淺談我國多年凍土地區路基設計方法

鄭艷萍

【摘 要】我國的凍土面積較大，占國土面積的22.3%，為世界第三位，而高海拔多年凍土面積居世界之首。多年凍土地區地質環境很差，在公路工程施工中，容易使公路路基引起熱融沉陷和凍脹翻漿等病害，嚴重損害道路的使用質量和服務年限。因此，本文調查研究多年凍土區的路基主要病害特征，確定多年凍土區公路路基的設計原則，在此基礎上，提出多年凍土區公路的路基設計方法。為多年凍土地區的公路設計提供參考。

【關鍵詞】凍土地區；病害特征；路基設計；

一 多年凍土地區路基主要病害特征

通過對多年凍土地區的公路路基病害進行實地調查、勘測、資料收集。研究發現，多年凍土地區的公路路基病害出現最大的沉降變形，這是由于多年凍土的融化使路基產生不均勻下沉引起的。另外，主要的路基病害還有橫向傾斜變形、縱向裂縫與路基開裂、縱向凹陷與波浪沉陷等，在高含冰量凍土路段尤為嚴重。多年凍土地區路基路基變形的產生原因與當地地質構造及地溫高低、含冰條件等方面是息息相關的。

通過對多年凍土地區公路路基病害進行深入調查研究發現，多年凍土地區的路基病害與路基的高度設計存在很大的關系。在上世紀八十年代，公路改造時，路基的平均高度比較低，還不到1米，路基病害主要以不均勻變形為主。然而，在九十年代進行重新治理時，將路基的平均高度提高到兩米以上，使得沉降變形病害大大減少。但是由此引發了表現為縱向裂縫形式的高路基病害。在近年進行現場調查時發現公路的路基病害形式主要以高路基病害為主，主要表現為縱向裂縫與路肩開裂等特征。

二 多年凍土地區公路路基設計原則

由于多年凍土地區地質構造、氣候環境較差，給公路的路基設計帶來很大的難度。在對多年凍土地區的公路路基進行合理設計時，首先要明確多年凍土區公路路基的設計原則，只有在此基礎上，才能提出合理的多年凍土區的公路路基設計方法。

對于多年凍土地區路基設計的原則.可主要概括為保護凍土和允許融化兩種，在確定設計原則時，要根據路基下多年凍土的水熱條件、生存狀態和地質特征進行設計。多年凍土地區路基設計具體可分為以下幾種：（1）保護凍土的原則，就是控制多年凍土上限不下降或略有上升（2）控制凍土融化速率的原則，就是保持多年凍土融化引起的路基沉陷不影響路面使用壽命和公路的服務質量：（3）預融的原則，即讓多年凍土預先融化，一直達到某一允許深度，然后根據一般路基設計原則進行設計；（4）分季節處理凍土區的原則。

在公路沿線，其多年凍土區的分布地溫較高，其中地溫高于-1.5℃的面積超過總公路長度的一半，并且有很多地區的路基地溫溫度甚至超過-1℃，對于這些地區，由于持續的高溫使得凍土正在逐漸融化，凍土特征較差。由于凍土的退化容易使地表不穩定，造成公路路基下沉變形以及其他病害的形成。因此，在進行多年凍土區公路路基設計時.必須注意根據凍土地溫的不同而選擇相應的路基設計原則，從而可有效建設路基病害的產生，大大提高公路的使用壽命和服務質量。對于公路的路基設計，上世紀七十年代末到九十年代初，主要遵循保護凍土的原則。在九十年代中期.研究人員根據公路凍土地溫變化，提出了在低溫凍土區的路基采用"保護凍土"的設計原則而高溫凍土區的路基采用"控制凍土融化速率"的路基設計原則。

三 多年凍土地區公路路基設計方法分析

1 多年凍土地區路基合理高度設計

針對多年凍土地區公路路基合理高度的設計，通過全面調查研究1999年以來青藏公路的路基臨界高度數據變化，研究表明，路基的臨界高度與時間具有密切的聯系。多年凍土區路基臨界高度與時間的關系為：H=0.0542（t一1999）一1.1045h+4.7876（公式1）其中t為路基的設計年份，h為計算當年凍土的天然上限h=O.0232（t-1999）+2.01。根據公式1能夠得出.若凍土的上限不變，則每年路基臨界高度需要增加五厘米多，但這對于公路建設是不現實的。所以，在進行路基設計時，需要確定路基的合理高度，當路基高度超過這一值后，路基下凍土的最大相對融深則不會大于路基設計年限內的最大天然上限，否則會出現熱融破壞。路基合理高度可表示為：H0=O.0542T-1.1045h0+4.7876（公式2）其中h0=0.0232（t一1999）+2.01，HO為路基的合理高度（米），T為道路的設計年限，hO為路基設計所在年份的天然上限（米）t為設計路基時的年份。

