關(guān)于凍土多年地區(qū)的公路路基設(shè)計技術(shù)探討

唐亮辰

（揚州市勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225000）

在凍土區(qū)的公路工程運營中，受多年凍土特殊性狀、車流量、自然環(huán)境、氣候變化等因素的影響，常見熱融沉降變形引起的路基病害，造成路基開裂、波浪凹陷、縱向凹陷或凍脹翻漿，影響公路行車安全。在公路工程建設(shè)之前，要做好路基設(shè)計工作，結(jié)合路基斷面形式，優(yōu)化路堤、低填淺挖段、路塹、邊溝、排水溝、擋水埝和防水護(hù)道設(shè)計，以降低路基病害發(fā)生的可能性，保證公路路基工程質(zhì)量。

1 凍土多年地區(qū)路基設(shè)計

多年凍土地區(qū)路基設(shè)計要做好前期勘測與調(diào)查工作，掌握全面的技術(shù)資料，以資料數(shù)據(jù)為支撐確定設(shè)計方案。資料包括氣象變化、地形特征、季節(jié)凍融層厚度、多年凍土層上限與下限、熱融變化原因、地下冰分布、凍土不良地質(zhì)地段起止里程、凍土物理力學(xué)試驗報告等方面的資料，在掌握資料后開展路基設(shè)計。

1.1 路堤設(shè)計

在路堤設(shè)計中，多年凍土地區(qū)的地質(zhì)情況不同，所采用的路堤設(shè)計方案也會有所不同，具體包括以下設(shè)計方案。

1.1.1 凍土保護(hù)設(shè)計

在多年凍土地區(qū)公路工程建設(shè)中，經(jīng)常出現(xiàn)人為改變天然地表傳熱條件，破壞原有地基熱平衡狀態(tài)的現(xiàn)象，導(dǎo)致多年凍土上限變化。路基設(shè)計應(yīng)采用保護(hù)凍土設(shè)計技術(shù)，使路基保持最小臨界高度，即控制最小填土高度，將多年凍土上限控制在一定深度內(nèi)，不會發(fā)生融化現(xiàn)象，以增強(qiáng)路基穩(wěn)定性。多年凍土地區(qū)路基設(shè)計中，確定路基合理高度是設(shè)計重點，路基過高會引發(fā)凍土產(chǎn)生融化偏移，造成邊坡失穩(wěn)。路基過低會造成凍土熱融沉陷，縮短公路使用壽命。保護(hù)凍土設(shè)計適用于年平均低溫為-1.5～-3.5℃的地區(qū)，路基設(shè)計高度公式為：

公式（1）中，H設(shè)表示路基設(shè)計高度；M 表示根據(jù)凍土類型和上限深淺確定的綜合修正系數(shù)；H合表示路基填土合理高度；S 表示季節(jié)融化層壓縮沉降量。

1.1.2 凍土融化速率控制設(shè)計

在含冰量高且年平均地溫為-0.5～-1.5℃的多年凍土區(qū)路段中，采用凍土融化速率控制設(shè)計，能夠有效解決凍土上限下降問題。路基設(shè)計可以采用熱棒路基、遮陽板路基、碎石路基、隔熱層路基設(shè)計方案，既可以采用單一的路基工程措施，也可以采用組合工程措施。如，設(shè)計防水保溫護(hù)道、回填路基坡腳積水坑、合理確定路基高度等，達(dá)到保護(hù)凍土的目的。其中，路基高度設(shè)計是關(guān)鍵設(shè)計內(nèi)容，按照以下公式進(jìn)行測算：

公式（2）中，K 表示工程所在地的氣溫修正系數(shù)；P 表示多年凍土融化速率；φ 表示融化速度衰減系數(shù)；t 表示工程使用年限；m 表示填土當(dāng)量換算經(jīng)驗系數(shù)。多年凍土融化速率P的計算公式如下：

公式（3）中，Δh 表示多年凍土人為上限下降值，ΔT 表示工程竣工到勘探的時間間隔。不同凍土類型的人為上限下降值Δh與填土當(dāng)量換算經(jīng)驗系數(shù)m的取值范圍圖表1 所示。

