塔克拉玛干沙漠中土工合成材料加筋挡土墙温度特性之试验与数值研究

为什么沙漠挡墙与热传递重要

在世界各大沙漠中，道路与桥梁常依赖高大的土墙来支撑车道与匝道。这类结构称为加筋土挡土墙，比实心混凝土墙更省钱且更易施工，但必须承受极端的温度波动——从灼热白昼到严寒夜晚与冬季。本研究对中国塔克拉玛干沙漠的一面此类挡墙进行了深入考察，旨在弄清热量如何在多年循环中穿透沙体与加筋层，以及这些热过程对沙漠高速公路长期安全性的含义。

在实验室重建沙漠挡墙

研究者首先在可控温室中重现了一段高速公路挡土墙。研究并非按原尺建造，而是精心缩小的模型：叠置的模块化砌块构成可见的面体，塑料土工格栅层相当于隐蔽的背衬带向土体延伸，塔克拉玛干的干旱风成砂作为回填材料。墙体内部不同高度和深度埋设了数十个温度传感器。随后，试验箱按年度变化的温度步进运行，从夏季高温到冬季低温，重复这一年周期五次，以观测墙体内部温度随时间的演变。

热量如何缓慢进出

模型墙的测量表明，靠近外露表面的砂体——墙面与顶部路面——对气温变化反应明显，而埋得更深的区域则相对稳定。空气升温或降温时，墙体内部的最高与最低温点出现有时间滞后，且随着循环次数增加这一滞后变大，因为干砂的热导率较低。靠近面体和顶部的温度随外部气候呈周期性涨落，但波幅在向内传播过程中逐渐衰减并趋于平滑。部分位于后侧与底部附近的传感器呈现异常，是由于试验装置中存在微小间隙与绝热不完美，提示真实工程中的边界条件会使温度场更复杂。

从实验墙到全尺度公路

为了解真实路堤在数年间的表现，研究团队建立了一个详尽的数值模型以重现试验墙，并用实验数据进行了验证。匹配良好后，他们放大到典型塔克拉玛干高速公路的全尺寸挡墙模型，包括顶部厚厚的沥青路面与太阳辐射对外表面的加热效应。利用真实的沙漠温度记录，模拟了五年的日常热循环。结果显示，当外界温度处于年内最低时，冷量以一种弧形的“双曲线”模式向墙体中渗透，表露出在外侧面与墙脊附近最强的降温。随着年年递增，路面下方冬季冻结深度与冻结带水平向内延伸的范围均有所增加。

墙体内部的隐蔽冷核与热核

长期模拟显示，内部温度场并非简单平滑地上下摆动。随着温度从冬季回升到夏季，墙体上前角附近形成一个特别冷的砂体“冻结核心”——这是因为来自墙面和路面两侧的冷量一同到达该区域，而在低导热性的干砂中向内排散得很慢。年中由暑转凉时，几乎同一位置又会出现一个对称的“加热核心”，被困的温暖滞留在此。经过完整的年循环，墙体内部会从简单的层状温度分布，转入以核心为主的状态，再回到层状，而靠近基底的深部区域则始终接近其初始的温和温度。

值得特别关注的区域

通过对模拟墙体进行水平切片并绘制切面温度，作者识别出一些“温度敏感区”，这些区域的温度随时间和距离变化剧烈。在延伸到墙后几米的带状区域——尤其靠近顶部处——温度波动强烈且梯度陡峭，这会削弱砂体强度、应变砌块、砂体与土工格栅之间的粘结，并促使冻胀、开裂或材料长期疲劳等问题产生。更靠后的区域温度则几乎恒定并接近初始值，表明那里的土体在很大程度上被沙漠严酷气候隔离开来。

对更安全沙漠公路的启示

简单来说，研究表明极端沙漠温度主要威胁的是加筋土挡墙的“表层”及其后方有限深度的材料，而非整体土体质量。然而，最关键的结构要素——面体砌块、近表层砂和靠近前侧的加筋层——正好处在这一敏感区域，这里随年岁发展会出现冻结核与加热核。明确这些温度效应的深度与强度，为工程师在选择回填材料、设计加筋细节和安排维护方面提供了更清晰的依据，从而使沙漠公路更能承受数十年的热循环考验。

引用: Gao, Y., Meng, K., Wang, S. et al. Experimental and numerical study on temperature characteristics of geosynthetics-reinforced soil retaining walls in Taklimakan Desert. Sci Rep 16, 7861 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37260-0

关键词: 沙漠基础设施, 挡土墙, 温度循环, 土工合成材料加筋, 风成砂