陳亮

（廣東泛珠勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東廣州510623）

關(guān)于高原凍土地區(qū)公路路基設(shè)計(jì)研究

陳亮

（廣東泛珠勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東廣州510623）

分析高原凍土環(huán)境的公路病害特點(diǎn)，以及病害產(chǎn)生的原因和影響。提出高原凍土地區(qū)的公路路基設(shè)計(jì)方法，包括設(shè)計(jì)的基本原則和特殊路基的設(shè)計(jì)措施。對(duì)高原凍土路基的凍害問(wèn)題提出設(shè)計(jì)與施工對(duì)策，用于保障復(fù)雜環(huán)境下的道路設(shè)計(jì)安全與長(zhǎng)期使用性能。

高原地區(qū)；凍土；凍脹病害；公路路基；設(shè)計(jì)方法

0 引言

我國(guó)地域遼闊，存在很多高海拔寒冷區(qū)域。這些地區(qū)廣泛分布著多年凍土和季節(jié)凍土，地質(zhì)和地形狀況相對(duì)于普通海拔區(qū)域更為復(fù)雜。隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)一步發(fā)展，路網(wǎng)體系逐漸趨于完善，很多高等級(jí)的公路工程開(kāi)始出現(xiàn)在高海拔地區(qū)。在高原地區(qū)修建公路需要面對(duì)多年凍土和季節(jié)凍土的地質(zhì)環(huán)境，雖然我國(guó)對(duì)于高原地區(qū)修建基礎(chǔ)設(shè)施積累了一定的經(jīng)驗(yàn)和方法，但相關(guān)科研工作和技術(shù)成果還沒(méi)有達(dá)到成熟的地步，需要在提煉和總結(jié)現(xiàn)有研究和工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為高原凍土環(huán)境的公路建設(shè)提供支持[1，2]。

本文首先總結(jié)了目前高原凍土地區(qū)的公路運(yùn)營(yíng)病害特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)病害的分析，總結(jié)設(shè)計(jì)中存在的不足和改進(jìn)方法；其次，提煉了高原地區(qū)凍土環(huán)境的公路路肩設(shè)計(jì)原則和方法；最后，提出針對(duì)公路路基凍害的防治措施和辦法。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)可為高原凍土地區(qū)的公路路基設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1 高原凍土地區(qū)公路病害特征分析

高原凍土區(qū)域的上部一般是季節(jié)性融化層，而下部基本是多年凍土層。在季節(jié)溫度作用下，上部融化層由于溫度更替和水分的變化等，會(huì)出現(xiàn)翻漿、寒凍裂縫、融沉、冰害和凍脹等病害問(wèn)題。實(shí)際上影響路基凍脹病害的因素，與土質(zhì)特性、地下水分布等有關(guān)。對(duì)于滲透性很低的黏性土或滲透性很高的砂土，由于水分不容易集聚，因此不容易發(fā)生凍脹病害。然而，對(duì)于容易集聚水分的粉土和細(xì)砂等，由于毛細(xì)水活動(dòng)強(qiáng)，極容易發(fā)生凍脹和翻漿問(wèn)題。此外，地下水分布對(duì)凍脹的發(fā)生也有直接影響。如果地下水位高且路基濕度大，則路基凍結(jié)緩慢，不容易發(fā)生翻漿[3，4]。以下就對(duì)于高原凍土地區(qū)的常見(jiàn)病害特征進(jìn)行梳理分析。

1.1 翻漿

高原環(huán)境中，土體在凍結(jié)過(guò)程中集聚了較多水分。在土質(zhì)狀態(tài)不好的情況下，到了春暖化凍時(shí)水分不能及時(shí)排出，從而使得土基軟弱、強(qiáng)度降低，整個(gè)土體的物理特性和力學(xué)特性都受到很大的影響。在路面車(chē)輛荷載的作用下，路面很容易發(fā)生鼓包、開(kāi)裂、車(chē)轍和唧漿等病害問(wèn)題，這些就是典型的翻漿現(xiàn)象。此類(lèi)病害已在多條高原地區(qū)公路中被發(fā)現(xiàn)。

