淺談我國多年凍土地區(qū)路基設(shè)計(jì)方法

鄭艷萍

【摘 要】我國的凍土面積較大，占國土面積的22.3%，為世界第三位，而高海拔多年凍土面積居世界之首。多年凍土地區(qū)地質(zhì)環(huán)境很差，在公路工程施工中，容易使公路路基引起熱融沉陷和凍脹翻漿等病害，嚴(yán)重?fù)p害道路的使用質(zhì)量和服務(wù)年限。因此，本文調(diào)查研究多年凍土區(qū)的路基主要病害特征，確定多年凍土區(qū)公路路基的設(shè)計(jì)原則，在此基礎(chǔ)上，提出多年凍土區(qū)公路的路基設(shè)計(jì)方法。為多年凍土地區(qū)的公路設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】凍土地區(qū)；病害特征；路基設(shè)計(jì)；

一 多年凍土地區(qū)路基主要病害特征

通過對多年凍土地區(qū)的公路路基病害進(jìn)行實(shí)地調(diào)查、勘測、資料收集。研究發(fā)現(xiàn)，多年凍土地區(qū)的公路路基病害出現(xiàn)最大的沉降變形，這是由于多年凍土的融化使路基產(chǎn)生不均勻下沉引起的。另外，主要的路基病害還有橫向傾斜變形、縱向裂縫與路基開裂、縱向凹陷與波浪沉陷等，在高含冰量凍土路段尤為嚴(yán)重。多年凍土地區(qū)路基路基變形的產(chǎn)生原因與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造及地溫高低、含冰條件等方面是息息相關(guān)的。

通過對多年凍土地區(qū)公路路基病害進(jìn)行深入調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，多年凍土地區(qū)的路基病害與路基的高度設(shè)計(jì)存在很大的關(guān)系。在上世紀(jì)八十年代，公路改造時(shí)，路基的平均高度比較低，還不到1米，路基病害主要以不均勻變形為主。然而，在九十年代進(jìn)行重新治理時(shí)，將路基的平均高度提高到兩米以上，使得沉降變形病害大大減少。但是由此引發(fā)了表現(xiàn)為縱向裂縫形式的高路基病害。在近年進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)公路的路基病害形式主要以高路基病害為主，主要表現(xiàn)為縱向裂縫與路肩開裂等特征。

二 多年凍土地區(qū)公路路基設(shè)計(jì)原則

由于多年凍土地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、氣候環(huán)境較差，給公路的路基設(shè)計(jì)帶來很大的難度。在對多年凍土地區(qū)的公路路基進(jìn)行合理設(shè)計(jì)時(shí)，首先要明確多年凍土區(qū)公路路基的設(shè)計(jì)原則，只有在此基礎(chǔ)上，才能提出合理的多年凍土區(qū)的公路路基設(shè)計(jì)方法。

對于多年凍土地區(qū)路基設(shè)計(jì)的原則.可主要概括為保護(hù)凍土和允許融化兩種，在確定設(shè)計(jì)原則時(shí)，要根據(jù)路基下多年凍土的水熱條件、生存狀態(tài)和地質(zhì)特征進(jìn)行設(shè)計(jì)。多年凍土地區(qū)路基設(shè)計(jì)具體可分為以下幾種：（1）保護(hù)凍土的原則，就是控制多年凍土上限不下降或略有上升（2）控制凍土融化速率的原則，就是保持多年凍土融化引起的路基沉陷不影響路面使用壽命和公路的服務(wù)質(zhì)量：（3）預(yù)融的原則，即讓多年凍土預(yù)先融化，一直達(dá)到某一允許深度，然后根據(jù)一般路基設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)；（4）分季節(jié)處理凍土區(qū)的原則。

