方的计算点位于宽12m的房屋边界下深度12m处，房屋内年平均温度10℃，地板热阻力为0.862℃／V。地基为总含水量0.15的冻结沙，起始温度-0.5℃。模型中的气温由沃尔库特气象站1957年10月～1982年10月的气象月平均值系列来描述，为使其变率的影响达到最大，可认为房屋周围无雪。

作为每年一次的模拟结果，在上述点记录夏末土的温度值。这些值之总和是每年测量的钻孔实际温度的模型，在图中，用实线表示。虚线表示按照3～10的不同测量次数预报的这一温度(测量次数等于建立预报的观测持续年份)。

测量次数增加时，曲线相互接近。它们几乎都在实际曲线之上通过，因为作为预报值采用的是置信间距的上界温度值，它们按式(11)和(18)被人为地定得很高，这是很有必要的，因为危及土体稳定性的是高于预报曲线的不可预料的温度骤增。例如，房屋使用第11年上温度的急剧骤增，按此处置在按5次或6次测量进行预报时，就能被预见到。而在使用第18～21年上的持续增高均为除按3次测量计算的曲线之外的所有预报曲线预见到了。

图1多年冻土温度随时间的变化

1—按照数学模拟资料；2—预报曲线

(数字表示建立预报的观测年数)

最后指出，预报的可靠性既取决于建立预报的观测期的长度，也取决于这个时间的平均

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气温与多年平均值的偏差。头3年这个偏差为0.63℃，头4年为0.40℃，在这两种情况下，均有预报曲线之上的土温骤增。头5年和头6年的偏差分别为+0.22℃和0.13℃时则预报曲线之上的土温未见这种骤增，就是说，预报是安全的。因此，为建立可靠的预报，推荐利用平均气温稍高于多年平均值的观测期。

译自ГЕОЭКОЛОГИЯ Инженерная геология.

Гидрогеологня. Геокриология，1994，(4)，P43—49贝阿干线路基修建时多年冻土温度的核实

М.И.伊万诺夫М.М.伊万诺夫

(М.И. ИвановМ.М. Иванов)

(莫斯科铁路运输工程学院)

多年冻土分布区(包括贝加尔—阿穆尔干线区)道路运营的施工经验表明：并不是所有的保障路基稳定性的问题都解决了，例如修筑路堤的方法就不够完善：在融化后为算强度土的地段，刚修筑后马上就“医治”路基达好多年。此降低运营指标，在道路的养护上超标准地花费人力和物力。由饱和细分散土的融化引起的路堤沉降是分布最广的变形形式之一，为了排除沉降这后果，多次艰难地进行土的加填工作。“有病”地段在10—40年甚至更长的时期内经常需要进行整修工作。

促使路堤沉降出现的因素多种多样，因此用任何一种措施都未必能预防之。仅仅调整路堤高度来预防地基土融化的尝试没有给出预期的效果。例如经常发生的情况是：在过高补偿

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路堤高度的高路堤下，在多年期间观测到沉降，而同时在相同的条件下，高度不大的路堤下却没有发生沉降，并且地基稳定。这不是偶然的，因此在文献中可以遇到关于在融化后算强度土上所建路堤的必需高度的极端对立的意见，例如有如下的建议：放弃保护多年冻土的原则；高路堤有害；运营期间多次补偿性加填的不可避免性；必须忽视多年冻土的原则或以多年冻土退化来修筑路堤［1］，采用适应沉降的方法；采用宽护道，包括双边路堤；预见到路运营期间加填是不可避免时补充加宽路基顶面；等等。

虽然，迄今为止设计得们还没有统一的方法来评价各种类型多年冻土(高温的、低温的和岛状的)从而选择这些条件下路堤的设计原则。文献［2］在统一方法上作出了很大的贡献。同时许多作者认为，例如在贝阿干线东部线路条件下设计路堤时不采用保护多年冻土的原则，并且在高温冻土条件下应从预防路堤积雪的要求出发来规定路堤高度。

在［3～5］的技术标准文件中也多半是在路基结构参数规定上的硬性建议，没有足以清楚地指出采用哪一个设计原则和路堤修筑方法及其计算论证的必要性。技术标准文件建议更严重的不足之处是：设计方案和路堤修筑方法与道路建设区具体条件之间缺乏联系。

根据我们对多年冻土区道路建筑期的运营头几年路基性状的一些观测资料的分析，可以作出下述假设，即认为超标准变形的主要原因应是融化地基上的填土法完全缺乏任何科学依据，在路堤填土结束后的每一个冬天，路堤体和季节融化层完全冻结并与多年冻土上界面相衔接的地段，就不必担心路堤的稳定性。而在融化地基上填土后第一个的冬季期间，地基与路堤体没有一起整个冻结地段，就会产生消除沉降的问题，并要花费极大的人力和物力去保障路堤的稳定性。这两种情况下路基稳定性程度的比较结果往往是较高的路堤本身的运行情况较差。在冬季整个活动层冻结时填筑路堤的地段，条件最为有利。在这种情况中的填筑的路堤高度不可能没有任何。技术标准文件中关于冬季填筑路堤的建议大部分都已陈旧。

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鉴于路堤下活动层温度状态的形成，提出考虑多年冻土类型的问题是适时的。因为将多年冻土上限保持或使之上升到路堤底部在一定程度上取决于年零振幅深度上多年冻土层的温度。

看来，在高温多年冻土分布区南部，与分布低温多年冻土的北部和高山区不一样，“冷储量”不是以冻结路堤下的活动层，更何况如果路堤本身由于在一年中的暖期填筑而有很大的“热储量”的话。

计算表明：在这样的条件下融化核的完全冻结需要几年的时间，或者，由于来自毗邻地段的融水渗透，热量进入路堤下而发育热融现象，所以一般不可能完全冻结［6～9］。后一种情况中低温多年冻土的“冷储”也可能不足，虽然这样的情况在多年冻土分布区北部很少观测到。北方的路基稳定性间接证实了这一点。

还在20～30年前，设计者几乎不曾怀疑过选择路基建筑原则的正确性，因为多年冻土分布区南部的建设刚刚开始。那时没有引起对标准文件主要建议的怀疑。随着多年冻土分布区南部建筑工程量的急剧增加，这些建议的不足就显露出来了。

在分析道路设计和建筑经验后，我们推论路基稳定性不足的主要原因应该是设计方案与路堤实际填筑条件缺乏联系，以及路堤竣工时刻的多年冻土上限的设计位置与实际位置不相一致。

为了检验上述关于多年冻土层不能在我们所需要的时间内冻结融化带的假设，曾运用电子计算机分别计算了路堤体内及其地基土的温度)计算由Х.Х.Амиров和М.М.Иванов工程师按照作者的傻书完成的)。曾完成了2个方案的计算，以便作出路堤体内及其深至2m地基土在5年期间的温度预报：