表1 路基人為上限下降值與填土當(dāng)量換算經(jīng)驗系數(shù)表

1.1.3 允許融化設(shè)計

在多年凍土地區(qū)路基設(shè)計期間，在地基滿足以下條件時采用允許融化設(shè)計方案：

（1）基底地下水埋藏淺，屬于少冰凍土，無法保證長期凍結(jié)狀態(tài)。在此類多年凍土地區(qū)路基設(shè)計中，根據(jù)線型設(shè)計路堤高度小于臨界高度，將凍土層挖除、換填，換填材料為滲水性土。

（2）基底地質(zhì)為多冰凍土，融化后的沉降差較小，不易引發(fā)公路病害。針對此類多年凍土地區(qū)的路基設(shè)計，應(yīng)采用非多年凍土路基設(shè)計，無需采用特殊工程技術(shù)措施。

（3）路基采用保護(hù)多年凍土設(shè)計難以取得預(yù)期效果，且多年凍土層正處于退化階段，允許采用融化設(shè)計方案。在設(shè)計中，上部部分挖除，挖除深度控制在整個凍土層厚度的1/2 以上，下部采用凍土層震碎破裂技術(shù)措施，利用地下水溫加快凍土層碎裂速度，直至凍土層消失。在路基設(shè)計時，要預(yù)留出適當(dāng)?shù)某谅淞浚黾勇芳鐚挾取?/p>

1.1.4 融區(qū)與凍土島設(shè)計

融區(qū)與凍土島的多年凍土低溫相對較高，該區(qū)域主要分布河谷階地、河流兩岸，受瀝青路面吸熱的影響，該區(qū)域凍土融區(qū)逐步擴(kuò)大，易產(chǎn)生路基病害。在路基設(shè)計中，路基高度要根據(jù)最高地下水位、最大凍結(jié)深度、地表積水、土質(zhì)等因素進(jìn)行確定，同時還要綜合考慮經(jīng)濟(jì)合理性因素，比選出最佳路基結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，包括XPS 板隔熱層路基、鋼纖維水泥混凝土路基、通風(fēng)管路基、熱棒路基等結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

1.2 低填淺挖路基設(shè)計

低填淺挖地段易出現(xiàn)凍脹、冰害、熱融下沉等問題，應(yīng)避免采用低填淺挖設(shè)計。在執(zhí)行公路路線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，即填土高度不超過50cm的路堤，或開挖深度不超過50cm的路塹。低填淺挖路基設(shè)計期間，要綜合考慮路段地區(qū)地質(zhì)、水文和多年凍土含冰量的具體情況，采用技術(shù)可行的設(shè)計方案，具體包括：

1.2.1 對厚度不大、埋藏較淺的高含冰量凍土層，采用全部換填設(shè)計，如圖1 所示，換填為水穩(wěn)定性好的滲水性土層，厚度不小于60cm，優(yōu)化設(shè)計基底邊坡防護(hù)和縱向排水方案，保證路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，避免出現(xiàn)邊坡滑塌。

圖1 全部換填斷結(jié)構(gòu)形式

1.2.2 對厚度較大、埋藏較深的高含冰量凍土層，采用部分換填設(shè)計，換填材料為粘性土、XPS 板隔熱層等，將換填區(qū)域轉(zhuǎn)換為水穩(wěn)定性較好的填筑路基。

1.2.3 對埋藏較淺的少含冰量土層，采用預(yù)融回填設(shè)計，大斷面開挖至設(shè)計深度，鋪設(shè)簡易路面，通車1～2 年，待凍土融化到預(yù)先設(shè)定的深度后，再確定設(shè)計標(biāo)高，回填路基，鋪設(shè)碾壓路面。

1.3 路塹設(shè)計

在路塹設(shè)計中，要重點解決開挖后高含冰量凍土暴露于地基的問題，可能會引起基底沉融、邊坡滑塌病害。路塹設(shè)計要確定斷面形式、換填隔熱厚度以及檢算邊坡地基穩(wěn)定性，以避免出現(xiàn)上述問題。其中，斷面形式可以采用以下設(shè)計方案：

1.3.1 一般斷面形式設(shè)計，在開挖斷面時留出超挖量，以保證季節(jié)最大融深在換填交界面上，如圖2 所示。在圖2 中，Δh表示坡頂折角處隔熱層加大值，hT表示隔熱層厚度。

