冻土地区道路路基温度场分布规律及保温结构设计

一、引言

（一）研究背景与意义

冻土地区约占地球陆地面积的 20%-25% ，广泛分布于高纬度地区和高海拔山区。随着全球基础设施建设的不断推进，越来越多的道路工程在冻土地区展开。冻土具有独特的物理力学性质，其温度敏感性强，在温度变化时会发生冻胀和融沉现象。路基作为道路的基础结构，其温度场的分布状态直接关系到路基的稳定性和道路的使用性能。若路基温度场分布不合理，在冻融循环作用下，路基会产生不均匀变形，导致路面开裂、沉陷等病害，严重影响道路的行车安全和使用寿命，增加道路的养护成本。因此，深入研究冻土地区道路路基温度场分布规律，并据此优化保温结构设计，对于保障冻土地区道路工程的质量和长期稳定性具有重要的现实意义。

（二）国内外研究现状

国外对冻土地区道路工程的研究起步较早，在路基温度场理论分析、数值模拟和现场监测等方面取得了丰硕成果。如通过长期的现场监测，分析了不同气候条件下冻土路基温度场的动态变化规律，并建立了相应的预测模型。运用先进的数值模拟技术，深入研究了路基结构、材料特性对温度场分布的影响。国内在冻土地区道路工程研究方面也发展迅速，尤其是在青藏公路、川藏公路等工程建设中积累了大量实践经验。[ 王强，2023] 结合实际工程，对冻土路基温度场的影响因素进行了系统分析，并提出了针对性的保温措施。通过室内试验和现场测试，研究了不同保温材料在冻土路基中的应用效果。然而，由于冻土地区环境复杂多变，现有研究仍存在一些不足之处，如对复杂地形和极端气候条件下路基温度场的研究还不够深入，保温结构设计的优化方法有待进一步完善等。

二、冻土地区道路路基温度场影响因素

（一）自然因素

气温：气温是影响路基温度场的最主要因素之一。冻土地区气温年较差和日较差较大，在寒冷季节，低温使路基土体冻结，而在温暖季节，气温升高又会导致路基土体融化。气温的周期性变化直接引起路基温度场的波动，且这种波动随着深度的增加逐渐减小。

太阳辐射：太阳辐射为路基提供热量，对路基温度场分布有显著影响。在白天，太阳辐射使路基表面温度升高，热量由路基表面向内部传递；在夜间，路基通过长波辐射向大气散热，温度逐渐降低。太阳辐射强度受地理位置、季节、天气状况等因素影响，不同地区和不同时间的太阳辐射差异会导致路基温度场分布的不同。

降水与蒸发：降水和蒸发过程会改变路基土体的含水量，进而影响路基的热物理性质。降水渗入路基后，一方面增加了土体的湿度，水的比热容较大，会使路基土体的蓄热能力增强；另一方面，水分在冻结和融化过程中会吸收或释放潜热，对路基温度场产生影响。蒸发则会使路基表面水分减少，降低土体的含水量，改变路基的热传导性能。

风速：风速影响路基与外界环境的热交换。较大的风速会增强路基表面的对流换热，加速路基热量的散失，使路基温度降低。在寒冷季节，强风会加剧路基土体的冻结，而在温暖季节，风速的变化也会影响路基表面的散热和吸热过程，从而对路基温度场分布产生影响。

（二）路基自身因素

路基高度：路基高度对温度场分布有重要影响。较高的路基可以减少地面温度对路基下部土体的影响，使路基下部土体处于相对稳定的温度环境。同时，路基高度的增加会改变路基表面的散热和吸热条件，影响热量在路基内部的传递路径和分布规律。

路基填料：不同的路基填料具有不同的热物理性质，如导热系数、比热容等。导热系数大的填料，热量传递速度快，会使路基温度场变化较为迅速；比热容大的填料，蓄热能力强，能在一定程度上缓冲温度变化。例如，采用砂石等透水性好、导热系数相对较小的填料，有助于减少热量传递，稳定路基温度场。

路基排水条件：良好的排水条件可以及时排除路基内的积水，避免因水分积聚导致的冻胀和融沉问题。积水在冻结时会产生冻胀力，破坏路基结构，同时，水分的存在会改变路基土体的热传导性能，影响温度场分布。完善的排水系统可以保持路基土体的干燥状态，有利于维持路基温度场的稳定。

三、冻土地区道路路基温度场分布规律研究方法

（一）现场监测

现场监测是获取路基温度场实际数据的最直接方法。在路基关键部位埋设温度传感器，如沿路基深度方向、不同位置处设置传感器，实时监测路基在不同时间、不同工况下的温度变化。通过长期的现场监测，可以得到路基温度场的时空分布规律，为理论分析和数值模拟提供可靠的数据支持。例如，在青藏公路建设中，设置了大量的温度监测点，对路基温度场进行了多年的连续监测，积累了丰富的实测数据，为研究冻土路基温度场变化规律提供了重要依据。

（二）数值模拟

数值模拟是研究路基温度场分布规律的重要手段。利用有限元、有限差分等数值计算方法，建立路基温度场模型，考虑各种影响因素，如气温、太阳辐射、路基材料特性等，对路基温度场进行模拟计算。通过数值模拟，可以直观地展示路基温度场在不同条件下的分布情况，预测温度场的变化趋势，分析各因素对温度场的影响程度。例如，运用有限元软件，建立了考虑水热耦合作用的冻土路基模型，模拟了不同气候条件下路基温度场的变化，取得了与实际情况较为吻合的结果。

（三）室内试验

室内试验可以对路基材料的热物理性质进行测试，为数值模拟和理论分析提供参数。通过模拟冻土地区的温度、湿度等环境条件，在实验室中对路基填料进行冻融循环试验，研究材料在不同条件下的热传导性能、冻胀特性等。此外，还可以通过室内模型试验，模拟路基结构在温度作用下的变形和温度场分布情况，深入了解路基温度场的形成机制和变化规律。

四、结论

冻土地区道路路基温度场分布规律受多种自然因素和路基自身因素的影响，其复杂多变的特性给道路工程建设带来了巨大挑战。通过现场监测、数值模拟和室内试验等研究方法，能够深入了解路基温度场的分布规律和变化机制。在路基保温结构设计方面，应遵循稳定性、耐久性、经济性和环保性原则，选择合适的保温结构类型，并通过优化设计提高保温效果和工程效益。未来，随着对冻土地区道路工程研究的不断深入，需要进一步加强对复杂环境条件下路基温度场的研究，研发更加高效、环保、经济的保温材料和结构，为冻土地区道路工程的可持续发展提供有力的技术支持。

参考文献

[1] 张宇，等。考虑水热耦合的冻土路基温度场数值模拟 [J]. 交通工程学报，2024， 40 （3）： 112-125.

[2] 刘畅，等。基于数值模拟的冻土路基保温结构优化设计 [J]. 寒区建筑技术，2025， 28 （2）： 135-148.

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