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第一个方案—在融化地基上填筑+0℃的融土；第2个方案—在冻地基上填筑由冻结土(-0℃)构成的路堤。

图1曲线是路堤修筑5年后其沿轴线的土温计算结果，由图可见，在其它条件相同时，路堤体和地基的温度状态与填筑路堤用土原来的温度和地基层内的温度有着极为重要的联系。按第一种方案填筑路堤时，路堤层内和地基土甚至在5年后仍然保持融化核的形式。这与路堤每年发生沉降时都加填相应的土来补偿的不稳定状态相对应。春季融水从侧旁流向路堤时就不排除在路堤下发育热融现象的可能性，不合乎一般所说的正常稳定性。

图15年后的10月1日高5m路堤层内沿其轴线土的温度

а—路堤填筑土的原始温度为+0℃的情况(至深度2.0m处)；Б—路堤土原始温度为-0℃，

季节融化层土的温度为-0℃(至深度2m处)的情况

按第2方案修筑路堤时，用接近于-0℃的土(这种土在施工段交替施工时很容易冻至-0℃或更低)填筑在冻结活动层(-0℃或更低)上，不会在路堤内及其之下形成融化核；此时第一个冬季的多年冻土上限上升和路堤层内，并永久位于自身的设计位置。在我们的举例中，5年后夏季融化深度在2m范围内，接近于毗邻地段活动层深度。

上述理论计算研究证实了我们的推论：当设计方案与路堤填筑时的实际温度条件充分地结合起来时，路堤体和地基很容易达到从路基稳定性观点来看的有利温度状态。

由此可以表述对土方工程生产工艺的要求，即最后重要的是保证冬末或罗一些修筑的路

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堤的整个高度都是在那样的时间按那样的施工顺序进行施工时，使得地基土和路堤体的温度在夏季开始融化之前至少不高于-0℃。

除此之外，还必须满足土方工程生产的全年性要求，以保证机械化土方工程队或其它建筑单位均匀地使用生产设备。换言之，应作出某些，在路堤地基活动层还没有完全冻结的暖季进行土方工程的生产时应考虑这些。

土方工程生产的全年性可以保证一年按季节规定路堤的填筑，冬季活动层冻结以后的填筑没有规定操作规程，而夏季最初填筑路堤到如下标高，即使填土层不超过潜在季节冻结与开始填筑时刻活动层深度之差。当路堤最初的一层冻到-0℃和-0℃以下和路堤下活动层土冻结后，随后填筑的每一层之间的施工间隔要足以让上一次的填土层温度降到-0℃和-0℃以下。

最初的路堤填土层厚度在一级近似上可以由下面的关系式(图2)确定：

hп.с≤(hп.с.п-hот)·kз(1)

式中hп.с.п—潜在季节冻结深度［10］(m)；

hот—最初填土层hп.с填筑时刻的活动层融化深度(m)；

kз—考虑到原始数据可靠性程度的安全系数，kз=0.8～0.9。

图2按关系式(1)求路堤最初填土层的计算示意图

潜在季节冻结深度hп.с.п可以从气象站和冻土站得到，或者利用实际观测资料(如果有

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的话)通过计算得到。潜在冻结深度可以在正建站线路运线上用钻孔和冻土器直接测得。安全系数也可以通过进行实际观测使之更精确。

因此，路基稳定性不够的主要原因是设计方案与路堤填筑实际条件之间缺乏必要的联系，因而路堤竣工时刻多年冻土上限的设计位置与实际位置不相一致。按照关系式(1)，在一年的暖期分阶段填筑路堤是能够获得这种联系。

根据在平土和一年不同季节填筑路堤的工作中考虑地基土和路堤体温度，运用保护多年冻土原则是可以使修筑在融化后承载力降低的多年冻土上的路堤获得稳定性的。必须遵循的主要条件是：路堤填筑工程要在那样的时间按那样的顺序完成，以利用潜在季节冻结，在最近的冬季结束前达到设计标高。

监测地基和路堤土的完全冻结是对冬季路堤填筑工艺的要求，而将填筑路堤高度与潜在季节冻结深度和填筑时刻的季节融化深度联系起来则是对夏季路堤填筑工艺的要求。

译自Известия ВУЗ. Строительство，

1977，No6.P121—126路堤正融地基沉降的预报

Е.С.普舍尼奇尼科娃

Е.С.Пшеничникова

(国立全苏道路科学研究所)

近来设计西西伯利亚北部地区路堤时打算转向广泛推行允许地基融化和沉降的设计原

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则Ⅱ。这与冬季缺乏处于松散状态的土，此需要减小土方工程量有关。由此产生了路堤正融地基沉降(最终的及随间发展的)的预报问题。不解决这个问题就不能提出设计依据，就不能解决一系列技术问题。在季节冻结带用冬季施工法进行道路建设时就发生类似的问题。

有一些能够描述正融土沉降进程的方案。这些方案的依据是：土的沉降过程服从渗透固结规律，而融化按斯蒂芬定律发生。但是，将这些方案运用到实际计算中难在要有实验测定正融土孔隙压力值，这对于大多数生产部门的土工实验室中，由于缺乏相应的仪器设备是办不到的。

Ю.К.Зарецкого最新的方案是个例外，计算公式中没有孔隙压力，而有参数x，只要知道热物理系数α，固结系数Cν和融土骨架容重，就可以计算出x。当按斯蒂芬定律发生融化时，假设层面温度在融化过程中保持不变发，就能得到解。但实际上，对路堤地基而言，可以不遵守这个条件。

对于工程上按任何融化定律近似描述正融土层的沉降进程来说，可以设压缩层厚度为等于融化深度的变量ht，以图利用固结理论的通解，于是t时刻的沉降为：

S=ephtUt，(1)

式中ep是来自所加荷载的相对沉降；Ut是t时刻已融层的平均固结度。

Ut≈1-8[]π2e-π2[]4Cνt[]h2t.(2)

按斯蒂芬定律融化时，

ht=αt

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，于是

Ut≈1-8[]π2e-π2[]4·Cν〖〗α2(3)

由此可见，在这个条件下，在整个融化期间的固结度保持不变，并仅与α与Cν之比有关。这与Ю.К.Зарецкого的精确解是一致的。在其它融化定律例如线性定律之条件下，

h=βt(4)

式中β是包含α的比例系数。

如果将式(4)代入式(2)，就很容易看到融化带的固结度随时间的变化。

同时，在实际应用任何已知解或假设时，会产生一个与正融土固结系数Cν的测定相关的问题。这个系数可通过渗透系数计算出。但是，在实验室中测定具有冷生构造的正融土的Cν是相当复杂的，而且误差可达到几个数量级。因此，较为可靠的是从融化固结试验直接确定Cν，即与许多作者所提出的融土固结系数的测定法相类似。

在荷载下土的融化，因冰变成水而体积减少，融水渗漏，部分孔隙闭合(与孔隙形态、大小及其在土体中的位置以及荷载相关)。为测定Cν，需要区分出由水从土孔隙中挤出所产生的部分沉降。

