關(guān)于高原凍土地區(qū)公路路基設(shè)計探討

羅加將 包 祎

（四川省林業(yè)勘察設(shè)計研究院， 成都 610000）

0 前言

我國地域廣闊，有許多高海拔寒冷地區(qū)。這些區(qū)域廣泛分布著常年凍土與季節(jié)凍土，地質(zhì)、地形情況相較于一般海拔地區(qū)更加復(fù)雜。隨著國家交通基建設(shè)施的發(fā)展，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)逐步趨于健全，許多高等級的公路項目開始涌現(xiàn)在高海拔區(qū)域。在高原區(qū)域建造公路經(jīng)常遇到常年凍土與季節(jié)凍土的地形、地質(zhì)條件，盡管我國針對高原區(qū)域建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施具有豐富的經(jīng)驗及方法，但有關(guān)凍土的科研項目及技術(shù)成果尚未達到成熟，客觀上要求在提煉與總結(jié)現(xiàn)有項目經(jīng)驗的前提下，為高原凍土公路建設(shè)提供支撐。

1 高原凍土地區(qū)公路病害特點介紹

（1）翻漿：高原環(huán)境下，土體在凍結(jié)時集中了大量水分，在土質(zhì)條不良的環(huán)境下，到了春暖化凍時水分無法及時排除，進而導(dǎo)致土基軟弱、強度降低，土體的物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)均受到巨大影響。在路表車輛荷載影響下，路表極易出現(xiàn)鼓包、車轍以及冒漿等質(zhì)量病害，這些均是常見的翻漿情況，這類病害已在許多高原公路中出現(xiàn)。

（2）寒凍裂痕：寒凍裂痕的出現(xiàn)是因為土體局域不均衡的凍脹促使路基出現(xiàn)橫向扭曲，或是由于冬季溫度急劇改變，造成土體不均衡收縮進而橫向扭曲，造成路基與路面產(chǎn)生局域不均衡與不平整[1]。盡管在春天回溫時該種橫向扭曲將獲得釋放，但多次的凍融循環(huán)影響會直接損壞路基穩(wěn)固性，而且在外部車輛荷載影響下出現(xiàn)震動，引發(fā)路基坍塌與滑坡。

（3）融沉：高原常年凍土區(qū)域，因為地底冰層埋藏很淺，在施工與運營階段由于各種因素轉(zhuǎn)變了路基基礎(chǔ)的自然結(jié)構(gòu)以及物理狀態(tài)，導(dǎo)致常年凍土出現(xiàn)局域融化。頂部土層在自重及外部荷載影響下出現(xiàn)沉降，進而引起路基變形。典型的路基融沉包括緩慢沉落型與極具沉落型[2]。前者出現(xiàn)在富含和飽含冰層的常年凍土地方，所以施工與運營對該地區(qū)的干擾比較緩慢；后者出現(xiàn)在厚層的地底冰地段，因為外部因素的影響促使厚層冰段融化而導(dǎo)致大范圍融化。融沉的常見特點在于路基沉降，向陽一邊路肩與邊坡出現(xiàn)開裂、下滑與滑塌。融沉問題主要出現(xiàn)在低路基路段。

（4）冰害：高原動土地方還會產(chǎn)生典型的冰丘、冰椎以及流冰等病害。地下水在冬天出現(xiàn)凍結(jié)，而且受到常年凍土和凍結(jié)地表的阻隔影響，在頂層覆土弱化地區(qū)由于凍脹效應(yīng)導(dǎo)致路表鼓起，產(chǎn)生冰丘。這類病害在春天回暖時將會消失，但由于凍融循環(huán)極易出現(xiàn)開裂。

（5）凍脹：高原區(qū)域的常見特征是土層內(nèi)的水分與負溫度下出現(xiàn)結(jié)晶，產(chǎn)生多種多樣的冰體傾到土體內(nèi)，直接造成土體積加大，進而導(dǎo)致路面出現(xiàn)開裂，這由凍脹力與凍結(jié)率的作用形成。

