淺談多年凍土區(qū)路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：本文通過考察青海省青藏高原地區(qū)多年凍土的實(shí)際情況，根據(jù)共和至玉樹公路的工程實(shí)例對該項(xiàng)目多年凍土路基結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行認(rèn)真研究，針對不同凍土類型及路基狀況而采用相應(yīng)的路基結(jié)構(gòu)型式，以確保路基質(zhì)量穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)可靠，并為以后類似狀況凍土路基設(shè)計(jì)提供重要參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：多年凍土；公路路基；設(shè)計(jì)原則；結(jié)構(gòu)方案

一、概述

多年凍土在世界上分布很廣，約占地球陸地面積的25%。我國的多年凍土多分布在北緯48°以北的黑龍江省北部地區(qū)以及西部海拔4300m～4500m以上的高原區(qū)，總面積約為215×104 平方公里。

共和至玉樹公路是青海省規(guī)劃的“三縱、四橫、十連線”高速公路網(wǎng)中的南北二縱線的重要組成部分，全長637公里。其中瑪多至清水河段屬青藏高原多年凍土區(qū)，處于青藏高原多年凍土帶邊緣。根據(jù)2011年的勘察資料，瑪多至清水河多年凍土共109公里，其中少冰、多冰多年凍土段約67公里，富冰、飽冰多年凍土段約37公里，含土冰層多年凍土段約5公里。

二、凍土地區(qū)路基設(shè)計(jì)原則

多年凍上地段路基應(yīng)采用“寧填勿挖，保護(hù)凍土，控制融化速率及綜合治理”的原則，盡量以填方路基為主，采用保護(hù)凍土、主動降溫和允許凍土融化的設(shè)計(jì)原則。

根據(jù)科研成果以及本項(xiàng)目的勘察資料，公路沿線凍土年平均地溫基本在-2.5℃以上，屬于高溫凍土，具有地溫高、退化速率較快的特點(diǎn)，是典型的高溫不穩(wěn)定型與極不穩(wěn)定型多年凍土。

控制融化原則主要是使在路面設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，路基下伏多年凍土的人為上限下降導(dǎo)致凍土路基產(chǎn)生的融沉變形在設(shè)計(jì)容許變形范圍以內(nèi)的原則。采取的調(diào)控措施可分為被動保護(hù)與主動冷卻路基兩種。

三、共玉公路多年凍土路基結(jié)構(gòu)方案類型簡介

（一）片塊石路基

片塊石路基結(jié)構(gòu)是利用空氣的流動來改變路基傳熱方式的一種通風(fēng)路基，空氣可在片塊石層內(nèi)流動，冬季以通風(fēng)作用為主的強(qiáng)迫對流效應(yīng)和較弱的片塊石層側(cè)向空氣自由對流的復(fù)合過程是片塊石冷卻路基的作用原理。

片塊石路基主要適用于富冰、飽冰凍土區(qū)。為了充分利用片塊石自然對流機(jī)制，應(yīng)采用單一粒徑的片、塊石鋪設(shè)路基，不應(yīng)采用不同粒徑的混合結(jié)構(gòu)。片、塊石料填作為路基填料時(shí)，片、塊石粒徑取15～30cm，最小邊長宜大于15cm，且長細(xì)比小于3，片塊石強(qiáng)度大于30MPa。

（二）XPS板路基

所謂XPS板就是擠塑式聚苯乙烯隔熱保溫板，它是以聚苯乙烯樹脂為原料加上其他的原輔料與聚合物，通過加熱混合同時(shí)注入催化劑，然后擠塑壓出成型而制造的硬質(zhì)泡沫塑料板。它的學(xué)名為絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料（簡稱XPS），XPS具有完美的閉孔蜂窩結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)讓XPS板有極低的吸水性、低熱導(dǎo)系數(shù)、高抗壓性和抗老化性。修筑保溫XPS板路基是利用XPS板的低導(dǎo)熱性特點(diǎn)，通過調(diào)控傳熱熱阻達(dá)到控制多年凍土融化的目的，其基本原理和抬高路基是一致的。

XPS板路基適用于沿線凍土段路基高度不滿足要求及零填、淺挖、路塹結(jié)構(gòu)等路段。為滿足使用要求XPS板抗壓強(qiáng)度不應(yīng)低于0.6Mpa，導(dǎo)熱系數(shù)不應(yīng)大于0.030W/m·℃，容重不小于40～45kg/m3。施工時(shí)，XPS板埋設(shè)在路面結(jié)構(gòu)層下30～40cm處。

