第43卷第2期 冰川冻土V o l.43,N o.2 2021 年 4 月J O U R N A L O F G L A C I O L O G Y A N D G E O C R Y O L O G Y A p r. , 2021
D O I：10. 7522/j. issn. 1000-0240. 2021.0016
W U Jichun, S H E N G Yu. Interaction effect of frost mo u n d s and e mbankment in ction Duogerong Basin along Gonghe-Yushu H ighway [j]. Journal ofGlaciology and Geocryology, 2021，43(2) :453-462.[吴吉春，盛煜.共和-玉树高速公路多格茸段冻胀丘与公路路基的相互影响[j].冰 川冻土，2021，43(2):453-462.]
共和-玉树_速公路多格鸾段冻胀丘
与公路路基的相互影响
吴吉春，盛煜
(中国科学院西北生态环境资源研究院冻土T.程国家重点实验室，甘肃兰州730000)
大黑熊摘要：冻胀丘是土层中水分向冻结锋面大量迁移集聚，并且冻结膨胀使地面隆起呈丘状的一类冰缘
地貌冻胀丘的本质特征是存在纯冰核或高含冰地层，冻胀丘地表的隆起高度即代表了地下冰层的累
计厚度，在T.程建设中一般采用避比措施。在我国冻土区公路建设中，过去尚未遇到道路穿越冻胀丘的
先例，正在建设中的青海省共和-玉树高速公路（简称共玉高速）在玛多县多格茸盆地横跨几个冻胀丘，
对公路建成以后安全运营造成潜在威胁.：以共玉高速建设里程K430+070处道路所跨的冻胀丘为例，基
于地温监测数据和冻胀丘钻探资料，探讨公路建设对冻胀丘下覆冰层的影响及由此带来的路基稳定性
问题监测发现S前路基下多年冻土上限已经下降至冻胀丘高含冰地层位置，由于沥青路面的强吸热
性，未来冻胀丘路段将发生持续沉降如果多年冻土完全融化，该段路基有可能发展成热融湖塘
关键词：冻胀丘；多年冻土；地下冰；公路施T.；路基稳定；共玉高速
中图分类号：P642. 14 文献标志码：A文章编号：1000-0240(2021)02-0453-10
〇引言
多年冻土作为一类特殊岩土体，在寒区工程建 设中受到广泛关注[|-2。在全球气候变暖背景下，北 半球多年冻土处于持续退化中>5，人类活动的影响 对多年冻土的退化起到推波助澜的作用6i。青藏高 原多年冻土大多处于高温不稳定状态，对外界扰动 的响应十分敏感，工程活动显著改变其地表状况，促使多年冻土加速退化7_8:。特别是公路工程建设，由于路面材料特殊的热物理性质和道路交通载荷 等因素的作用下，对多年冻土的影响十分显著〜11。多年冻土融沉是青藏高原公路工程中面临的最主 要的冻土工程问题特别在高含冰多年冻土地段151。所以在公路建设中，查明高含冰地段的分布 是一项重要工作。冻胀丘是一类特殊的高含冰地 段，在多年冻土区工程建设中应需要避让。
饱和土冻结时水分向冻结锋面迁移，水分冻结 体积膨胀，遂产生冻胀。冻胀丘是地层冻结发生冻胀的一种极端表现形式，主要表现为地表隆起呈丘 状，其典型特征是具有厚层纯冰核或高含冰地层||5_16]。理论上，冻胀在地表的隆起高度即代表了 地下冰层累计厚度，是一类典型的高含冰地段。从 冻胀丘发育和保存时间分类，冻胀丘可以分为季节 性和多年生两种类型[〜。其中季节性冻胀丘多分 布在多年冻土或深季节冻土区，地下冰层主要分布 在活动层厚度以内，规模比较小，一般在地表回冻 到一定深度时开始形成，到次年融化季节来临前达 到最大，在融化季节末完全消融、消失|8]。由于季 节性冻胀丘冰层埋藏较浅，表层覆盖土层受冰层顶 托而张裂，多形成源于顶部的放射状裂缝，在地表 容易辨识"，在工程勘查中可以规避，也可以由于 工程建设改变水分运移通道和（或)地层热状况，甚 至由于工程实体的压力抑制其发生，在工程建设中 其危害不太显著。多年生冻胀丘形成时间多超过 千年，有些甚至超过万年〜^，顶部的裂缝可能被风
