凍土地區(qū)公路路基設(shè)計原則及應(yīng)用

高天雨，王 琪

(1.國家林業(yè)和草原局大興安嶺勘察設(shè)計院，黑龍江 加格達(dá)奇 165000;2.浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 322100)

多年凍土自身物理力學(xué)性質(zhì)較為特殊，但能和自身所在自然環(huán)境良好適應(yīng)。若工程采用多年凍土作為地基，一般會使凍土所處條件發(fā)生變化，導(dǎo)致地基狀態(tài)改變，進(jìn)而對公路造成不利影響?；诖?，若必須在凍土地區(qū)開展公路建設(shè)，應(yīng)在確定地基類型和實際狀態(tài)的基礎(chǔ)上，確定相應(yīng)的設(shè)計原則，以此將凍土地區(qū)可能造成的不利影響降至最低。

1 現(xiàn)狀分析

在多年凍土地區(qū)中，若為工業(yè)或民用建筑，則屬于地基設(shè)計，而若為公路工程，則屬于路基設(shè)計。過去的路基設(shè)計原則主要考慮多年凍土基本性質(zhì)與具有的特征，很少對公路具有的特性予以考慮，但事實上多年凍土?xí)β坊O(shè)計及其使用造成很大影響，帶來很多不利影響。

對于房建工程，其地基范圍比較有限，相比于公路，可看成點狀，在工程地基范圍內(nèi)，凍土類型與性質(zhì)沒有太大變化?；诖?，對建筑地基而言，可以有明確且相對固定的設(shè)計原則是；但在路基工程中，由于公路屬于線狀構(gòu)筑物，需從不同的地貌單元當(dāng)中穿過，工程的建設(shè)環(huán)境及凍土條件都有明顯差異，采用一個設(shè)計原則無法為整個工程建設(shè)提供指導(dǎo)。此外，如果為了滿足沿線范圍內(nèi)凍土條件發(fā)生的變化，將設(shè)計原則劃分的很細(xì)，或頻繁改變，將導(dǎo)致設(shè)計原則無法使用或產(chǎn)生混亂。這導(dǎo)致很多工程為了避免頻繁的變化，若只采用一種原則來設(shè)計，這一原則大多是保護(hù)性原則，使沿線范圍內(nèi)的路基明顯增高。因設(shè)計沒有足夠的針對性，會使工程投資顯著增加，并給還會導(dǎo)致很多類型病害的產(chǎn)生?；诖?，必須制定與公路工程建設(shè)相關(guān)要求良好適應(yīng)的設(shè)計原則。

2 設(shè)計原則與應(yīng)用

2.1 路基區(qū)段設(shè)計原則

該設(shè)計原則主要適合新建工程的可研與初步設(shè)計，或改建工程的路基設(shè)計，可細(xì)分成嚴(yán)格保護(hù)、一般保護(hù)與不保護(hù)三種。該設(shè)計原則的劃分依據(jù)是不同區(qū)域的自然條件，包括地質(zhì)地貌、年均氣溫、年均地溫、天然上限溫度。對于改建工程，還需要充分考慮上限深度，不同因素可能對多年凍土造成的影響為：

(1)對于地質(zhì)構(gòu)造單元，它是形成區(qū)域地形地貌重要基礎(chǔ)。如果構(gòu)造隆起，將形成山嶺或者是高平原；而如果斷塊沉降，將形成斷陷或者是盆地。地?zé)岙惓г跇?gòu)造帶的作用下形成，而地?zé)岙惓?dǎo)致多年凍土區(qū)產(chǎn)生融區(qū)。

(2)對于地貌單元，它在很大程度上決定了區(qū)域內(nèi)松散性堆積物主要產(chǎn)生原因、粒徑大小和厚度，對水文地質(zhì)條件有很大影響，同時也會對多年凍土實際存在條件造成影響。當(dāng)?shù)孛矄卧耆嗤瑫r，其多年凍土條件也十分相近或基本相同。

(3)對于年均氣溫，它是多年凍土能否存在和保持穩(wěn)定的主要條件。只有在年均氣溫降至一定程度后，才能有多年凍土產(chǎn)生與保存。當(dāng)氣溫較低時，多年凍土更穩(wěn)定，厚度更大。當(dāng)氣溫條件一致時，凍土存在條件可能十分相近或相同。但氣溫通常都具有一定分帶性，受海拔高度等因素的影響和控制，表現(xiàn)出明顯的垂直分帶特性。