图1测定固结系统的计算示意图

λки，λкв—分别按指示器和重量损失确定的最终沉降量；

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λоти，λотв—分别按指示器和重量损失确定的融化时刻的沉降量。

正融土样的沉降与时间的关系曲线有两个特征区(图1)。Ⅰ区融化时发生的沉降量由于孔隙的闭合，即是总沉降量。在这一区内冰转变为水，以及一些水被挤出，体积相应缩小。在Ⅱ区，沉降仅仅是由于融化结束后的次固结才发生的，而且，固结不是零固结度启动的，而是土融化时刻就已经启动了的。问题在于：要测定这个过渡的，在融化时刻就达到的固结度，但不去测量此时的孔隙压力。为此，提出了按指示器读数和土样的重量损失来计算固结时的形变的方法。这个方法的要点如下所叙。

从荷载下土的融化试验得到固结曲线λи=f(t)，此曲线是按指示器所记录的形变量绘制的λи是绝对沉降量(mm)。

在这条曲线最后的一点上，确定土样重量损失后用下面的公式计算形变量：

λкв=ΔQ／γвδобр(5)

式中ΔQ是试验中土样的重量损失；γв是水的比重；δобр是土样表面的面积。

既然由重量损失产生的形变仅仅是由水分渗流确定的，所以按重量计算沉降量，设固结为100%，并在曲线上标出相应的点(λкв)(见图1)。

既然Ⅱ区沉降量实际上仅与固结有关，那么从λкв点画出一条平行于固结曲线的曲线，得到这条曲线与垂线的交点，此点将固结曲线分成Ⅰ、Ⅱ两区，也确定了融化时刻固结沉降量λотв。

融化时刻固结率(%)由融化时刻沉降量与最终沉降量之比确定：

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U=λотв／λкв(6)

固结系数按渗透固结的经典理式计算：

C=4h2[]tотπ2·ln8[]π2(1-Uи)(7)

式中tοτ是由实验曲线折点(见图1)确定的整个融化时间。

为鉴定这一正融土沉降预报方法，在国立全苏道路科学研究所实验室进行了实验研究。试验是在具有人造冷生构造的土样上进行的。这种试验是土糊通过多次冻结而形成的，冻结过程中水流向试样的下部。在形成稳定的冷生构造之前，不可能发生侧向膨胀。

图2具有人造冷生构造的正融土样沉降量与时间之间的关系

1—实际值；2—计算值

(土样高度2.27cm，含水量31%，0.04MPa荷载下的密度为1.85t／m3)

图2列举了西西伯利亚北部广泛分布的轻粉质亚粘土的试验结果。荷载板温度随时间的变化在-10～+20℃范围内接近于线性。由图2所见，沉降量与时间的关系实际上为线性关系，与Н.А.崔托维奇所得结果相一致。按式(4)确定的系数в为0.0017cm／min。按上面的叙述方法计算的固结系数为0.043cm2／min。

按公式hi=βτi计算指定时刻的融化深度，按式(1)计算沉降量Si后，得到沉降量与时间的关系曲线，这一曲线实际上与实际曲线相吻合。

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沉降量随时间变化的计算结果是根据〖WTBZ]Ю.К.Зарецкий方案和假设方案但按斯蒂芬定律(公式(1))融化得到的，计算结果很接近，两者之差不大于8%。

因此，关系式(3)和上述不直接计算渗透系数而确定Cυ的方法在解决与公路路堤地基正融土层沉降量预报有关的问题上是很有效的。

译自《Автомобилвные Дороги》 №.1,1993从路堤施工期和路堤高度预报

路堤正融地基的沉降

Е.С.普舍尼奇尼科娃

Е.С.Пшеничникова

(国立全苏道路科学研究所)

正融地基沉降的预报是在极北地区修建道路时发生的问题之一。对沉降的可能性考虑不足可导致过度增大路堤高度，从而增加建筑成本，延长建筑期限，以及引起路基和路面的变形。因此，在按原则Ⅱ设计冻土地基的路堤时，必须可靠地预报正融地基的沉降。路堤重量、土的形变性和可压缩层的厚度都影响沉降量。除了土的热物理性质和地区气候参数外，可压缩层厚度本身还取决于路基的建筑期。

目前路堤既在冬季也在夏季修建。在这种情况下，沉降量与路堤高度之间的关系不是单值的。因为融深不大时高路堤形成了大载荷。

为了评价路堤高度及其施工期对地基沉降的影响，国立全苏道路科学研究所进行了研

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究。研究的第一阶段是实验室工作：测定在载荷之下融化的具有人造冷生构造的土的压缩性。为此，通过将糊状土在开敞系统即水分向正冻土迁移时多次冻结来得到实际上具有一定的组分和状态指标的试样以及压缩和固结曲线。其沉降量与天然土样试验结果［1］工作在В.Д. Казарновский领导下完成。相一致， 在0.0MPa(相当于2m高路堤的重量)载荷下为0.15～0.18(随路堤高度而异)。

研究的第二阶段是对某些路堤修建期测定不同高度路堤地基的融化深度，用В.В. Пассек和А.М. Бродский编制的PQT30程序在电子计算机上按一维问题［2］数值解析法计算不稳定热条件下的土体温度场。

设土温在深度上，即在划分为路面、路堤及其地基等块体的模块范围内是恒定的，并且在时间上即在温度场发生突变之前的一个月期间是恒定的。模块厚度在计算期间也是恒定的。层厚因沉降而减小及其密度的增大都调整计算中所用的融土热物理特征值加以考虑。土表面温度按地表气候参数和辐射平衡确定。冻结和融化过程水分的相变不予考虑。

计算道路结构的融化深度时，作以下的假设：

①路堤修建于最大压缩期，即施工期内路堤对地基的影响不予考虑。

②设通行部分积雪厚度在整个冷期是不变的，并与路堤高度无关。

③设采料场的土温不变。

④冬季修建路堤时，在下列条件下计算温度状况：一月份在完全冻结的地基之上填筑路堤，路堤高度分别为0.8、1.2、1.6和2.0m。

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图1冬季修筑路堤时路堤地基的融化进程

1—苔原苔藓泥炭覆盖层厚0.2m，轻粉质亚粘土的零度等温线；

2～5—用ПАГ—14板装配式路面、路堤地基中的零度等温线。高度分别为1.6、1.2、0.8和0.4m。

计算结果表明：路堤高度达2.0m时，地基不融化。路堤高度减少多少，融深实际上就增加多少(图1)。等温线具有的特殊形状，与实际观测结果相一致。气温为正之后，苔原地段开始融化要迟于路基的融化，因为苔草泥炭覆盖层具有很大的热阻。

对夏季修筑的路基的融化过程的研究在三个时段上进行：五月，取料场土温为正温，且接近于0℃，而苔原的融化尚未开始；7月，填土的温度取活动层剖面温度的平均值；9月，地基的融化实际上已经结束。