在公路沿線，其多年凍土區(qū)的分布地溫較高，其中地溫高于-1.5℃的面積超過總公路長度的一半，并且有很多地區(qū)的路基地溫溫度甚至超過-1℃，對于這些地區(qū)，由于持續(xù)的高溫使得凍土正在逐漸融化，凍土特征較差。由于凍土的退化容易使地表不穩(wěn)定，造成公路路基下沉變形以及其他病害的形成。因此，在進(jìn)行多年凍土區(qū)公路路基設(shè)計(jì)時(shí).必須注意根據(jù)凍土地溫的不同而選擇相應(yīng)的路基設(shè)計(jì)原則，從而可有效建設(shè)路基病害的產(chǎn)生，大大提高公路的使用壽命和服務(wù)質(zhì)量。對于公路的路基設(shè)計(jì)，上世紀(jì)七十年代末到九十年代初，主要遵循保護(hù)凍土的原則。在九十年代中期.研究人員根據(jù)公路凍土地溫變化，提出了在低溫凍土區(qū)的路基采用"保護(hù)凍土"的設(shè)計(jì)原則而高溫凍土區(qū)的路基采用"控制凍土融化速率"的路基設(shè)計(jì)原則。

三 多年凍土地區(qū)公路路基設(shè)計(jì)方法分析

1 多年凍土地區(qū)路基合理高度設(shè)計(jì)

針對多年凍土地區(qū)公路路基合理高度的設(shè)計(jì)，通過全面調(diào)查研究1999年以來青藏公路的路基臨界高度數(shù)據(jù)變化，研究表明，路基的臨界高度與時(shí)間具有密切的聯(lián)系。多年凍土區(qū)路基臨界高度與時(shí)間的關(guān)系為：H=0.0542（t一1999）一1.1045h+4.7876（公式1）其中t為路基的設(shè)計(jì)年份，h為計(jì)算當(dāng)年凍土的天然上限h=O.0232（t-1999）+2.01。根據(jù)公式1能夠得出.若凍土的上限不變，則每年路基臨界高度需要增加五厘米多，但這對于公路建設(shè)是不現(xiàn)實(shí)的。所以，在進(jìn)行路基設(shè)計(jì)時(shí)，需要確定路基的合理高度，當(dāng)路基高度超過這一值后，路基下凍土的最大相對融深則不會大于路基設(shè)計(jì)年限內(nèi)的最大天然上限，否則會出現(xiàn)熱融破壞。路基合理高度可表示為：H0=O.0542T-1.1045h0+4.7876（公式2）其中h0=0.0232（t一1999）+2.01，HO為路基的合理高度（米），T為道路的設(shè)計(jì)年限，hO為路基設(shè)計(jì)所在年份的天然上限（米）t為設(shè)計(jì)路基時(shí)的年份。

2 多年凍土地區(qū)路基橫斷面設(shè)計(jì)

2.1邊坡設(shè)計(jì)

在多年凍土地區(qū)公路設(shè)計(jì)時(shí)，路堤或路塹的邊坡坡度需要根據(jù)路基高度、水文、地質(zhì)、土的物理力學(xué)性質(zhì)力學(xué)分析等因素綜合考慮。在一般的道路設(shè)計(jì)中，邊坡坡度一般取1：1.5至1：1.75之間，但在富含冰凍土的多年凍土區(qū)修建路堤時(shí)，如果細(xì)粒土層中天然含水量較高，則往往將邊坡坡度減小到1：1.5至1：2之間。

