多年凍土路基設(shè)計(jì)方案研究

李任永

（唐山市曹妃甸區(qū)交通運(yùn)輸局，河北 唐山 063299）

1 工程概況

某公路工程與國(guó)道和省道相連，在整個(gè)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(tái)地及河谷、丘陵，地勢(shì)呈西高東低的走勢(shì)。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(guò)50°。沿線區(qū)域氣候特點(diǎn)為冬季時(shí)間較長(zhǎng)、溫度偏低，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，整個(gè)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(duì)多年凍土設(shè)計(jì)合理可行的方案，本文就此展開詳細(xì)分析。

2 多年凍土路基設(shè)計(jì)方案

2.1 多年凍土的分布情況

本工程中，公路沿線經(jīng)過(guò)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(gè)區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件變得非常復(fù)雜。由現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)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(yù)測(cè)凍土退化趨勢(shì)

本次公路修筑中，以現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)規(guī)劃，找出最佳的路基設(shè)計(jì)方案，確保工程建設(shè)順利完成。對(duì)公路沿線途徑的多年凍土區(qū)域的凍土退化趨勢(shì)準(zhǔn)備預(yù)測(cè)，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(yù)測(cè)時(shí)，可利用有限元分析軟件，對(duì)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(jì)算邊界條件，通過(guò)模擬計(jì)算，得出多年凍土的變化情況，為路基設(shè)計(jì)檔案提供指導(dǎo)。由相關(guān)計(jì)算結(jié)果可知（限于篇幅，計(jì)算過(guò)程省略），該公路沿線上所有的凍土都會(huì)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(shí)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?xí)S著溫度升高出現(xiàn)退化的現(xiàn)象，但卻無(wú)法在12年以內(nèi)完全退化[2]。

2.3 路基設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)方案。需要指出的是，在路基設(shè)計(jì)盡管遵循保護(hù)凍土的原則，但路基修筑過(guò)程中，無(wú)法避免對(duì)凍土層的擾動(dòng)。由于凍土受到外界因素的作用，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生破壞，很容易引起路基病害，當(dāng)多年凍土受到溫度變化的影響時(shí)，凍土可能會(huì)逐步融化，此時(shí)路基會(huì)發(fā)生沉降。所以在多年凍土路基方案設(shè)計(jì)前，應(yīng)明確設(shè)計(jì)要求，具體如下。

2.3.1 保護(hù)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(shí)，凍土區(qū)的自然環(huán)境受到熱能條件的影響會(huì)發(fā)生改變，凍土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平衡性會(huì)被打破，天然上限隨之發(fā)生改變，可對(duì)該上限做如下定義：人為上限。對(duì)路基設(shè)計(jì)時(shí)，保護(hù)凍土是采用工程技術(shù)措施，減少對(duì)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(shí)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(dòng)時(shí)，會(huì)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(guò)對(duì)凍土的融化速率加以控制，可以減輕對(duì)多年凍土區(qū)域內(nèi)路基下部?jī)鐾翆拥挠绊?。因此，在路基設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證凍土的凍融速率始終處于可控范圍。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，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(duì)較高，采用常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，很難使凍土的融化速度達(dá)到要求。此時(shí)可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)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(dǎo)熱棒路基、塊石路基或是遮陽(yáng)板路基。對(duì)于一些地質(zhì)災(zāi)害較為嚴(yán)重的凍土地區(qū)，常規(guī)調(diào)控方法無(wú)法解決融化速率問(wèn)題時(shí)，可將多種調(diào)控方案聯(lián)合使用，或是采用架設(shè)橋梁的方法予以處理。

2.3.3 不保護(hù)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?xí)掷m(xù)不斷出現(xiàn)退化的現(xiàn)象。在路基設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)此類凍土層可以不保護(hù)。修筑路基的過(guò)程中，利用工程技術(shù)措施，在零散凍土路段內(nèi)，設(shè)置緩沖過(guò)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(guò)對(duì)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(gè)相同的特點(diǎn)，即地溫較高。當(dāng)路基設(shè)計(jì)中，遇到融區(qū)和凍土島時(shí)，要對(duì)補(bǔ)給水的來(lái)源予以充分考慮，同時(shí)，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(dāng)路線從面積較小的凍土島穿過(guò)時(shí)，可對(duì)融化速率加以控制，并采取工程技術(shù)措施對(duì)凍土予以保護(hù)。同時(shí)，對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案綜合比選，從中選取最優(yōu)，確保路基項(xiàng)目建設(shè)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(diǎn)較多，但在多年凍土區(qū)域內(nèi)修筑公路時(shí)，若是使用瀝青混凝土路面，會(huì)因路面吸熱導(dǎo)致溫升過(guò)高，這部分熱量會(huì)通過(guò)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(huì)大幅度加快，隨著凍融循環(huán)，路基會(huì)形成工后沉降。為防止上述問(wèn)題的發(fā)生，在多年凍土區(qū)域內(nèi)開展路基設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取綜合措施保護(hù)凍土層，遵循預(yù)防為主、減少輻射、阻隔熱傳遞、主動(dòng)保護(hù)等原則，避免凍融循環(huán)。

2.4 設(shè)計(jì)方案

在公路工程項(xiàng)目建設(shè)前期，路基設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)增添一定的難度。具體設(shè)計(jì)時(shí)，除了要以現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)外，還要充分考慮凍土的病害機(jī)理，遵循預(yù)防為主、防治結(jié)合的原則，對(duì)多年凍土區(qū)域的路基修筑方案合理設(shè)計(jì)。

