李任永

（唐山市曹妃甸區(qū)交通運輸局，河北 唐山 063299）

1 工程概況

某公路工程與國道和省道相連，在整個路網(wǎng)中具有重要作用。該路段沿線上除了有大量的山區(qū)之外，還有一些高原臺地及河谷、丘陵，地勢呈西高東低的走勢。公路沿線兩側(cè)山區(qū)內(nèi)的溝壑較多，坡度較大，基本都超過50°。沿線區(qū)域氣候特點為冬季時間較長、溫度偏低，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，整個路段上有大量多年凍土區(qū)域。為確保路基修筑順利完成，要針對多年凍土設計合理可行的方案，本文就此展開詳細分析。

2 多年凍土路基設計方案

2.1 多年凍土的分布情況

本工程中，公路沿線經(jīng)過的區(qū)域存在大量的多年凍土區(qū)，從地質(zhì)條件上看，多年凍土與季節(jié)性凍土相接，使得這個區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件變得非常復雜。由現(xiàn)場勘查結(jié)果可知，凍土的性質(zhì)為不穩(wěn)定退化性，全線分布的多年凍土約為14.5km，除去隧道段的凍土，待處治段落的凍土長度約為8.5km，其中包含多冰和少冰凍土帶，大部分凍土溫度在-0.5℃左右[1]。

2.2 預測凍土退化趨勢

本次公路修筑中，以現(xiàn)行規(guī)范標準作為主要依據(jù)，結(jié)合工程所在地多年凍土的退化規(guī)劃，編制設計規(guī)劃，找出最佳的路基設計方案，確保工程建設順利完成。對公路沿線途徑的多年凍土區(qū)域的凍土退化趨勢準備預測，有助于公路修筑工作的開展，并且還能為后期病害防治措施的制定提供依據(jù)。在具體預測時，可利用有限元分析軟件，對比分析沿線區(qū)域的氣象與地質(zhì)資料，以此作為模型的計算邊界條件，通過模擬計算，得出多年凍土的變化情況，為路基設計檔案提供指導。由相關(guān)計算結(jié)果可知（限于篇幅，計算過程省略），該公路沿線上所有的凍土都會隨著溫度的不斷升高而出現(xiàn)退化的現(xiàn)象，并且溫度越高，退化速度越快。但是不同種類的凍土退化速度存在差異，具體如下：厚度為2.0m的凍土，少冰的大約3年能完全消融，多冰的大約需要5年才能全部消融；厚度為4.5m的凍土，少冰的消融時間約為10 年，多冰的則至少要12 年能夠消融；厚度為11m的凍土會隨著溫度升高出現(xiàn)退化的現(xiàn)象，但卻無法在12年以內(nèi)完全退化[2]。

2.3 路基設計要求

多年凍土是一類比較特殊的土體，在多年凍土上開展路基設計時，要綜合考慮凍土區(qū)域額的生態(tài)環(huán)境、路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、路面行車的舒適度等方面，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標準的規(guī)定要求，選取最為適宜的路線，提出合理可行的路基設計方案。需要指出的是，在路基設計盡管遵循保護凍土的原則，但路基修筑過程中，無法避免對凍土層的擾動。由于凍土受到外界因素的作用，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生破壞，很容易引起路基病害，當多年凍土受到溫度變化的影響時，凍土可能會逐步融化，此時路基會發(fā)生沉降。所以在多年凍土路基方案設計前，應明確設計要求，具體如下。

2.3.1 保護凍土

多年凍土的形成與自然環(huán)境密切相關(guān)，在多年凍土區(qū)域內(nèi)開展路基修筑時，凍土區(qū)的自然環(huán)境受到熱能條件的影響會發(fā)生改變，凍土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平衡性會被打破，天然上限隨之發(fā)生改變，可對該上限做如下定義：人為上限。對路基設計時，保護凍土是采用工程技術(shù)措施，減少對土體自然狀態(tài)的破壞，避免影響凍土層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使人為上限保持在穩(wěn)定范圍內(nèi)，提高路基的結(jié)構(gòu)安全性。

2.3.2 控制融化速率

實踐表明，在多年凍土區(qū)域內(nèi)開展路基修筑或是其他活動時，會使凍土區(qū)的熱能發(fā)生改變，受到人為因素的影響，凍土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)平衡被打破，凍土天然條件遭到破壞，天然上限發(fā)生變化。通過對凍土的融化速率加以控制，可以減輕對多年凍土區(qū)域內(nèi)路基下部凍土層的影響。因此，在路基設計中，應保證凍土的凍融速率始終處于可控范圍。為實現(xiàn)這一目標，就要確保凍土的人為上限穩(wěn)定，最大限度減輕外界因素的影響，降低路基凍融沉陷變形發(fā)生的概率，使道路的使用性能可以得到正常發(fā)揮。在高溫凍土區(qū)域內(nèi)，路基中的含冰量相對較高，采用常規(guī)的設計方法，很難使凍土的融化速度達到要求。此時可結(jié)合現(xiàn)場情況，對凍土區(qū)域內(nèi)的地溫變化加以調(diào)控，可以使用的方法有以下幾種：導熱棒路基、塊石路基或是遮陽板路基。對于一些地質(zhì)災害較為嚴重的凍土地區(qū)，常規(guī)調(diào)控方法無法解決融化速率問題時，可將多種調(diào)控方案聯(lián)合使用，或是采用架設橋梁的方法予以處理。