1.2 寒凍裂縫

高原地區(qū)土體的最大環(huán)境作用是凍脹循環(huán)。寒凍裂縫的形成是由于土體局部不均勻的凍脹使得路基發(fā)生橫向的扭曲，或者是因?yàn)槎鞙囟燃眲∽兓鹜馏w不均勻收縮從而橫向扭曲，這導(dǎo)致路基和路面出現(xiàn)局部的不均勻和不平整。雖然在春季回溫過(guò)程中這種橫向扭曲會(huì)得到釋放，但反復(fù)的凍融循環(huán)作用會(huì)直接破壞路基的穩(wěn)定性，并且在外界車(chē)輛荷載作用下發(fā)生振動(dòng)，引起路基坍陷和滑坡。

1.3 融沉

在高原多年凍土地區(qū)，由于地下冰層埋藏較淺，在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中因?yàn)楦鞣N因素改變了路基地基的自然條件和物理狀態(tài)，使得多年凍土發(fā)生局部融化。上部土層在自重和外界荷載作用下發(fā)生沉陷，從而引起嚴(yán)重的路基變形。常見(jiàn)的路基融沉有緩慢沉落型和急劇沉落型。緩慢沉落型發(fā)生在富含或飽含冰層的多年凍土區(qū)域，因此施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)這種區(qū)域的干擾是緩慢的；急劇沉落型發(fā)生在厚層地下冰地段，由于外界因素的干擾使得厚層冰段融化而引起大面積融化。融沉的典型特征是路基下沉，向陽(yáng)一側(cè)路肩和邊坡發(fā)生開(kāi)裂、下滑和滑塌。融沉病害主要發(fā)生在低路堤地段。

1.4 冰害

高原凍土區(qū)域還會(huì)出現(xiàn)常見(jiàn)的冰丘、冰椎和流冰等冰害。地下水在冬季發(fā)生凍結(jié)，并且受到多年凍土或凍結(jié)地面的阻隔效應(yīng)，在上層覆土薄弱地方因凍脹效應(yīng)使得路面鼓起，形成冰丘。這些病害在春暖季節(jié)會(huì)消失，但因?yàn)閮鋈谘h(huán)很容易產(chǎn)生開(kāi)裂。

1.5 凍脹

高原地區(qū)的典型特點(diǎn)是土層中的水分在負(fù)溫度下發(fā)生結(jié)晶，形成各種各樣的冰體傾入土體中，直接導(dǎo)致土體積增大，從而使得路面發(fā)生開(kāi)裂，這是由于凍脹力和凍結(jié)力的作用形成的。

2 高原凍土地區(qū)公路路基的設(shè)計(jì)方法

2.1 總體設(shè)計(jì)方法

高原凍土地區(qū)凍土的特征不同，其設(shè)計(jì)原則和方法也不同。對(duì)于多年凍土下限在4 m以?xún)?nèi)的路段，可以采取融化的原則全部清除多年凍土層，并且回填砂礫和碎石進(jìn)行整治。對(duì)于多年凍土下限在4 m以上的路段，一般需要控制融化的速度，采取主動(dòng)冷卻和被動(dòng)保護(hù)的手段來(lái)維持凍土路基的穩(wěn)定性。具體的凍土地區(qū)公路路基的設(shè)計(jì)方法，可以根據(jù)凍土的不同特征開(kāi)展相關(guān)設(shè)計(jì)工作?；驹瓌t是保護(hù)凍土、控制融化速度、加速融化等。

保護(hù)凍土是在公路施工過(guò)程中采取適當(dāng)?shù)氖侄?，例如設(shè)置保溫層、保溫護(hù)道、鋪筑淺色路面等使凍土環(huán)境不受過(guò)大干擾。主要面向于低溫多年凍土路段。