（三）熱棒-XPS復(fù)合式路基

熱棒是一種氣液兩相對流循環(huán)熱導(dǎo)裝置，由一根密封的鋼管及管內(nèi)的工作介質(zhì)組成，鋼管上部的散熱葉片為冷凝器，下部埋入地基的部分為蒸發(fā)器，工作介質(zhì)一般由液態(tài)氨、氟利昂、丙烷等物質(zhì)構(gòu)成。它利用熱虹吸原理驅(qū)動工作介質(zhì)循環(huán)管流動，當(dāng)冷凝器和蒸發(fā)器之間存在溫差時(shí)，工作介質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收熱量，轉(zhuǎn)化為氣態(tài)介質(zhì)，然后在上端冷凝器冷凝放出汽化熱，從而將地基基礎(chǔ)的熱量傳送到地表與空氣進(jìn)行換熱。該氣液兩相對流循環(huán)過程是連續(xù)的，只有當(dāng)蒸發(fā)器的溫度低于冷凝器的溫度時(shí)才停止。

熱棒-XPS復(fù)合式路基主要適用于多年凍土區(qū)含土冰層路段。XPS板的技術(shù)要求與前面一致，熱棒的規(guī)格為φ83×5mm，在工作溫度為-5℃時(shí)，其傳熱能力不應(yīng)低于6KW，工作溫度-60℃～-50℃時(shí)，工作壓力為0～2.2Mpa，可靠工作時(shí)間不低于20年，熱棒沿路線走向間距為4m。

四、路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案分析

現(xiàn)以富冰路段為例介紹具體設(shè)計(jì)方案。當(dāng)路基高度大于2.5m且小于2.8m時(shí)，采取片塊石路基處理，基底沖擊碾壓和填筑30cm砂礫后，填筑0.9m～1.2m厚的片石，片石上部用20cm厚碎石整平，碎石粒徑5～10cm，其上再填筑30cm厚砂礫墊層，贈平層與砂礫層之間鋪設(shè)透水土工布，砂礫層上部布設(shè)塑鋼土工格柵；當(dāng)路基高度大于2.8m時(shí)，片石層的厚度采用1.2m，其他結(jié)構(gòu)相同；當(dāng)路基高度小于2.5m時(shí)，采用基底局部換填或加強(qiáng)沖擊碾壓厚度，路基中增設(shè)XPS板的方式處理。未通過水草沼澤時(shí)，填筑30cm砂礫或石渣，通過水草沼澤時(shí)，則填筑50cm砂礫或石渣，將填筑的砂礫石或石渣用重型壓路機(jī)沖擊壓入地面以下，沖擊碾壓不清除草皮，沖擊碾壓后上部填筑30cm 厚砂礫，其上布設(shè)塑鋼土工格柵，在路面結(jié)構(gòu)層以下30～40cm處布設(shè)厚度6cm的XPS板，布設(shè)寬度應(yīng)與半剛性基層寬度基本一致。

數(shù)值模擬分析的結(jié)果表明，在該區(qū)域片塊石通風(fēng)路基中的片塊石層厚度為1.2m與1.5m的路基降溫效果好于片塊石厚度為0.9m的路基，隨著片塊石層厚度的增加，其降溫效果也更加明顯，人為上限的抬升也更加明顯。因此，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合試驗(yàn)路施工經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與施工條件等因素，本項(xiàng)目多年凍土區(qū)片塊石路基的厚度推薦選擇1.2m。

五、結(jié)束語

截至目前該項(xiàng)目多年凍土區(qū)路基施工早已完成，現(xiàn)場檢測資料表明，路基未出現(xiàn)沉陷、開裂、翻漿等凍土病害，路基狀態(tài)穩(wěn)定，使用狀況良好。實(shí)踐表明，通過對項(xiàng)目區(qū)域凍土狀態(tài)的詳細(xì)勘察，同時(shí)結(jié)合地形特點(diǎn)與線形幾何指標(biāo)，對不同的路段采用不同的結(jié)構(gòu)類型及設(shè)計(jì)參數(shù)，以確保車輛行駛安全，保證路基質(zhì)量穩(wěn)定，延長道路使用年限，并為以后類似狀況凍土路基設(shè)計(jì)提供重要參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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