图2夏季修筑路堤时路堤地基的融化进程

1～4—5月填筑的高度分别为2.0、1.6、1.2和0.8m的路堤地基零度等温线；5—路堤修筑前正融活动层

零度等温线；6～9—9月填筑高度分别为0.8、1.2、1.6和2.0m的路堤时的零度等温线。

夏季修筑路堤时，随着路堤高度的增加，消耗于加热土的热量也增大，这与冬季施工是不一样，因为冬季施工时，随着路堤高度的增加还要将热消耗在水分相变之上。因此，用非常低的正温土修筑路堤时，路堤高度增加40cm，地基融深就减小15～18cm(图2)。

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在暖季中期(7月)和暖季末期(9月)修筑路堤时，观测到路堤对地基的加热作用：较高路堤的地基融深较大(见图2)。例如，如果9月修筑高0.8m的路堤之后，其地基开始自下冻吉，希而，路堤高1.6m时，地基将继续融化。

按照所得到的路堤地基的最大融深，利用一维问题中地基苔泥炭覆盖层和亚粘土的压缩性与荷载之间的关系，计算了沉降量。

计算结果表明(图3)：冬季修筑路堤时，随着路堤高度从0.8m增大到2.0m，地基沉降量从0.18m减小到0。夏季修筑路堤时，地基沉降量取决于路堤高度及其修筑时间。如果路堤在暖季开始时修筑，随着路堤高度从0.8m增加到2.0m，地基沉降量从0.24减小到0.19m，那么，在暖季末期修筑路堤的情况下，路堤高度的增加相同时，地基沉降量则从0.29m增加到0.41m。

图3路堤地基沉降量与路堤高度和修筑时间的关系

1～4—分别在1月、5月、7月和9月修筑的高度从0.8m增加到2.0m时的路堤地基沉降曲线

应指出的是：现在说的是路堤修筑后第一个暖季已融路堤地基的沉降。因此，需要评价以后年份沉降增加的可能性。

在冬季施工条件下，路堤修筑后第二个暖季地基融深可能增大。首先是因为夏季较热，其次是因为苔藓泥炭覆盖层的沉降发生得较早，苔草泥岩层融化时仅在饱水状态下才具有隔热性质。结果是地基融深随着沉降量的相应增加而增加10%～15%。

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在夏季施工条件下，正如计算结果所表明的那样，下一年地基融化深度甚至在不利的气候条件组合之下也是减小的。因此，实际上沉降在施工季节就结束了。这种施工方法在施工必须在压缩期间完成时是较为合适的。

应强调的是：根据计算所能得出的结论仅是关于沉降变化的趋势。在按原则Ⅱ设计路基时最好对几种路堤高度和路堤施工期方案进行计算。在考虑了计算结果所需要的路堤高度(无积雪、存在合格的土和材料源)以及对施工完成期限的要求后，就可以从经济观点选择最为有利的方案了。

译自《Автомобилвные Дороги》№ 5，1993年，P14～15

具有复杂冻土条件的山坡上的路基

Ф.Х. Юрков

雅库特公路运输施工管理局在中雅库特和东南雅库特多年从事大规模低等级道路建设，路基由侧旁取土坑粘性土构成，路面为砾石碎石。这些道路主要位于大小河流的谷地，沿线冻土条件极为复杂。在上河漫滩河流阶地上广泛发育着一般由埋藏于泥炭淤泥沉积物中的地下冰融化而形成的热融地形。筑路时，热融现象大大活化，道路周围发生新的塌陷，这是因为河谷中实际总是存在横向坡度地形，导致地表水流向道路。地表水起加热作用，并冲蚀曾冻胀的土，形成热侵蚀冲沟、热融湖、总的来说使路基表失稳定性。

雅库特公路运输的道路采用具有双向取土坑的横断面，这在很大程度上使道路容易遭到水热侵蚀。因此道路设计的重要问题之一是选择具有复杂冻土条件的山坡上的最佳路堤结构和道路排水系统。这种条件下含取土坑的横断面常引起事故，因此应进行技术革新，并大大

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加强道路的分类。同时，在作过较小的道路分类的低等级道路条件下，利用侧旁取土坑的当地粘性土是绝对有利的。对一条路基用侧旁取土坑土建成的公路的多年研究结果表明：尽管冻土条件很复杂，但道路建成5年后保证了重型汽车和汽车列车的正常通行。在全线道路上，包括强融沉地形地段，路堤高度不超过1.2～1.5m。路堤下部的1m是用当地粘性土和泥炭淤泥土铺筑的，上部0.3～0.5m作为路面，其材料为砾石或碎石。路基建成后边坡坡度不大于1：2。

低温多年冻土条件下路基稳定过程，既由土的干燥和压密表现出来，也可从多年冻土新的上限位置的形成反映出来，通常这需要4～5年时间。在这4～5年时间内必须进行消除沉陷、不均匀沉降等工作。整个道路上的平均维修工程量不超过最初土方工程量的10%～15%。在稳定过程中，按照道路行车部分的修复程度，限定汽车行驶速度在20km／h以内。

在上述饱冰冻土区，按照所采用的道路设计原则，要求用运来的碎石土修筑的路堤高度大于4m。但雅库特公路运输施工管理局的经验表明：在交通量不大时，对路堤高度为1.5m的由当地土筑成的路基，使用分阶段改善的方法是可行的。但此时应将地表水的热侵蚀作用降至最低。根据Эльдикан-Югоренок和其它一些用当土建成的线路的试验工作和雅库茨克苏维埃社会主义自治共和国用地土建成的公路(Ниж.Бестях-Амга，Хандыга-马加丹)的综合调查，可作出下述结论：

热侵蚀成因的变形是不会逐渐停止的，但仅在山坡径流集中地段和地表水稳定积滞地段日益加剧。山坡上径流集中和地表水积滞一般发生在上侧靠近路堤坡脚的地方。道路沿线地带泥炭层被破坏时，在极大地汇聚和积滞地表水地段会出现热融现象。因此，对具有复杂冻土条件、坡度为10‰～200‰的山坡路段作者提出带单侧下方取土坑的横断面结构(图1)。在横向坡度较大时，这个方案应与用来外土筑路基的方案进行比较，因为采用这个方案会使推土机的生产率大大下降。

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图1作者提出的路基横断面

1—路基；2—装配的泄水槽；3—在道路运营第2年的恢复植被过程中铺设的泥炭；

4—取土坑；5—由路基下方取土坑的泥炭的聚集成的小丘。

标志着饱冰土存在的第一批景观指示是受抑的，草丘沼泽，发育良好的苔藓和泥炭。在这种情况下，要保护道路上方的天然苔藓、泥炭和树木，而取土坑设置在路下方。在这种横断面中，止方天然苔被层在很大程度上保护了路基免遭水侵蚀作用。问题在于：在降雨期间仅仅湿润苔草和泥炭就可消耗40mm的径流层。在中雅库特地区，按照水文气象站的资料，日降水量为50mm的年份是很少的，如果考虑到苔藓和泥炭的容水性非常大，那么在发生厚层降水时，将不会观测到水流。