2.2防水護(hù)道設(shè)置

在公路的建設(shè)初期，主要采用直接回?cái)n路基兩側(cè)表土的方式修筑路堤.并未進(jìn)行防水護(hù)道的設(shè)置，該方法造成路基兩側(cè)植被破壞嚴(yán)重，坡腳周圍積水嚴(yán)重.導(dǎo)致路基產(chǎn)生融沉、翻漿、縱向裂縫等病害。但后來加鋪保溫護(hù)道之后.大大改善了這一情況，有效保護(hù)了兩側(cè)植被環(huán)境而且避免了路基病害的形成對路基與周圍環(huán)境的保護(hù)起到了很好的功效。通過研究發(fā)現(xiàn).當(dāng)路基坡腳的積水不能利用排水溝有效排出時(shí).需要設(shè)置積水坑，或者采用修筑防水護(hù)道的方法使得積水能夠流到路基坡腳的5～10米之外，有利于保護(hù)路基的穩(wěn)定。對于地形比較平坦、積水較輕的路段，可以在路基兩側(cè)設(shè)計(jì)護(hù)坡道，其寬度一般情況下是2～3米.在積水時(shí)間較長路段寬度可增加到5米以上。對于護(hù)坡道高度的設(shè)計(jì)參數(shù).一般情況下是0.8～1.5米，至少需要超出最高積水位0.5m，同時(shí)要設(shè)計(jì)向外坡度為4%的橫坡，而在特殊路段.需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦闻c水文地質(zhì)條件進(jìn)行護(hù)坡道的設(shè)計(jì)。

三 多年凍土地區(qū)路基排設(shè)計(jì)

1邊溝設(shè)計(jì)進(jìn)

行邊溝斷面設(shè)計(jì)時(shí)，注意與當(dāng)?shù)氐牡匦?、水文地質(zhì)、邊坡高度及匯水狀況等因素相結(jié)合，邊溝底部縱坡要與路線的縱坡坡度相同.不應(yīng)低于0.3%。關(guān)于邊溝的結(jié)構(gòu)形式，在凍土區(qū)凍脹較為嚴(yán)重的地段，可采用干砌邊溝或者U型預(yù)制拼裝邊溝的形式.并且在下方需要在厚度為20厘米的細(xì)砂礫層之間設(shè)置防水層，斷面選擇寬淺的樣式.從而可以有效減少凍土凍脹造成的邊溝破壞.而且在一定程度上有利于減少路基病害的產(chǎn)生。

2排水溝設(shè)計(jì)

關(guān)于多年凍土地區(qū)路基排水溝的設(shè)計(jì)，通常采用梯形或者三角形橫斷面的形式，而且適宜選擇寬淺的樣式，從而有利于減少凍土對路基的熱影響，提高路基的穩(wěn)定性。排水溝的底部寬度設(shè)計(jì)時(shí).不能低于O.6米.而且其深度不能超過O.4米。對于邊溝坡度.應(yīng)設(shè)計(jì)為較大的縱坡從而有利于路表水的排出，當(dāng)土質(zhì)為泥炭時(shí)選擇1：0.5-1._1.對于粘性土或含有粘性土的粗粒土?xí)r則為1：1.5-1.而且需要在排水溝兩側(cè)進(jìn)行加固，提高排水溝的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí)，排水溝的設(shè)計(jì)需要注意與附近橋涵或者天然河流相聯(lián)系，從而有利于道路排水。

3截水溝設(shè)計(jì)

當(dāng)公路沿線的地形一側(cè)高程較大，或者山坡匯水面積較大的情況下.需要在路基的這一側(cè)十米之外設(shè)置截水溝對于截水溝的寬度不能小于1米，高度最好超過0.8米，截水溝的內(nèi)側(cè)和外側(cè)坡度通常分別設(shè)計(jì)為1：0.5～1：1和1：1.5～1：2。在路基兩側(cè)地形比較平坦，路線縱、橫坡不大的路段.可設(shè)置大弧度的連續(xù)截水溝.并使截水溝與涵洞和排水溝相連接從而有效阻斷路基以外的地表水侵蝕損毀公路路基。

四 結(jié)語本

本文全面調(diào)查研究了多年凍土區(qū)的路基主要病害特征。在此基礎(chǔ)上，對多年凍土區(qū)的公路路基設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，確定了路基設(shè)計(jì)原則。同時(shí)對多年凍土區(qū)路基合理高度設(shè)計(jì)、路基橫斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及路基排水設(shè)計(jì)等內(nèi)容進(jìn)行了全面系統(tǒng)分析，為多年凍土地區(qū)的公路設(shè)計(jì)提供合理依據(jù)。

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