圖2 開挖斷面示意圖

1.3.2 淺寬側(cè)溝斷面設(shè)計，將加筋復(fù)合防水土工膜鋪設(shè)在溝底，暢通側(cè)溝。在側(cè)溝上方設(shè)計平臺，在平臺配置坡腳干砌片石支垛，增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，便于水分排出。

2 路基地面排水與側(cè)向保護(hù)設(shè)計

2.1 邊溝設(shè)計

根據(jù)多年凍土地區(qū)路基邊坡高度、積水情況、地質(zhì)類型設(shè)計邊溝斷面形式，要求路線縱坡與邊溝溝底縱坡一致，應(yīng)超過0.3%。在邊溝結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對凍脹嚴(yán)重路堤或埡口路塹，采用“U”型預(yù)制拼裝邊溝，為防止邊溝水下滲，在邊溝底部設(shè)計防水加筋復(fù)合土工膜。土工膜采用寬淺形式，將土工膜設(shè)置在細(xì)砂礫層中間部位，細(xì)砂礫層厚為20cm。多年凍土地區(qū)路基邊溝設(shè)計避免采用土質(zhì)邊溝設(shè)計和剛性漿砌邊溝設(shè)計，前者易出現(xiàn)邊溝兩側(cè)坍塌，后者易出現(xiàn)邊溝開裂。

2.2 排水溝設(shè)計

路基排水溝設(shè)計采用三角形或梯形斷面，一般為寬淺形式，降低排水溝對凍土層帶來的熱干擾。如圖3，圖4 所示。在排水溝設(shè)計中，底寬大于60cm，深度小于40cm，選用泥炭作為排水溝邊坡材料，根據(jù)粘性土塑性指標(biāo)確定泥炭比重。在設(shè)計縱坡較大的排水溝時，要采用干砌片石加固，將防水土工布鋪設(shè)排水溝底部和兩側(cè)，延長排水溝使用壽命。

圖3 梯形邊溝示意圖

圖4 預(yù)制梯形邊溝示意圖

2.3 擋水埝設(shè)計

在挖方邊坡一側(cè)匯水面積大，或者路基一側(cè)相對較高時要進(jìn)行擋水埝設(shè)計，擋水埝設(shè)置在路基上方一側(cè)10m 之外的位置，避免水滲入路基。擋水埝的高大于80cm，頂寬大于100cm，外側(cè)坡率為1:1.5-1:2，內(nèi)側(cè)坡率為1:0.5-1:1。在多年凍土地區(qū)的山坡地段路基設(shè)計時，應(yīng)對排水設(shè)計采用防滲漏技術(shù)措施，同時適當(dāng)增大擋水埝的尺寸，并采用鋪砌加固技術(shù)措施；在路基兩側(cè)較為平坦且相對走低的地段設(shè)計大弧度連續(xù)擋水埝，順接排水溝，避免地面水侵蝕路基。

2.4 防水護(hù)道設(shè)計

防水護(hù)道設(shè)計條件為：在路基側(cè)沿坡腳積水無法順流到排水溝時應(yīng)設(shè)計防水護(hù)道，利用防水護(hù)道將積水?dāng)D到路基坡腳5m以外，避免路基側(cè)積水下滲；在路基經(jīng)過低凹地表時應(yīng)設(shè)計防水護(hù)道，避免低凹處積水，防水護(hù)道位于路基兩側(cè)，寬度為2～3m，高為0.8～1.5m，向外橫坡4%，如果該路段積水時間較長，則要將設(shè)計寬度增至5m 以上，設(shè)計高度應(yīng)高出積水位0.5m。

3 結(jié)論

本文主要論述了凍土多年地區(qū)的公路路基設(shè)計技術(shù)，針對不同的多年凍土地區(qū)地質(zhì)情況，提出了不同的路基設(shè)計方案以及地面排水與測向保護(hù)設(shè)計方案，能夠滿足多年凍土地區(qū)的特殊地基處理要求，大幅度減少因熱融沉降變形引起的路基病害，有助于進(jìn)一步提升特殊路段地基設(shè)計水平。