苔藓泥炭层中拦阻温度达14～16℃的雨水，由雨水带来的热量消耗在水本身的蒸发上。每平方米苔藓通过蒸发损耗100～300kal／d。冻土状态的破坏仅发生在有很大的流域水流或者成为冻土层上水通道的水沟中。因此在这些水沟中应将泄水建筑的设置与坡沟结合起来(图2)。

图2与集水沟的使用相结合的山坡排水系统示意图

1—路基；2—汇水建筑物；3—排水沟

保护道路上方苔藓泥炭层可形成最有利的路基状况，排除形成融化沟并在沟中积水的可能性。但饱冰土上路基的疏于与路基的过度潮湿或蓄水量增大一样，都是很不利的。通过保持冻土层上水的天然流动状态是可以保证地基土的最佳水分状况的。下方取土坑和高1.5m

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的路堤维持了冻土层上水的流动状态。路基所吸收的部分水将消耗了蒸发之上。此时，将消耗大量的太阳能，使得地基土融化尝试小于疏于地段。为保证下方取土时路堤边坡的稳定性，应规定路堤边坡坡度不大于1：3。

尽管还没有有意识地修筑过具有下方单侧取土坑的道路，但无意中建成的具有下方取土坑的Ниж.Бестях-Амга，Хандыга-马加丹等路段证明了作者建议的正确性。例如1975～1977年完成的野外试验工作证实：除了由地基土的融化和压密程度引起的路堤下沉之外，Эльдикан Югоренок公路含下方取土坑的路基运营口年以上没有任何发生严重变形。在曾没有按时完成取土坑清理工作的地方所发生的沉陷和取土坑中的热融湖，通常从下方向路基方向发展。

图31977年8月16日Эльдикан Югоренок公路

177km处具有下方单侧取土坑的路基的水—冻土状况

а—探坑1；б—探坑2；в—探坑3；1—苔藓泥炭层；2—泥炭化亚粘土，含10%碎石；

3—砾石，含30%亚粘土充填物；4—粉砂质亚粘土。

图3是位于沉陷性饱冰土之上的Эльдикан Югоренок公路177km处19年建成的含下方取土坑的路基横断面，路基是用含10%碎石的泥炭化亚粘土筑成的。用含亚粘土充填物的砾石质材料筑成的面层按路基下沉的程度补足。尽管路堤高度小，土的含水量很大，但该路段的路基运行稳定。热融湖在继续扩展，标志着湖水热侵蚀作用边界的土中裂缝证明了这一点。下方湖岸发生强烈的坍塌，湖泊逐渐离开路基。但不应认为下方取土坑中可以允

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许热融湖存在。融沉应在它开始出现之初就予以消除，用苔被层恢复取土坑中植被或用非融陷性土回填取土坑。

此外，涅尔茨克公路管理局在运营实践中运用不破坏的苔被层“医治”山坡上的地基。在路基过度潮湿地段，从下方取下这一层，以降低多年冻土上限。结果，已形成的融化沟槽停止发，排出了路基中的多余水分，从而提高了路基稳定性。

雅库特公路运输的道路工作者从事土方工程的我年生产经验揭示了有重要实际意义的土中水分重分布规律和冻土层上水开始流动的时间规律。在有天然苔被覆盖层并由粘性土构成的山坡上，仅在7月底才观测到冻土层上水较强的流动。在冻土层上水开始流动之前，已融土含水量低于流限，因而可以用掘土机挖掘。在相对含水量为80～90%时修筑路堤。在技术科学博士И.А. Золотарь教授、Б.И. Попов和А.С. Плоцкий科技副博士的著作中提出可以用过度潮湿土修筑路堤的理论根据，其基本原理被写进规范中。7月底，冻土层上水开始较强地流动，在这个时期要排掉土壤中的水和采用机器作业都是很困难的。

Н.С. Иванοв博士(1)对雅库茨克市地区和Е.А. втюрина(2)对Яукотк地区Волчья河下游的季节融化层土中水分量分布规律提出了理论和实验根据。

春季，河漫滩地段由于融水汇集了冻土隔水层之上，使得土最为过度潮湿。河漫滩的蓄水增加使土的融化深度较山坡地段大。到夏季的后半季融深很大时，水从高处向低处排出，上层土就变得适宜于路基的修筑。这样，山坡上可以运用机器取土到7月底，而从8月初开始，河漫滩上就可用机器取土，即整个暖季都可以使用高生产率的机器。

按融化程度分层掘土下方取土坑，将苔藓泥炭层集中在取土坑外堆成小丘，小丘应呈半球形，靠近底部的边坡坡度不大于1：4。这对于下一个夏季按融化程度分层挖掘苔藓泥炭

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丘是很有必要的。路基修筑后第2年恢复取土坑植被是为了用泥炭平整已融化的凹地，加快沿线地带的稳定。

雅库特公路运输的道路机构多年积累的经验表明：在砾石(碎石)路面的低技术等级道路上，应广泛应用当地粘性土来修筑复杂冻土条件下的路基。用下方单侧取土法修筑路基，能够保留传统的筑路法，大大地减小此时地表水的热侵蚀作用。

译自Автомобильные Дороги，1978年，№ 2 P9～10

多年冻土上沿天然气管道的道路路基修筑特征

А.С. ПлоцкийН.А. ГолендоВ.Г. Наумов

秋明北部地区天然气田的开发经济证实：气田交付使用的速度取决于能保证大载重量汽车全年通行的沿线道路的修筑要赶过基本生产工程的修建。同时，北部地区存在融化时呈低承载力的饱冰冻土和泥炭地、沼地、冻胀丘等的复杂地段给建筑工作造成极大的困难：使路基结构、施工技术、工程材料和机械的发送变得复杂起来。

根据管道建设的需要，沿线道路必须建在非常靠近管道的地方，而不以所遇路段的复杂性为转移，保障从事管道建筑的汽车和机械装置的通行。如此程度的硬性规定迫使人们去寻找最佳的沿线道路路基结构和施工技术方案。但是直到现在，这个问题都没有引起人们足够的重视。