收稿日期：2019-04-09；修订日期：2020-06-09
基金项目：国家肖然科学基金项目（41丨7丨058;4丨271084)；冻土1：程闻家重点实验室自主研究项目（51<^^£2£-丨丨）资助 作者简介：吴rV春，助理研究员，主要从事普通冻土学与冻土T程研究.E-mail:***************
454川土
冰冻不骄不躁的意思
沙填充，如果没有表面塌陷等现象，则无明显痕迹
显示其为冻胀地形，往往可能被误判为孤山、固定
沙丘、冰砾阜等孤立的丘状地貌，从而在勘查中被
忽略。多年生冻胀丘一般比较高大，也即意味着其
地下冰层厚度和分布范围均较季节性冻胀丘大，发
生融沉时，其沉降量十分可观，对工程建设，特别是
公路工程影响显著。
共和-玉树高速（简称共玉高速）是我国在多年
冻土区建设的第一条高速公路，全线和G2I4国道
并行。线路穿越多年冻土区路段约360 km，其中多
年冻土路段总长约200 km3在查明沿线多年冻土
分布及主要含冰特性的基础上，在相应地段，路基
建设采取了适当的工程措施来预防多年冻土融沉
的发生121。其中，长石头山到黄河稃地之间的多格
茸盆地堆积了厚层细颗粒沉积物，地下冰比较发
育，是典型高含冰路段：盆地中南部分布着众多孤
立的丘状地形，经过表面形态调查和钻探勘察，确
定为一类多年生冻胀丘22。新建的共玉高速有几
处横切这类冻胀丘而过，冻胀丘下伏巨厚的地下冰
层对公路投人运营以后的路基稳定形成潜在的威
胁。在青藏高原公路建设中，公路跨越冻胀丘布设
尚属首次，本文拟以公路K430+070处冻胀丘为例，
初步分析冻胀丘对公路路基稳定性的影响
1多格茸盆地冻胀丘基本特征
1.1区域介绍
多格茸盆地是一小型山间盆地，大致呈北西-
南东走向，长约40 km，北东向宽约20 km，盆地平均
海拔4 300 m。盆地东北方向为布青山脉支脉长石
头山，南部由一些低缓丘陵与黄河主河道宽阔谷地
相隔，形成相对封闭的独立盆地，仅通过其西南方
向一条相对宽展、平坦的河谷与黄河主河道相通
214国道和新修的共玉高速公路并行翻越长石头山
后，俯冲进人盆地，向西南方向横穿盆地，从盆地出
口河谷边缘穿出盆地盆地底部平坦，从东北部的
长石头山向西南方向的出U略有倾斜，大致每千米
跳舞的过去式
降低7 m。受地形影响，盆地西南部位地表水体较
丰富，大大小小的湖泊星罗棋布，数条蜿蜒回环的
素拓
季节性溪流向出口汇集在湖泊之间地面隆起高
低、形态各异的小型土丘或台地，经过表面形态调
查和钻探勘察，证实这些隆起地形为一类多年生冻
胀丘，这些冻胀丘较密集地分布在多格茸盆地中
部-西南部，形成了高原罕见的冻胀丘群：这些冻43卷
胀丘从外观形态上看，大多为近圆形和椭圆形底面 的浑圆丘体，相对高度在3~8 m，底面直径从数十米 到数百米不等；侧面看，有些似锥形，有些似穹盖 形，有些底面直径很大且无明显顶部，形成冻胀台 地。和常见的季节性冻胀丘不同，这些冻胀丘顶部 并没有放射状延伸的张裂缝，部分冻胀丘在阳坡面 或顶部形成明显的热融沉陷，有的沉陷洼地中积水:
1.2地层基本特征
共玉高速K430附近位于多格茸盆地中南部，靠近盆地出口，是盆地地表、地下水汇集的场所。该地段冻胀丘分布比较密集，往往数个冻胀丘相邻 伴生。该地段松散沉积物主要有二层，表层约1m 厚度全新世黄土状粉质土，中部为厚约数米的晚更 新世风积细砂或粉砂,7~8 m以下为河湖相细砂-粉 黏土互层沉积物充足的水分和有利于水分迁移从而发生分凝作用的细颗粒土地层结合，形成了冻 胀丘发育的良好场所：该地多年冻土上限约在1.8 m，冻胀丘下高含冰地层出现在约4〜30 m深度区间。其中，在细砂地层中形成微层冰透镜和细小冰脉，在粉质土层中往往形成含土冰层或厚达20 cm的纯 冰层，黏性土层中形成厚约2~4c m的纯冰层(图1)。