控制融化速度則是對(duì)于路基高度按照公路設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)路基變形量不大于允許變形量的設(shè)計(jì)方法。主要面向于地溫較高且含冰量較少的路段。

加速融化主要用于地溫較高的少冰凍土或者富含冰凍土但厚度較薄的地區(qū)。少冰凍土在融化作用下下沉量較小，當(dāng)基底融深在3～5 m時(shí)，即使下沉量較大也不會(huì)危及路基的穩(wěn)定性；富含冰凍土且厚度較薄的地段可以采取挖除或者人工爆破等手段將富含冰層完全換填干燥土層，保持路基穩(wěn)定。

2.2 特殊路段的設(shè)計(jì)與施工處置

高原凍土環(huán)境的路基修筑不僅面臨凍土基礎(chǔ)，還有各類(lèi)復(fù)雜的路基建設(shè)環(huán)境，如水草沼澤路基、湖塘路基和冰雪害路基等。需要結(jié)合凍土基礎(chǔ)和特殊路基的特點(diǎn)，開(kāi)展針對(duì)性設(shè)計(jì)方法。

（1）水草沼澤路基。不同凍土環(huán)境下水草沼澤路基有不同的設(shè)計(jì)與施工對(duì)策。對(duì)于季節(jié)性?xún)鐾谅范?，?yīng)該對(duì)水草沼澤基底進(jìn)行清淤排水和疏干處理，然后再填筑路基，并進(jìn)行砂礫石換填；對(duì)于少冰和多冰路段，在清除基底和疏干的情況下需要采用強(qiáng)度較高的塊石進(jìn)行換填，并且鋪設(shè)土工格柵增強(qiáng)其整體性；對(duì)于高含冰路段，可以不清除，直接在地表鋪設(shè)片狀塊石，并采用重型壓路機(jī)碾壓。

（2）湖塘路基。凍土退化區(qū)很容易形成湖塘路基段落。對(duì)于湖塘路基，需要先清除淤泥，并采用砂礫或片石填筑到水面高程以上0.3～0.5 m，在片石頂填筑0.3 m的砂礫，沖擊碾壓后再按照一般的路基進(jìn)行填筑。

（3）冰雪害路基。高原地區(qū)冬天負(fù)溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，冰雪害天氣較多，且降雪量大，使得降雪不容易融化而形成路面冰雪災(zāi)害，危及路面行車(chē)安全。因此，針對(duì)冰雪害路基地段，需要充分考慮路面的抗滑性能，采取放緩路線縱坡等形式加強(qiáng)路面的抗滑性能，并設(shè)置一定數(shù)量的除雪除冰機(jī)械，及時(shí)清除冰雪，為道路的正常運(yùn)營(yíng)提供支持。

3 高原凍土路基凍害的防治措施

為了更好地面對(duì)高原環(huán)境，減少路基凍害，需要建立一系列的防治措施。

（1）保持凍土環(huán)境的平衡。凍土環(huán)境經(jīng)過(guò)多年的自然選擇形成，在道路的施工過(guò)程中應(yīng)盡量避免對(duì)原有凍土環(huán)境的干擾和破壞，盡量不改變或者少改變凍土環(huán)境，達(dá)到公路設(shè)計(jì)使用年限的要求。

（2）提高路基的設(shè)計(jì)高度并降低垂直地溫梯度。盡量采用路堤的形式，不破壞地表的同時(shí)，最大限度保持原有的凍土水熱平衡。而采用路塹的路基方式，則很容易挖除季節(jié)凍融層，從而破壞原有的凍土層構(gòu)造，使得凍土融化引起邊坡失穩(wěn)、路面融沉等病害。除了采用路堤形式外，還需要做好基底處理，盡量保留基底和路基兩側(cè)的地表植被。此外，路堤的設(shè)計(jì)高度應(yīng)該以降低垂直熱流至接近熱平衡為原則，使得凍土上限埋深可以達(dá)到能夠融化的最大深度。這個(gè)最大深度一般需要根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行熱學(xué)計(jì)算，也可根據(jù)參考值取值計(jì)算（見(jiàn)表1）。