表1

景观综合体及其特点〖〗路基设计和建筑原则第一组〖〗地面的平坦的或微丘状起伏的，

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苔原和森林苔原，有20～25cm苔藓覆盖层，沼泽化草丘密布。土壤是粉质亚砂土，富冰亚粘土(具有明显触变性。土温-0.5～-1.0℃。亚砂土含水量15%～25%，亚粘土含水量35%～40%，融深0.7～1.5cm〖〗第一原则在道路整个运营期间，保证多年冻土上限的上升不低于路堤底层，并保持在这一位置上第二组〖〗泥炭地长达300～400m，微地形呈起伏不平的浅凹地，泥炭厚达5m，体积含水量大于50%，有侵入冰。融深不大于0.7m。泥炭温度-2～-4℃。〖〗第一原则在道路整个运营期间，保证多年冻土上限的上升不低于路堤底层，并保持在这一位置上第三组〖〗泥炭土、冻胀土、热融地形、有泥流和滑坡堆积物的坡地〖〗同上第四组〖〗排水良好，由亚砂土和亚粘土组成的阶地和分水岭地〖〗第二原则：根据道路运营过程中的允许形变值限定地基土的融深第五组〖〗大水流河滩地，高含水量粘性土，冻土层埋藏于7～10m的深度上〖〗按道路气候区Ⅱ标准执行第六组〖〗排水良好，由含大块碎屑物质的砂土、亚砂土和亚粘土组成的岗垅，不衔接冻土的埋深大于8m，地上长满树林，冻土温度-0.2～0.5℃〖〗同上

沿天然气管道筑路的地区，涉及苔原、森林苔原和西西伯利亚的北方泰加林亚区。按照这一地区的冻土条件划分出6组景观综合体［1］Духин Н.Е.西西伯利亚北部天然气管线的勘测、设计和铺设的特点《Строительство трубопроводов》，1969(3)，C.9～12。，各组的特点列于表1。

图1沿线道路路基结构

1—不胶结的碎石土；2—粘性土；3—由泥炭构成的隔热层；4—天然苔被层；5—管道；6—木垫板；

7—桩基；8—取土坑；9—由取土坑的土填筑的路堤；10—最大融深时的多年冻土上限

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景观综合体条件的多样性，迫使需要区分路基结构，建筑原则和技术的选择方法。头3组的条件最为复杂，破坏天然的水热状况会产生冻胀丘，冰融化时的热融地形，土的沉降，结果所建建筑的出现不允许形变。第四组的条件比较有利，土的融化不会引起不允许形变，因此选择结构和施工方法时，要求应放宽一些。在5～6组景观综合体区段，冻土埋藏在7～10m深度处，对所建结构的稳定性不会产生很大影响。因此，最好按照道路气候区Ⅱ的要求修建路基。

这样，在多年冻土埋深不大的区段，可以采用两个路基设计和建筑原则，国立全苏道路科学研究所鄂木斯克分所在雅库茨克和布里亚特苏维埃社会主义自治国多年的研究过程中广泛地检验过这两个原则：

第一个原则是在建筑和整个道路运营期内保持地基土的冻结状态。

第二个原则是根据稳定性条件允许一定的融深(见表1)。

目前，全苏大型管路建设科学研究所(ВНИИСТ)和国立天然气大型管道和专业建筑设计院(Гипроспецтаз)提出了地上、地面和地下3种管道敷设方法的50多个沿线道路路基结构方案。从中可划分出4个有代表性的结构，这些结构满足上述设计原则和机械化施工，利用当地建筑材料(泥炭、森林、粘性土)及其使用工艺性等的要求(见图1)。

结构特点和相应设计原则的要求决定了准备工作和基本的土方工程的特点和完成期限以及机械使用条件。准备工作的完成期限应根据景观综合体条件和所采用的设计原则来规定。

在按第一原则修筑路基(Ⅰ、Ⅱ类结构)的地段，应保证尽可能保持天然水热状况，因此

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准备工作应在冬天完成。树木和灌木仅在路堤地基宽度内才加以清除，但禁止连根铲去树墩。

在按第二原则筑路(Ⅲ类结构)时，行车道准备工作要保证路堤地基土的承载力。在按土的融化程度平整取土坑的同时建好截水沟，不允许将这一工作推迟到罗晚的时期做，因为没有截水沟，就会来自毗邻集水地的水流补给土壤水分。

要严格循建筑原则完成基本的土方工程。冬季土冻结以后填筑路堤高度不小于30cm时，能保证按第一原则构造的Ⅰ、Ⅱ类结构中地基土保持冻结状态。路堤的下层用“自由身”法填到0.5m高，随后用纵向法填筑。修筑Ⅰ类结构的路堤时，按下面的顺序完成各施工过程：清除行车道上的雪，铺设由泥炭组成的隔热层，用隔热材料填筑第一层路堤，建成粘性土护道，将路堤加填到设计标高。整个路堤要么在冬季完成，要么分两个时间段完成，分两个阶段填筑路堤时，第一阶段是冬季在冻结地基上填筑部分高度，第二阶段是夏季加填到设计标高。第二阶段的工作应在路堤下的土保持冻结状态的时间内完成。第二阶段路堤填筑时间由热工计算确定，应等于第一阶段所筑的路堤层融化所需的时间。按第二阶段的工程量及其完成时间的限定来规定机械配备。用重10吨的压路机在同一条车辙上来回行驶6～7次来分层压实泥炭，每层0.4～0.5m(松散状态)。按泥炭的含水量和承载力来规定压路机轮子的载荷(表2)。

表2

泥炭含水量

(%)〖〗极限强度

(kgf／cm2)〖〗材料上的推荐单位压力

40

(kgf／cm2)〖〗轮上的相应载荷

(kg)340〖〗0.11[]0.10[]100330[]0.30[]0.27[]400320[]0.65[]0.58[]1000

在管线下堆筑土楔体时(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类结构)，夏季用自动卸货车送来粘性土，堆在道路边坡上，用堆土机横向推移。禁止推土机进入土楔体下的苔被层。

在构筑Ⅱ类结构时，施工也分两阶段进行：冬季用不胶结碎石土填筑路堤的下部，夏季用粘性土加填，加填须在路堤下土保持冻结状态的时间内完成。按照Ⅰ类结构的技术作业要求来构筑Ⅱ类结构的路基。

在允许地基土融化的路基构筑地段(第二设计原则)，Ⅲ类结构路堤的填筑可以在夏季进行，也可以在冬季进行。路堤构筑顺序如下：用“自由身”法填筑不胶结碎石土下层，铺设木垫板，用自身法将土堆筑在木垫层上，用纵向法分层加填路堤到设计标高。

用单侧取土坑的土构筑Ⅳ类结构路堤，从取土坑采掘土，从下游方向开始，根据融化程度分层采掘，每层10～15cm。为保护路基中的苔被层，用推土机从苔被层边缘开始，顺序地铺设第一层土。在土推移到路堤后，每工作班结束时都要将土抹平，从轴部到边缘形成3～5%的斜面。地面工作结束后，立即整平取土坑的底部和边坡，并抹平苔被层土堤。按照所需要的密度标准分层压密土。

按照施工技术的特点来配备适宜北方使用的或者具有作业工具和高强度行动部分的机械工程队。按第二原则在过度潮湿的粘性土地段修筑路基时，要使用具有高通过能力的机械。

为了在规定的期限内完成土方工程，必须配备三个在不同时间工作的机械工程队。

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一号工程队—完成准备工作：2台ТДТ-55拖拉机，3台ДЗ-18推土机，2台友谊牌汽油锯，1台ДП-14松土机。