1.3 K430+070处公路跨切冻胀丘概况
在多格茸盆地中.G214国道横穿而过，但是均 避开冻胀丘布设，所以并没有冻胀丘对路基稳定构 成威胁新建的共玉高速与214国道并行，在多格 茸盆地采用分幅修筑，两幅路基有多处横切冻胀丘 顶部或边坡，其中，左幅路基在K430+070处从一冻 胀丘顶部横切而过，在冻胀丘顶部最大开挖深度超 过3 m，路基铺筑以后路面距丘顶2.5 m(图2)。此 处冻胀丘分布比较密集，附近紧邻214国道左侧存 在一座较大冻胀丘，高度超过8 m，底面直径约80 m，顶部和侧面部分塌陷，塌陷坑内积水。公路 所切的冻胀丘与214国道边冻胀丘相伴而生，由于 前期取土以及新建公路挖方，此冻胀丘地表形态已 不完整，后期又对残余部分进行了整平，目前在地 表已经没有明显的冻胀丘形态（图3)。
为了了解此处冻胀丘在公路沥青路面影响下 的热状况及评估冻胀丘地下冰融化对路基稳定性 的影响，布设了多年冻土地温监测剖面。监测剖面 包括路基中心、左右路肩和天然地面4个地温孔，其 位置如阍2监测断面布设在冻胀丘顶部偏东位
吴吉春等：共和-玉树高速公路多格茸段冻胀丘与公路路基的相互影响455 2期
(a)微层冰（c)纯冰层粉汤的家常做法
图1冻胀丘中的地下冰
Fig. 1G r o u n d ice underlying frost m o u n d：lenticular ice (a)； layered ice (b)；pure ice layer (c)
图2共玉高速K430+070附近横切冻胀丘路段
Fig. 2 Frost m o u n d trancted b y G o n g h e-Y u s h u H i g h w a y at m i leage K430+070
置，开挖深度大约2 m天然孔位于路基左侧约20 m处，从地面形态和土质看，天然孔位置可能在 早期施工中被开挖，地表以细砂为主，而盆地地表 普遍发育的细粒粉质土缺失，零星生长着几株禾本 科植物，明显和该地段原生植被不同，属于次生种 群。天然孔地面虽然曾经遭扰动，但地温数据反映多年冻土上限依然保持在1. 8 m左右，年平均地温 约为-0. 3 t。
2公路路基修筑对冻胀丘下地层热状况的影响
K430+070附近路基及路面水稳层在2013年
11
456冰 川 冻 土43卷
防灘：国：道】
I f l l
[娜腦园
高速•：右v 幅
国道左侧冻膨丘
图3 K 430+070附近冻胀位置及周围环境
Fig. 3
Location a n d surroundings of frost m o u n d site at G o n g h e -Y u s h u H i g h w a y mileage K 430+070
月以前修筑完成，2014年6月完成沥青路面铺筑 冻胀丘两侧由路堤过渡，路堤高约1.0〜1.5 m ，底层 铺设0.5 m 厚的块石，冻胀丘开挖段也填埋了一定 厚度的块石，地表没有S 露（图3 )监测断面钻孔 布设在2 013年9月前完成，测温探头布线、数采设 备调试安装在2013年11月初完成.开始采集数据 测温探头来A 中国科学院冻土工程国家重点实验 室标定的热敏电阻，测温精度为±0. ()5 t ，数采设备 用Campbell 公司CR 3000型数据采集仪，每4小时 采集一次数据2015年W 为更换设备，数据采集暂 时
中止 0前获得了从2013年I I 月到2015年3月 期间包含…个完整冻融周期的地温数据，也涵盖了 浙青路面铺筑前后一定时段，可以满足进行初步地 温分析的需要本义屮天然孔深度均丨'-1地面算起， 路面钻孔深度f t 水稳层面算起，右路肩孔由于数据 异常，分析中没有采用图4中，我们选择了三个监 测孔0. 5 m 和5. 0 m 两个深度处的地温，显示了地 温的时间变化过程2. 1笑话大全笑到肚子疼超级爆笑