2 高原凍土條件下公路路基設(shè)計方法

（1）整體設(shè)計措施

高原凍土區(qū)域凍土特點不同，其設(shè)計原則及方法也有差異。針對常年凍土下限在4米之內(nèi)的地段，能夠采用融化原則來清理常年凍土層，填充砂礫及碎石等粗顆粒填料加以整治。針對常年凍土下限在4米之上的地段，通常需要管理融化速度，采用主動冷卻（熱棒、通風管等）與被動保護（隔熱層等）的方法來保證動土路基的穩(wěn)固。

（2）特殊地段的規(guī)劃和建設(shè)處理

高原動土條件下路基修建，既遇到凍土基礎(chǔ)，還存在各種復(fù)雜的路基施工環(huán)境，像水草沼澤路基、湖塘路基以及冰雪害路基等。要求根據(jù)動土基礎(chǔ)以及獨特路基的特征，采取針對性設(shè)計及規(guī)劃措施。

1）水草沼澤路基。凍土環(huán)境不一樣，水草沼澤路基存在不同的設(shè)計及施工策略。針對季節(jié)性凍土路基，要對水草沼澤路基做好清淤排水與疏干處置，再填筑路基，采用砂礫石換填；針對少冰與多冰地段，在清理地基地與疏干的狀態(tài)下，應(yīng)當采取高強度塊石來換填，且同時鋪筑土工格柵以提高路基穩(wěn)定性；針對高寒冰地段，可不清除，直接把片狀塊石鋪筑地面，采取重型壓路機壓實。

2）湖塘路基。高原凍土退化區(qū)域極易出現(xiàn)湖塘路基路段。針對湖塘路基，應(yīng)先清理淤泥，并采取砂礫和片石填筑至水面高層之上30～50厘米，在片石上填筑30厘米的砂礫，沖擊壓實后再根據(jù)常規(guī)的路基來填筑。

3）冰雪害路基。高原區(qū)域冬季負溫持續(xù)周期很長，冰雪害天氣很多，且降雪量多，促使降雪難以融化而出現(xiàn)路表冰雪災(zāi)害，危害路表行車安全。所以，對于冰雪害路基路段，應(yīng)考慮車輛的防滑性能，采用放緩路線縱坡等方式增強路表的防滑性，配置適當?shù)某┏O(shè)備，為公路的正常運行提供保障。

3 高原凍土環(huán)境下路基動態(tài)控制策略

（1）保證凍土環(huán)境的平衡性。凍土環(huán)境通過常年的自然選擇產(chǎn)生，在道路建設(shè)環(huán)節(jié)要盡可能防止干擾與損壞原本凍土環(huán)境，盡可能不改變或是少變動凍土環(huán)境，滿足公路設(shè)計應(yīng)用時間的要求。主動冷卻采用熱棒、遮陽棚、通風管等方法保持凍土環(huán)境的平衡，公路路基中多采用通風管技術(shù)，通風管采用預(yù)制鋼筋混凝土管，管徑0.4～0.7m，壁厚50mm～80mm，通風管的長徑比應(yīng)不小于50，強度等級不低于C30；通風管埋設(shè)位置應(yīng)避開路基坡腳靜風區(qū)，埋設(shè)深度應(yīng)大于3～5倍管徑，大管徑取小值，小管徑取大值，鋪筑在距地面以上0.5m～1.0m，兩端伸出路基邊坡長度大于0.2m～0.4m（圖1）。