二号工程队—修筑按第一原则设计的路堤，主要在冬季施工：1台Э-1252БС挖土机，3台КРАЗ-256Б自动卸货车，1台ДЗ-18推土机，1台КУ-29压路机。

3号工程队—修筑按第二原则和道路气候区Ⅱ的标准设计的路基，主要在夏季施工：4台ДЗ-18推土机，4台ДЗ-5刮路机，1台ДУ-29压路机，1台Э-1252БС挖土机，2台КРАЗ-256Б自动卸货车。

上述方法在具有复杂冻土条件的地区的道路工程中进行了试验。

译自Автомолильные Дороги，1978年，№.2 7-8页

在多年冻土上阶段性填筑路堤的依据

А.А.库罗奇金

(А.А. Курочкин)

多年冻土区(包括贝阿铁路干线区)的工程建设对保障建筑物和路基稳定性提出了更高的要求。因此为了解决贝阿铁路干线条件下工程组织、设计和建筑技术等问题，极需进一步研究铁路建设中的问题。

文献［1］首次在铁路建设中提出了有相当依据的建议：在高温多年冻土区修筑路堤时要核实多年冻土温度。表明了：用0℃左右的土甚至在0℃地基土上填筑路堤时，在建成以

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后的多年中路堤不会形成融化核，路堤也相当稳定。在路堤建成后的第一个冬季，多年冻土上限位于设计位置。遵守土方施工的补充要求：无论在冬季还是在夏季都要考虑地基土和填土的温度，这是建成高稳定性路基的必要条件。

本文研究了用冬季冻结法保障多年冻土区路基稳定性的问题。

冻结法的使用提出了铁路路基施工工艺方面、为保证冬末前填土冻结状态的施工强度方面的一系列问题。工程施工强度可通过专门规定施工段参数及施工段数，组织三班工作制，选择相应的施工法来达到。看来，需要对这些问题进行详细研究。

总之，地土方工程施工工艺的要求归结于遵守工世顺序使地基土和路堤体在春季开始融化前的温度达到0℃以下的条件下，保证冬末或较早一些筑成整个路堤高度。

在一年的暖季，地基活动层尚未冻结时进行施工，对填筑技术的要求格升的高。如果冬季活动层冻结后的路堤填筑几乎不须规定操作规程的话，那么夏季就并不总是能将路堤填筑整个设计高度的。如果路堤填筑时刻活动层的已融化深度与路堤设计高度之和不超过潜在季节冻结深度的话［2］，那么应分两阶段填筑路堤：夏季填筑低断面路堤(hпс是路堤第一次填土层厚度)，然后在即将到来的冬季使路堤达到设计高度。现在我们列举一个在高温多年冻土分布区建设条件下，计算最初填土层最大高度的例子。计算是对最大融化深度即秋末进行的。

已知：夏季路堤最初的填土层高度按下式确定：

hпс≤(hпс-hот)·kз(1)

43

式中hпс—潜在冬季冻结深度(m)；hот—最初一层土填筑时刻的活动层融化深度(m)；kз—考虑到原始数据的可靠性程度的安全系数，kз=0.8—0.9。

在我们所研究的这个实例中，路堤地基土的热物理特征值为：粉质亚粘土容积热容量

CT=700千卡／3·℃

，CM=600千卡／m3·度；导热系数，

λT=2.0千卡／m3·℃·h

，λM=2.5千卡／m3·℃·h；年平均气温t0=-2℃；零年振幅深度的多年冻土温度tз=-0.5℃；土中水分的相变耗热为2200千卡／m3。

计算潜在季节冻结深度hпсп：

hпсп=-BB2+4DE[]2D(2)

式中D=d·δ；B=α·V+α2σ-βδ-σ·δ2；

E=Vβ+α·β·δ+V·σ·δ；α=Acp+δ；

β=(A0+tз)σ；V=Acp·2c；

σ=λ·T[]п·Cоб

44

；

б=Qф〖〗2·Cоб

；Acp=Ao-to[]lnAo+to+δ〖〗δ-δ；

Ao=25，是含水量W=30%时的气温物理振幅值；

2c=β〖〗α

；T=8760h(1年)；

σ=2.5×8760[]3.14×600=3.14；δ=22000[]2×600=18.33

；

Acp=25+2.0[]ln25+2.0+18.33[]18.33-18.33=11.5

；

α=29.83；β=(25+2.0)×3.14=92.07；

=92.07[]29.83=3.09；V=35.54；D=546.78

；

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B=1261.11；E=14858.99；

hпсп=-1261.11+1261.112+4×546.78×14858.99[]2×546.78=4.18m

计算融化深度hот：

hот=Ao+to[]lnAo+δ〖〗tз+δ-δ=25+2.0[]ln25+15.71〖〗0.5+15.71-15.71=9.29

；

α=25；=1.77；V=16.44；D=392.75；B=781.40；E=4580.；

hот=-781.40+781.402+4×392.75-4580.[]2×392.75=2.56m

因此，hпс=(4.18-2.58)(0.8-0.9)=1.8-1.45(m)

冻结期的融化深度按公式

hот=29T

(T—填筑期正温的度·月之和)确定。

潜在冻结深度可按实际条件测得。利用实际测量资料也可使安全系数更为精确。潜在季节冻结深度可利用手册资料(如果有的话)或者从冻土站获得。

这样，按第一原则(包括冬季冻结法)修筑路堤决定了在夏季和冬季很宽的工作面上进行

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施工。填筑路堤的基本土方工程量必须用冬季冻结法在一年中日平均气温低于0℃的冷季完成，以及必须形成有利于地基土和路堤体的强烈的、完全的冻结的条件。

译自Груы Моск.Институг инженероь желеноорожно

транспорга №621，55—59路堤修筑工程施工季节对地基热状况的影响

В.В.Соколов

路堤填筑工程施工的季节性是影响路堤地基多年冻土热状况变化的因素之一。许多研究者将填筑的季节性视为决定路堤与地基之间的相互热作用的热过程方向因素的重要方式。我们进行的计算研究表明：路堤填筑季节对热状况的影响仅发生于运营初期，并且还可以求得在下列条件下的有效应用：即地基不融化，并在路堤修建之后的3—5年内达到热稳定。

研究包括对地基温度状况和融化深度变化的实际观测，以及对路堤下融化深度的预报性计算。对高温多年冻土分布区(＞1℃)对夏季和冬季填筑的路堤的试验工程进行了9年的实际观测。对地基冻土融化进程的观测是用各种方法进行的。用水银温度计和电阻式温度计测量土的温度。每年用压力测量法和电测法(同时对测点进行水准测量)较精确地测定路堤下冻土上限的位置。还对试验工程用不同结构的测降仪观测由地基融化引起的路堤沉降。