销售赚钱吗路基施工对冻胀丘下冻土层的影响
在K 430+070监测剖面上，路基中心孔和左右 路肩孔均存在挖方，原天然地表被破坏，随后经历 了压实、换填块石、铺筑水稳层等一系列工程扰动， 改变了地表热状况，使得路基导热效率更高，浅层 地温对外界气温变化响应迅速，能够明显反映出地 面状况的变化图4(a )中2013—2014年冬季天然 孔和路基孔0. 5 m 地温对比明确体现了这种变化， 表现在：（1 )进入冷季，路基下地温快速下降，天然
孔经历了大约1个月的零点幕阶段才开始下降，暖 季开始，天然孔零点幕阶段远大于路基孔，反映了 经过工程活动改造的路基土较天然地表浅层土层 中的含水量小很多；（2)路基下0. 5 m 地温变化远大 于天然孔，而且路基下地温小幅波动在天然孔地温 中几乎被完全“过滤”，说明路基地层导热效率较天 然地层高在图4(b )中，天然孔地温约为-0.5 略能看出年变化的波动；而路基下两孔地温约 为-0. 2
中心孔略低，两孔地温均无明显年变化，
捕风捉影近义词而且随着时间推移®出持续升温趋势
在铺筑沥青路面以前(2014年6月以前），路基 表面仍然保持浅色，相比原天然地而吸热能力没有 明显变化，路基下地温相比天然孔变化幅度增加， 源于换填、压实等T 程活动对表层物质热物理性质
的改变，可以看作施丨：过程对下伏多年冻土的影 响。图5是2013年11月28日和2014年5月28日各 孔地温曲线对比。从11月28日地温曲线图中可以 看出，浅地表已经回冻，其表层地温远低于天然地 表：路基上两个钻孔0.5 m 深度处地温已经下降 至-6 t ：左右，而天然孔相同深度地温约-0. 1 t
但
是天然孔多年冻土上限较浅，此时活动层已经完全 回冻，与多年冻土层衔接同时，路基下多年冻土 上限(以路面算，达到3. 8 m 左右)相比天然孔（1. 8 m ) 增加了 2. 0 m ，尽管表层有较高的散热效率，但远没 有达到衔接状态，依然保留了约2 m 厚的融化夹层。 路基下两孔多年冻土层地温在丨2 m 深度以上均高 于天然孔，以15 m 深度地温作为年平均地温，路基
吴吉春等：共和-玉树高速公路多格茸段冻胀丘与公路路基的相互影响457
2期日期(年-月-日）
(a ) 0.5 m 地温
-
0.1
•天然孔 •中心孔 •左路肩孔
2013-10-03 2014-01-11 2014-04-21 2014-07-30 2014-11-07 2015-02-15 2015-05-26
日期(年-月-日）(b ) 5.0 m 地温
图4
监测孔0.5 m 和5.0 m 地温随时间的变化
Fig. 4 D e v e l o p i n g process curves of g r o u n d temperature in depth of 0. 5 m a n d 5. 0 m in various borehole
14161820
14
16
18
20
F i g
.：图5
监测断面钻孔地温对比
G r o u n d temperature profile of various borehole
中心孔和路肩孔均比天然孔略低，随着深度增加， 这一差值有增加趋势。说明路基位置在公路施工 以前，原天然地表条件下多年冻土保存条件较现天 然孔位置更好一些，也说明施工对多年冻土造成的 热影响在一年时间内已经波及到12 m 深度，考虑到
挖除的2 m 厚度，这一深度应该达到14 m 。5月底， 本地区已经进入融化季节，地温曲线反映经过一个 完整的冬季，下伏多年冻土放热状况。5月地温曲 线再次明确显示路基表层高效的传热性能，天然孔 融化深度只有〇. 3 m ,0. 5 m 地温只有-0. 4 t ，路基
地温/°c
(a )2013
年11月28日地温
地温/■〇
(b ) 2014
年5月28日地温
2 3 4 5
-0.-0.-0.-0.a
/瘦
爱