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(gè)部分組成，通常情況下，在夏季時(shí)，多年凍土的上層會(huì)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(guò)對(duì)多年凍土的不斷研究，現(xiàn)已基本掌握其性狀，工程設(shè)計(jì)人員對(duì)多年凍土的認(rèn)識(shí)也進(jìn)一步加深，借助相關(guān)的計(jì)算方法，能夠確定出多年凍土路基的高度。以往保護(hù)凍土最為簡(jiǎn)單的方法是在路基設(shè)計(jì)中采用填方路基，由于設(shè)計(jì)初期，并未充分考慮路基填筑高度對(duì)凍土所產(chǎn)生的影響，使得設(shè)計(jì)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(duì)凍土加以保護(hù)，導(dǎo)致大量的凍土層遭到嚴(yán)重破壞?；诖?，要對(duì)多年凍土路基設(shè)計(jì)加以完善，確保設(shè)計(jì)出來(lái)的路基高度合理可行，達(dá)到保護(hù)凍土的目的[3]。多年凍土區(qū)域的路基臨界高度可以通過(guò)相關(guān)的公式計(jì)算得出。為避免路基在凍土融沉的過(guò)程中出現(xiàn)破壞的情況，必須使設(shè)計(jì)的路基高度合理，保證最大融沉深度在設(shè)計(jì)使用年限的最大天然上限以內(nèi)。需要著重闡明的一點(diǎn)是，多年凍土路基設(shè)計(jì)的合理高度，是在綜合考慮多方面因素的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)出來(lái)的路基高度能夠滿足實(shí)際需求。對(duì)于高溫凍土區(qū)，在路基高度設(shè)計(jì)時(shí)，必須采取有效的防護(hù)措施，降低病害的發(fā)生概率[9]。

2.4.2 邊坡設(shè)計(jì)

邊坡作為公路的重要組成部分之一，是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。公路邊皮設(shè)計(jì)中，對(duì)坡度確定時(shí)，需要對(duì)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(duì)路基修筑時(shí)，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(huì)對(duì)路基內(nèi)的多年凍土溫度場(chǎng)產(chǎn)生直接影響，故此，在對(duì)路基邊坡坡度設(shè)計(jì)時(shí)，可將水文地質(zhì)和地形地貌作為重點(diǎn)考慮因素，并從技術(shù)適用性和經(jīng)濟(jì)合理性兩個(gè)方面，對(duì)坡度加以確定，使設(shè)計(jì)出來(lái)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(shè)計(jì)

多年凍土路基排水設(shè)計(jì)中，要對(duì)排水設(shè)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(zhǎng)公路使用壽命。為使路基排水能夠保持暢通，在防排水設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)，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(shè)計(jì)邊溝時(shí)，要讓其地面坡度達(dá)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(yán)重，則可將邊溝設(shè)計(jì)為U形，在工廠預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)拼裝，并在邊溝的基底鋪設(shè)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(shè)計(jì)多年凍土區(qū)域內(nèi)的道路排水溝時(shí)，可將普通道路的排水溝設(shè)計(jì)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(guò)程對(duì)多年凍土造成擾動(dòng)，排水溝的斷面形式應(yīng)橫向較寬、縱向較淺，并依據(jù)實(shí)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(shè)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(wú)法連接的情況下，可挖設(shè)集水坑。

（3）截水溝。在多年凍土區(qū)的路基排水設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)不同，截水溝必須達(dá)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(duì)比較松散，透水性好，容易使流水滲入路基，進(jìn)而引起凍脹，造成路基結(jié)構(gòu)層損壞，嚴(yán)重時(shí)可能還會(huì)導(dǎo)致邊坡坡體滑塌。為此，在凍土路基截水溝設(shè)計(jì)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(shì)上，設(shè)置截水溝時(shí)，可以選用大弧度的截水溝，并按照地勢(shì)走向?qū)厮疁系目v坡進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(yǔ)

本次公路修筑中，以現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)規(guī)劃，找出最佳的路基設(shè)計(jì)方案，確保工程建設(shè)順利完成。多年凍土區(qū)域的路基臨界高度可以通過(guò)相關(guān)的公式計(jì)算得出。為避免路基在凍土融沉的過(guò)程中出現(xiàn)破壞的情況，必須使設(shè)計(jì)的路基高度合理，保證最大融沉深度在設(shè)計(jì)使用年限的最大天然上限以內(nèi)。需要著重闡明的一點(diǎn)是，多年凍土路基設(shè)計(jì)的合理高度，是在綜合考慮多方面因素的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)出來(lái)的路基高度能夠滿足實(shí)際需求[11]。對(duì)于高溫凍土區(qū)，在路基高度設(shè)計(jì)時(shí)，必須采取有效的防護(hù)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(shí)，為最大限度減輕凍土層對(duì)路基的影響，應(yīng)設(shè)計(jì)出合理可行的方案，并采取有效的排水設(shè)施，確保排水暢通，延長(zhǎng)公路的使用壽命。未來(lái)，應(yīng)加大多年凍土路基設(shè)計(jì)方面的研究力度，逐步提高設(shè)計(jì)水平，使設(shè)計(jì)出的方案，滿足公路路基建設(shè)需要[12]。