(4)對于年均地溫，它能反映出凍土層實際熱量情況，是對凍土層是否穩(wěn)定進(jìn)行評價的重要技術(shù)指標(biāo)，同時在凍土分類過程中也是一項重要指標(biāo)。與年均氣溫相同，年均地溫同樣具有分帶性，但不同的是年均地溫表現(xiàn)為平面分帶。

(5)對于上限深度，其中，上限是指多年凍土層的上界面，天然條件下產(chǎn)生的上界面是天然上限，會受到人為因素的作用和影響的則屬于人為上限，而上界面和地表之間的垂直方向距離即為上限深度。對天然上限深度與其變化而言，能反映出自然環(huán)境可能對多年凍土造成的影響及凍土自身穩(wěn)定度。近幾年，環(huán)境氣溫不斷變暖，使多年凍土逐漸退化，凍土的天然上限開始下降。凍土的人為上限與其變化能反映出人為活動可能對凍土造成的影響，而人為上限深度能反映出多年凍土可能對工程造成的影響，當(dāng)深度較小時，說明影響較大，而當(dāng)深度較大時，說明影響較小。上限深度和年均地溫相同，也具有平面分帶特性，能直接反映出工程受凍土的影響，是對設(shè)計原則進(jìn)行劃分時的一個重要指標(biāo)，在過去則是一個沒有考慮的因素。

2.2 路基場地設(shè)計原則

該設(shè)計原則適合新建公路工程的施工圖設(shè)計與改建公路工程的重點路段設(shè)計，以及病害情況較為嚴(yán)重的改建設(shè)計，可分成嚴(yán)格保護(hù)、一般保護(hù)與不保護(hù)。該設(shè)計原則需將區(qū)段設(shè)計原則作為基礎(chǔ)，根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點和多年凍土具有的特性來確定。在對這項原則進(jìn)行劃分時，需對一下因素進(jìn)行充分考慮。

(1)工程的類型：工程在類型上存在的差別使凍土地基自身熱狀態(tài)有所不同，不同工程結(jié)構(gòu)的允許地基變形也不盡相同。路堤和通道與涵洞相比，具備一定蓄熱能力，但通道與涵洞具備通風(fēng)散熱的特點。在同一段路堤上，當(dāng)路面類型不同時，其熱參數(shù)將存在明顯差異，比如顏色較深的面層比顏色較淺的更吸熱。另外，不同的路基斷面形式也會對凍土路基造成不同的影響，一般是路塹對凍土路基的影響大于零填段，而零填段對凍土路基的影響大于路堤。

(2)凍土中含冰量：這是影響凍土自身熱穩(wěn)定性與融沉變形性主要因素。在年均地溫完全相同的情況下，當(dāng)凍土含冰量較高時，其熱穩(wěn)定性良好，但融沉變形性完全則完全相反，當(dāng)含冰量較高時，融化壓縮變形增加。另外，凍土含冰量還是導(dǎo)致地基產(chǎn)生不均勻沉陷現(xiàn)象的重要原因之一，是進(jìn)行原則劃分主要指標(biāo)。

(3)地基土類：這不僅會對凍土中含冰量造成影響，而且還影響到地基的整體強度與變形。由于土類在分布上存在很大變化，所以不建議在區(qū)段劃分中使用，但在對場地設(shè)計原則進(jìn)行劃分的過程中必須充分考慮。

(4)上限深度：它除了能反映出凍土是否穩(wěn)定，還和工程有著緊密的關(guān)聯(lián)。這里的上限深度和之前在區(qū)段設(shè)計原則中考慮的主要區(qū)別為：區(qū)段設(shè)計原則將區(qū)域中的總體趨勢作為核心，但此處是將建筑或構(gòu)筑物以下的深度作為基準(zhǔn)。對于新建工程，需將天然上限作為依據(jù)，而對于改建工程，需要對天然與人為上限進(jìn)行綜合考慮。

3 結(jié) 語

綜上所述，對于公路等呈線形分布的建筑，在制定多年凍土區(qū)中路基的設(shè)計原則時，應(yīng)注意不可完全照搬工業(yè)和民用建筑的多年凍土地區(qū)地基設(shè)計基本原則。對處在多年凍土地區(qū)中的線形建筑進(jìn)行設(shè)計原則的制定過程中，應(yīng)充分體現(xiàn)出從宏觀到具體的整個過程，根據(jù)公路這種呈線形分布的建筑，建議采用區(qū)段與場地兩種設(shè)計原則，以此與工程的各項特征相適應(yīng)。青藏公路中多年凍土地區(qū)的路基設(shè)計原則采用的就是區(qū)段設(shè)計原則，經(jīng)實踐驗證這一設(shè)計原則符合工程的實際情況，能為其它處在多年凍土地區(qū)中的公路工程提供參考借鑒。