2 多年凍土地區路基橫斷面設計

2.1邊坡設計

在多年凍土地區公路設計時，路堤或路塹的邊坡坡度需要根據路基高度、水文、地質、土的物理力學性質力學分析等因素綜合考慮。在一般的道路設計中，邊坡坡度一般取1：1.5至1：1.75之間，但在富含冰凍土的多年凍土區修建路堤時，如果細粒土層中天然含水量較高，則往往將邊坡坡度減小到1：1.5至1：2之間。

2.2防水護道設置

在公路的建設初期，主要采用直接回攏路基兩側表土的方式修筑路堤.并未進行防水護道的設置，該方法造成路基兩側植被破壞嚴重，坡腳周圍積水嚴重.導致路基產生融沉、翻漿、縱向裂縫等病害。但后來加鋪保溫護道之后.大大改善了這一情況，有效保護了兩側植被環境而且避免了路基病害的形成對路基與周圍環境的保護起到了很好的功效。通過研究發現.當路基坡腳的積水不能利用排水溝有效排出時.需要設置積水坑，或者采用修筑防水護道的方法使得積水能夠流到路基坡腳的5～10米之外，有利于保護路基的穩定。對于地形比較平坦、積水較輕的路段，可以在路基兩側設計護坡道，其寬度一般情況下是2～3米.在積水時間較長路段寬度可增加到5米以上。對于護坡道高度的設計參數.一般情況下是0.8～1.5米，至少需要超出最高積水位0.5m，同時要設計向外坡度為4%的橫坡，而在特殊路段.需要根據當地的地形與水文地質條件進行護坡道的設計。

三 多年凍土地區路基排設計

1邊溝設計進

行邊溝斷面設計時，注意與當地的地形、水文地質、邊坡高度及匯水狀況等因素相結合，邊溝底部縱坡要與路線的縱坡坡度相同.不應低于0.3%。關于邊溝的結構形式，在凍土區凍脹較為嚴重的地段，可采用干砌邊溝或者U型預制拼裝邊溝的形式.并且在下方需要在厚度為20厘米的細砂礫層之間設置防水層，斷面選擇寬淺的樣式.從而可以有效減少凍土凍脹造成的邊溝破壞.而且在一定程度上有利于減少路基病害的產生。

2排水溝設計

關于多年凍土地區路基排水溝的設計，通常采用梯形或者三角形橫斷面的形式，而且適宜選擇寬淺的樣式，從而有利于減少凍土對路基的熱影響，提高路基的穩定性。排水溝的底部寬度設計時.不能低于O.6米.而且其深度不能超過O.4米。對于邊溝坡度.應設計為較大的縱坡從而有利于路表水的排出，當土質為泥炭時選擇1：0.5-1._1.對于粘性土或含有粘性土的粗粒土時則為1：1.5-1.而且需要在排水溝兩側進行加固，提高排水溝的結構穩定性。同時，排水溝的設計需要注意與附近橋涵或者天然河流相聯系，從而有利于道路排水。

3截水溝設計

當公路沿線的地形一側高程較大，或者山坡匯水面積較大的情況下.需要在路基的這一側十米之外設置截水溝對于截水溝的寬度不能小于1米，高度最好超過0.8米，截水溝的內側和外側坡度通常分別設計為1：0.5～1：1和1：1.5～1：2。在路基兩側地形比較平坦，路線縱、橫坡不大的路段.可設置大弧度的連續截水溝.并使截水溝與涵洞和排水溝相連接從而有效阻斷路基以外的地表水侵蝕損毀公路路基。

四 結語本

本文全面調查研究了多年凍土區的路基主要病害特征。在此基礎上，對多年凍土區的公路路基設計方法進行了研究，確定了路基設計原則。同時對多年凍土區路基合理高度設計、路基橫斷面結構設計以及路基排水設計等內容進行了全面系統分析，為多年凍土地區的公路設計提供合理依據。

參考文獻：

[1] 李述訓，程國棟編著.凍融土中的水熱輸運問題[M]. 蘭州大學出版社， 1995

[2] 徐學祖，鄧友生著.凍土中水分遷移的實驗研究[M]. 科學出版社， 1991

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