表1 高原凍土地區(qū)路基高度的設(shè)計(jì)參考值

（3）放緩邊坡或設(shè)置加寬加高的護(hù)坡道。由于飽和凍土地段有融化的風(fēng)險(xiǎn)，可通過(guò)在填方坡腳設(shè)置保溫護(hù)坡道來(lái)降低對(duì)路基的影響。護(hù)坡道材料可以選用導(dǎo)熱性弱同時(shí)又可就地取材的材料。

（4）改善道路的排水條件，加強(qiáng)路面和地面排水。設(shè)置排水系統(tǒng)會(huì)破壞地表的天然覆蓋狀況，引起凍土層的上限降低，從而對(duì)溝渠變形和路基穩(wěn)定產(chǎn)生影響。排水溝和截水溝應(yīng)該遠(yuǎn)離路基的坡腳或坡頂設(shè)置，一般需要距離8～20 m，并且盡量避免開(kāi)挖排水溝和截水溝，減少對(duì)凍土的影響。

（5）選擇合適的路基填料。由于雨水和地下水對(duì)路基填料的影響非常顯著，加上凍土區(qū)域由于水結(jié)冰而引起的凍脹病害，因此需要選擇透水性好或者水穩(wěn)定性好的材料，如碎礫石和天然砂礫等。

（6）隔溫。隔溫就是通過(guò)增加熱阻以降低季節(jié)融化層的凍結(jié)深度，從而達(dá)到防治凍害的目的。在凍土區(qū)域建造道路，由于地表熱交換條件的改變，使路基內(nèi)的熱量積累，從而引起凍土上限降低，便易導(dǎo)致路面融沉和局部坍塌。采用隔溫措施可以有效地穩(wěn)定凍土上限，阻止上部熱量向下傳輸，同時(shí)也可以阻止凍土的熱量向外部傳遞，令凍土環(huán)境不受到外界的過(guò)大干擾。一般可以采用保溫板等設(shè)施進(jìn)行隔溫。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，需要在越來(lái)越復(fù)雜的環(huán)境下繼續(xù)完善現(xiàn)有的道路體系。高原凍土問(wèn)題是道路路基設(shè)計(jì)與建造的關(guān)鍵問(wèn)題。具備了對(duì)凍土問(wèn)題的理解和掌握，才能保證路基設(shè)計(jì)的安全和長(zhǎng)期性能。本文分析了高原凍土環(huán)境的典型病害特點(diǎn)，以及病害產(chǎn)生的原因和影響，從而對(duì)高原凍土環(huán)境的公路路基，提出了設(shè)計(jì)原則和針對(duì)不同凍土特征的設(shè)計(jì)方法。最后總結(jié)了高原凍土路基凍害的防治措施和技術(shù)要點(diǎn)，用于保證高原凍土環(huán)境下公路路基的設(shè)計(jì)與建設(shè)。

[1] 劉茂海.關(guān)于多年凍土地區(qū)公路路基的設(shè)計(jì)[J].呼倫貝爾學(xué)院學(xué)報(bào),2008,16(2):79-80.

[2] 張錦生.多年凍土地區(qū)公路路基設(shè)計(jì)的探討[J].黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2010(4):40-41.

[3] 張濤,陳凱.高原凍土地區(qū)公路路基設(shè)計(jì)方案淺析[J].露天采礦技術(shù),2014(1):92-93.

[4] 李帥.季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)公路路基設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].黑龍江交通科技,2017(2):48.

U412.36

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1009-7716（2017）11-0046-03

2017-07-20

陳亮(1978-)，男，廣西桂平人，工程師，從事路橋設(shè)計(jì)工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.013