从为进行状态观测而构筑的试验工程选定冬季和夏填筑的路堤，以进行比较。路堤用同一种土修筑，并且地基具有相似的岩性结构。差异仅在于：冬季修筑的路堤有不大的高1.0—1.4m，宽2.0—4.0m的填筑护道。由于此路堤有很宽的路基顶面(此时路堤的宽度与高度之比为1：3—1：4)，护道的热影响不大，因为护道离路堤轴部的

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图1一年不同时间填筑的路堤下冻土地基的融化进程

1—夏季填筑(实际融深)；2—部分冬季填筑然后夏季加填(计算融深)；

3—夏季填筑(计算融深)；4—冬季填筑(实际融深)；5—冬季填筑(计算融深)。

距离较远，尤其运营的第一年。比较的路堤的边坡具有大致相同的东西向方位，这就决定了所接受的太阳辐射热是相等的。

实际结果以冬、夏两季修筑的两类路堤的冻结地基融化深度随时间的发展进程的形式列于图1。由图可见，冻土地基的融化过程以下面的方式发生：冬季修筑的路堤下冻土地基的融化要比夏季修筑的路堤延尺1.0—1.5年。两类路堤下地基的融化在头3年以大致相同的速度(0.38m／a)发生。以后融化速度减小，冬季填筑路堤和夏季填筑路堤分别为0.16和0.08m／a，即它们的融化深度之差随时间不断地缩小。

研究本文所分析的问题首先要确定冬季填筑和夏季填筑本身的术语及其内容。在文献中这些术语常理解为日历意义上的词。例如，所谓夏季填筑是指6—8月期间的土方工程施工正如下面所指出的，这种理解不完全对。为确定夏季和冬季的路堤填筑最佳时期和冬季部分填筑的最佳高度曾对该先在冬季填筑不同厚度的卵砾石土路堤地基一维热传导问题进行了一系列计算。为些，研究了长25m，横截面1m2，土柱体在研究区的冻土和气候条件下年循环期内的热容量(焓)变化。通过按下述公式计算相对热容量(取-50℃为假定的计算起点，假设这个温度的冻土热容量等于零)来定量地确定土的容量；：

Q1=(50+tгр)CMVit＜0℃(1)

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Q1=(50CM+mQф)Vit=0℃(2)

Q1=(50CM+tгрCT+Qф)Vit＞0℃(3)

式中CM、CT—分别为冻土和融土的容积比热(KJ／m3·℃)；tгр—块体中土的加权平均温度(℃)；m—所研究块体中土的融化程度(以小数计)；Qф—相变潜热(KJ／m3)；Vi—所研究块体的体积(m3)。

上述计算是对天然地面上，冬季部分填筑0.25—1.25m原路堤并夹在随后的夏季加填到设计标高的情况进行。正如计算结果所表明的那样：在冬季部分填筑0.25m厚的土层之方案中，热量的积蓄最大。

0.25m冬季填筑层方案的计算结果列于图2。由图可见，利用图解法处理实验资料能够得到可确定土的总相对热容量Q的简化公式。将表述地基土的相对热容量Q1曲线的函数值和表述填筑时刻路堤土的热容量Q2曲线的函数值相加而得到Q。正如从图2б所见的那样，地基土的相对热容量随时间的变化是以1年为周期的正弦曲线，并且该正弦曲线可由下述公式近似确定：

Q1=2400+138600cos［2π／T(τ-6210)］(4)

式中T—周期(为1处)(h)；τ—从年初算起的时间(h)。

根据全苏运输建筑科学研究所和西伯利亚运输建筑科学研究所的实际观测资料，填筑时刻路堤土的热容量可近似地按下述公式确定：

Q2=SCT(to／2+1)HH(5)

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式中S—所研究土柱的截面积(1m2)；CT—路堤土的容积比热(KJ／m3)；

(to〖〗2+1)

—用汽车从采料场运来的铺筑路堤的土的温度(℃)；to—月平均气温(℃)；HH—路堤高度(m)。

在图2б上，表述总相对热容量Q的曲线也具有正弦曲线的形式，并能用下面的公式近似地予以描述：

Q=2600+172200cos［2π[]T(τ-5688)］(6)

对关系式(6)段路堤体和地基土相对热容量曲线的分析表明：从2月中旬到3月中旬观测到土的最小热容量，也就是说，从建立保持地基土冻结状态的条件的观点来看，这段时间最有利于冬季填筑工程的施工；从8月中旬到9月中旬观测到最大的热容量。因此，正如计算结果所指出的那样，冬季和夏季的填筑时间与一年的日历时间不相一致。

图2在冬季部分填筑路堤(0.25m)夏季再加填至整个高度情况下确定

地基和路堤体土的总相对热容量元图

а—土柱在年循环中沿深度的总相对热容量Q图；б—土柱在年循环中总相对热容量与其分量

Q1和Q2之间的曲线关系；1—卵石；2—泥炭；3—亚粘土。

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为研究路堤填筑时间对地基冻土上限位置的影响曾在电子计算机上对夏季和冬季填筑的路堤地基土融化深度进行了预报性计算。

设路堤的结构和土，所计算路堤地基的岩性组构、冻土条件和气候条件。路堤边坡朝向等都与可比较的试验工程相同。计算在3个起始条件下进行：路堤填筑的土方工程分别在冬季、夏季和部分在冬季又在随后的夏季填筑至完整的剖面的条件下进行。

计算结果列于图1，这里探讨了路堤下地基冻土的融化进程。由图可见，工程施工时间对地基冻土上限的重要影响仅发生于路堤填筑后的第一年，如果在秋末(11月末)进行冬季填筑时，地基土在第一年的融化为0.45m，而冬季土又完全冻结的话，那么到第2年，地基中就会形成融区，并且在以后几年中，这个融区停止增大。在夏季填筑(9月初)条件下，第一年秋末(11月末)地基土融化0.7m。到冬季这个融区就被保存下来，在随后的几年中，融区也停止增大。

因此，工程施工时间(夏季和冬季填筑路堤)在温度高于-1℃的冻土分布区的条件下实际上对冻土上限位置没有什么影响，冬季填筑时对融化的阻止也只有1年。对以后的融化速率作了比较(见图1)。冬季填筑和夏季填筑的融深之间的最初差异随时间在减小。试验工程的观测资料表明用法得到的数据是可靠的。

对于分两阶段修筑的路堤，当夏季在冬季填土上加填时，融化深度与冬季和夏季填筑的路堤的相应值有较大的差异。秋末(11月末)两阶段填筑的路堤地基土融深约1m，而后两者同一时间的融深分别为0.46和0.7m。在下述冻土条件下分两阶段填筑路堤的方案最有效：当地基为富冰冻土，而且地基融深估计不大(不大于1.0—1.5m)的时候。此时应用冬季部分填筑路堤在随后的夏季再加填的方法可大大缩短路基的稳定期限。因地基冻土受到建筑前的融化和融化沉降的扰动。

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Теилори исслеоьзание лтранспоргнои

строительстье M.1985 C.30—34

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