圖1 通風管埋設(shè)位置圖及照片

（2）提升路基的規(guī)劃高度，并減小垂直地溫梯度，盡可能采取路堤的方式，在不損壞地面的基礎(chǔ)上，盡量保持原本的凍土水熱均衡，而采取路塹的路基形式，極易挖掉季節(jié)凍融層，進而損壞原本的凍土層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致凍土融化造成邊坡失衡、路表融沉等問題[3]。除采取路堤方式外，還應(yīng)當處理好基地，盡可能保留基底與路基兩邊的地面植物。另外，路基的規(guī)劃高度要以下降垂直熱流到接近熱均衡為原則，促使凍土上限深度能夠達到可以融化的最高深度，這一最高深度通常需要結(jié)合實測信息展開熱學(xué)計算。

（3）放緩邊坡或建立增寬增高的護坡道。在路基一側(cè)或兩側(cè)堆填碎石或片石，形成護坡或護道。碎石（片石）護坡空隙內(nèi)的空氣在一定溫度梯度的作用下產(chǎn)生對流，寒季碎石（片石）內(nèi)空氣對流換熱作用強烈，有利于地層散熱，暖季碎石（片石）內(nèi)空氣對流作用減弱，對熱量的傳入產(chǎn)生屏蔽作用，從而增強了地層寒 季的散熱，減少了暖季的熱傳，達到了降低地溫、保護凍土的效果。實測證明：厚度1.0～1.5m碎石（片石）護坡和具有很好的降溫效果（圖2）。通過改變路基陰陽坡面上的護坡厚度，陽坡厚度1.6m，陰坡厚度0.8m，可調(diào)節(jié)路基基底氣溫場的不均衡性。

圖2 護坡護道示意簡圖

（4）隔溫。隔溫指經(jīng)過增大熱阻以減小季節(jié)融化層的凍結(jié)厚度，進而達到預(yù)防凍害的目的。一般作為永久性的隔熱材料，要求具有耐久性，吸水性小及不易變質(zhì)的特性。當隔熱材料承受荷載作用時，還要求隔熱材料不產(chǎn)生大的變形并具有足夠的抗壓強度。一般來說，隔熱效果好的材料其抗壓強度小，隔熱材料受潮濕后隔熱效果及強度均會下降，凍土路基工程中采用的保溫材料主要有當?shù)氐牟萜?、泥炭、粘性土等天然材料，以及硅藻土磚、石棉板、草袋和泡沫混凝土等預(yù)制材料。天然材料盡管造價低，但是保溫效果差，在對保溫效果要求的較高環(huán)境中無法采用，泥炭、苔蘚、聚苯乙烯（EPS）板（圖3）、聚氨酯板等隔熱材料的使用，可減少路基土回填量。

隔熱層的厚度或埋設(shè)的深度取決于當?shù)氐臍夂驐l件及保溫隔熱材料本身的性能等諸多因素，隔熱層的厚度可根據(jù)路基填土的性質(zhì)及厚度按下式計算：

式中：Z1為從路床頂面起隔熱材料的埋深，cm；

Z為無隔熱材料時的 凍結(jié)深度，cm；

λ1、λ2分別為隔熱材料與土的導(dǎo)熱系數(shù)，kcal/m.h.℃；

C1、C2分別為隔熱材料與土的比熱，kcal/kg.℃。

圖3 隔熱板現(xiàn)場施工圖片

4 結(jié)束語

伴隨國家交通運輸行業(yè)的飛速發(fā)展，要求在逐漸繁瑣的條件下一直健全現(xiàn)存的道路結(jié)構(gòu)。高原凍土情況是道路路基規(guī)劃和建設(shè)的重要問題。唯有理解與把握凍土現(xiàn)象，方可保障路基規(guī)劃的安全性與長期性能。文章介紹了高原凍土區(qū)域的常見病害特征，及其病害形成的原因與影響，進而對高原凍土區(qū)域的公路路基，制定了設(shè)計原則與針對各種凍土特點的設(shè)計措施。最后歸納了高原凍土區(qū)域預(yù)防路基凍害的方法與技術(shù)重點，用來保障高原凍土條件下公路路基的設(shè)計和建造。