2.3.3 不保護凍土

在凍土區(qū)域內(nèi)零星分布的凍土，因比較分散，凍土層不集中，使得這部分凍土會持續(xù)不斷出現(xiàn)退化的現(xiàn)象。在路基設計時，針對此類凍土層可以不保護。修筑路基的過程中，利用工程技術(shù)措施，在零散凍土路段內(nèi)，設置緩沖過渡區(qū)，使這部分凍土在路基修筑期間徹底融化，以避免路基修筑后產(chǎn)生沉降。

2.3.4 融區(qū)與凍土島

通過對多年凍土區(qū)域調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)的凍土層中，存在數(shù)量較多的融區(qū)及凍土島，主要的分布區(qū)域如下：湖泊周圍、河流沿岸等。這些區(qū)域具有一個相同的特點，即地溫較高。當路基設計中，遇到融區(qū)和凍土島時，要對補給水的來源予以充分考慮，同時，還要考慮地質(zhì)條件、地形地貌等因素，從而使選擇的路基形式合理。當路線從面積較小的凍土島穿過時，可對融化速率加以控制，并采取工程技術(shù)措施對凍土予以保護。同時，對不同的設計方案綜合比選，從中選取最優(yōu)，確保路基項目建設能夠順序開展。

2.3.5 綜合治理

目前，大部分公路工程采用的都是瀝青混凝土路面，這種路面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點較多，但在多年凍土區(qū)域內(nèi)修筑公路時，若是使用瀝青混凝土路面，會因路面吸熱導致溫升過高，這部分熱量會通過路基傳遞給下部的凍土層，凍土受到熱量的影響，融化速度會大幅度加快，隨著凍融循環(huán)，路基會形成工后沉降。為防止上述問題的發(fā)生，在多年凍土區(qū)域內(nèi)開展路基設計時，應采取綜合措施保護凍土層，遵循預防為主、減少輻射、阻隔熱傳遞、主動保護等原則，避免凍融循環(huán)。

2.4 設計方案

在公路工程項目建設前期，路基設計是較為重要的環(huán)節(jié)之一，直接關(guān)系到后續(xù)施工能否順利開展。本工程中，沿線上存在大量的多年凍土區(qū)域，給路基設計增添一定的難度。具體設計時，除了要以現(xiàn)行規(guī)范標準作為依據(jù)外，還要充分考慮凍土的病害機理，遵循預防為主、防治結(jié)合的原則，對多年凍土區(qū)域的路基修筑方案合理設計。

2.4.1 路基高度

多年凍土是一種持續(xù)多年凍結(jié)的土石層，它由上層和下層兩個部分組成，通常情況下，在夏季時，多年凍土的上層會融化，該層被稱之為冰融層，而下層常年處于凍結(jié)的狀態(tài)。通過對多年凍土的不斷研究，現(xiàn)已基本掌握其性狀，工程設計人員對多年凍土的認識也進一步加深，借助相關(guān)的計算方法，能夠確定出多年凍土路基的高度。以往保護凍土最為簡單的方法是在路基設計中采用填方路基，由于設計初期，并未充分考慮路基填筑高度對凍土所產(chǎn)生的影響，使得設計的路基高度是以一般道路作為參考依據(jù)，未采取技術(shù)措施對凍土加以保護，導致大量的凍土層遭到嚴重破壞?；诖?，要對多年凍土路基設計加以完善，確保設計出來的路基高度合理可行，達到保護凍土的目的[3]。多年凍土區(qū)域的路基臨界高度可以通過相關(guān)的公式計算得出。為避免路基在凍土融沉的過程中出現(xiàn)破壞的情況，必須使設計的路基高度合理，保證最大融沉深度在設計使用年限的最大天然上限以內(nèi)。需要著重闡明的一點是，多年凍土路基設計的合理高度，是在綜合考慮多方面因素的基礎上提出，包括工程所在地的氣候變化、凍土上限的變化規(guī)律以及年均地溫等，由此設計出來的路基高度能夠滿足實際需求。對于高溫凍土區(qū)，在路基高度設計時，必須采取有效的防護措施，降低病害的發(fā)生概率[9]。

2.4.2 邊坡設計

邊坡作為公路的重要組成部分之一，是設計的重點環(huán)節(jié)。公路邊皮設計中，對坡度確定時，需要對以下因素綜合考慮：工程所在地的水文地質(zhì)條件、地形地貌特征、路基填筑高度、土體性質(zhì)等。依據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定要求，一般道路的邊坡坡度取值為1∶1.5～1∶1.75。而多年凍土區(qū)域的土體性質(zhì)比較特殊，所以，在含地下冰層的土體上對路基修筑時，可將邊坡的坡度調(diào)整為1∶1.5～1∶2.0[4]。由于邊坡坡度并不會對路基內(nèi)的多年凍土溫度場產(chǎn)生直接影響，故此，在對路基邊坡坡度設計時，可將水文地質(zhì)和地形地貌作為重點考慮因素，并從技術(shù)適用性和經(jīng)濟合理性兩個方面，對坡度加以確定，使設計出來的邊坡坡度和邊坡形式，滿足多年凍土區(qū)域路基修筑需要。

2.4.3 排水設計

多年凍土路基排水設計中，要對排水設施合理選擇，降低水損害的發(fā)生概率，在確保路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，延長公路使用壽命。為使路基排水能夠保持暢通，在防排水設施設計時，要與邊坡坡腳保持足夠的距離，避免低洼位置處積水，增大路基結(jié)構(gòu)層的含水量，引起凍融循環(huán)[10]。

（1）邊溝。在選取多年凍土區(qū)域內(nèi)的邊溝斷面形式及尺寸時，要綜合考慮以下因素：邊坡高度、水文地質(zhì)條件、地形地貌特征等。為使路基排水能夠保持順暢，在設計邊溝時，要讓其地面坡度達到0.3%以上，并與邊坡的方向保持一致[5]。若是路線穿越的區(qū)域凍脹比較嚴重，則可將邊溝設計為U形，在工廠預制現(xiàn)場拼裝，并在邊溝的基底鋪設防水膜，避免雨水從邊溝滲入基底或是路基，可將橫向?qū)?、縱向淺的斷面形式作為多年凍土區(qū)域路基邊溝的首選。

（2）排水溝。在設計多年凍土區(qū)域內(nèi)的道路排水溝時，可將普通道路的排水溝設計方案作為參考依據(jù)，排水溝的斷面形式則可選用三角形或是梯形[6]。為避免排水溝修筑過程對多年凍土造成擾動，排水溝的斷面形式應橫向較寬、縱向較淺，并依據(jù)實際確定排水溝的邊坡坡度。為使雨水能夠從排水溝順利排出路基以外，可設置較大的排水縱坡，而排水溝的末端，要盡可能連接自然河流，在無法連接的情況下，可挖設集水坑。

（3）截水溝。在多年凍土區(qū)的路基排水設計中，截水溝的主要作用是防止地表水引起凍脹破壞。與一般道路的排水溝設計不同，截水溝必須達到100cm 以上，深度不得少于80cm，內(nèi)外側(cè)采用緩坡[7]。凍土區(qū)域的土質(zhì)相對比較松散，透水性好，容易使流水滲入路基，進而引起凍脹，造成路基結(jié)構(gòu)層損壞，嚴重時可能還會導致邊坡坡體滑塌。為此，在凍土路基截水溝設計中，必須采取有效的防滲措施，如邊坡和底部防沖刷等。部分多年凍土位于平緩的地勢上，設置截水溝時，可以選用大弧度的截水溝，并按照地勢走向?qū)厮疁系目v坡進行設計，以排出路基外積水。要盡可能使截水溝與自然河流相接，并采取有效的措施，避免河水回流[8]。

3 結(jié)語

本次公路修筑中，以現(xiàn)行規(guī)范標準作為主要依據(jù)，結(jié)合工程所在地多年凍土的退化規(guī)劃，編制設計規(guī)劃，找出最佳的路基設計方案，確保工程建設順利完成。多年凍土區(qū)域的路基臨界高度可以通過相關(guān)的公式計算得出。為避免路基在凍土融沉的過程中出現(xiàn)破壞的情況，必須使設計的路基高度合理，保證最大融沉深度在設計使用年限的最大天然上限以內(nèi)。需要著重闡明的一點是，多年凍土路基設計的合理高度，是在綜合考慮多方面因素的基礎上提出，包括工程所在地的氣候變化、凍土上限的變化規(guī)律以及年均地溫等，由此設計出來的路基高度能夠滿足實際需求[11]。對于高溫凍土區(qū)，在路基高度設計時，必須采取有效的防護措施，降低病害的發(fā)生概率。

在多年凍土區(qū)域修筑路基時，為最大限度減輕凍土層對路基的影響，應設計出合理可行的方案，并采取有效的排水設施，確保排水暢通，延長公路的使用壽命。未來，應加大多年凍土路基設計方面的研究力度，逐步提高設計水平，使設計出的方案，滿足公路路基建設需要[12]。