淺析高原高寒地區路基的結構設計方案

■熊志強 ■綿陽市川交公路規劃勘察設計有限公司，四川 綿陽 621000

公路是加快地區經濟發展的重要基礎設施，得到國家和地方政府的高度重視，建設高質量、高安全的公路交通網是造福人民群眾的大事，與此同時，道路安全同樣受到諸多因素的威脅，尤其在我國西部高海拔地區，由于受到特殊的地質、氣候影響，這些高海拔地區公路的設計和建設質量受到社會越來越廣泛的重視。

1 工程概況與路基病害現狀

1.1 工程概況

本文中的西藏G318(川藏)公路改擴建工程為左貢段路，位于西藏自治區昌都地區左貢縣境內，東起東達山西(K3575 +700)，西至田妥村(K3651 +330)，路線呈東南至西北走向，工程全長約74.059 公里。

項目區地處青藏高原橫斷山脈腹地，三江流域南部深切河谷高山區，是我國地質自然災害發育最嚴重的地區之一，公路海拔在3744m～4109m 之間，地形起伏大，谷嶺最大高差達1500～2500 米，地勢陡峻，巖石破碎，多發生輕微變質，氣質條件復雜;此外，項目區域氣候數半干旱氣候，極限溫差大，多年平均降水量介于430～470mm 之間，區域內降雨集中，季節性降水明顯，以暴雨為主，其中6～9月的降水量占全年降水總量的85%，，且該路段途徑多段河流和河谷(玉曲河)，河流兩岸局部分布河流階地，洪水期伴有強烈的側蝕作用，造成部分原有公路段下邊坡水毀嚴重。

1.2 病害現狀及問題分析

既有G318 線建成于上世紀50年代，受限于當時的設計水平和施工工藝，公路設計標準為三級，局部四級，路堤較低，路基穩定性差，路基防護主要以石籠丁壩、被動防護網為主，長期以來，受到使用壽命和自然環境腐蝕等因素影響，滑坡、崩塌、泥石流、水患、冰凍害災害頻發，危害程度高，造成川藏公路經常性斷通、行車安全事故高發，公路養護處于極為被動的處境。

由于工程路段地下水豐富，土層含水量大，冰凍期地下水在冰凍作用下向上遷移聚集，特別是遇到降水量大的年份，更容易使路基產生水分積累，造成嚴重的冬季凍脹、春季翻漿現象，對道路安全構成重大威脅。

2 路面材料的選擇

在高原高寒環境下，路面材料對公路病害的影響較大，一方面，路面材料在高海拔區域內，其受到低溫影響很容易出現開裂現象，另一方面，路面材料會直接對地基含水量構成影響，如果路表開裂已經形成，則情況將發生惡化。經過調查發現，在通車后的首個冬季，季節性凍土地區公路的平整度就會出現衰減，并且隨著時間的增長，縱向裂痕、橫向裂痕及其變形的病害就會加重，因此這些路面必須滿足不利時期路基路面不因凍脹而產生縫隙的要求。

瀝青路面是目前最常見的道路路面材料，也用于G318 路面改造工程中，根據《公路瀝青路面設計規范》，道路的凍害深度可以用以下公式計算:

其中，a 為路基路面材料的綜合熱物性系數，b 為路基的濕度系數，c 為斷面形式系數，b 和c 的數值可以查《公路工程抗凍設計與施工技術指南》獲得，路基填土與地基土的凍脹率可以按照以下公式計算:

其中，Rm為區域內近年來最大降雨量，λ 為土質系數，W(W0)為土層(起始)含水量。

瀝青混合料的設計包括集料種類、集料級配、瀝青類型等級、瀝青最佳使用量、混合料壓實度等方面的確定。高海拔、高寒地區為了提高路面高、低溫裂痕抵抗性，宜采用細型密級配瀝青混合料并減低設計孔隙率，減少配合比設計時的最大公稱粒徑相鄰的粗集料用量，適當加大級配中間粒徑集料用量，形成S 型級配曲線，在確定公路格結構層設計級配范圍的同時也要考慮各層的功能要求，滿足密水、抗滑、穩定等提高公路耐久性。

瀝青路面雖然在低溫時強度增大，但容易受到高原晝夜溫差大的影響而發生變形，使用松弛理論可以對瀝青混凝土面層的開裂低溫進行預測，預測過程中使用以下公式對溫降產生的應力進行計算:

其中:σx(t)為面層溫度從t0 降低至t 時，瀝青混凝土累計發生的溫度應力，α 為瀝青混凝土的平均溫度線收縮系數，Smax為瀝青混凝土在△t 溫變下的勁度模量。

因此，為了降低溫降應力產生的影響，路面材料可以使用MAMF 纖維+瀝青混合的組合設計。

3 適合高原的路基結構設計

除了路面材料會對高原地區道路的使用質量產生影響，路基的結構設計則是影響道路行駛安全和使用壽命的更為關鍵的因素。瀝青路面改變了路基下多年凍土的水熱條件，公路路基是否穩定要以路基底部的地溫變化，并結合工程地質條件來進行評價。G318 工程路段的地下與地表水發育、凍害期土層含冰量大、工程地質條件極差，因此，按照工程中不同路段的地質條件和水文條件，采用不同的路基設計原則，對保證公路路基的穩定性與設計的可靠性以及病害的防治與治理都具相當重要的意義。

3.1 路基填筑材料與路基高度

G318 路段多為三級公路，采用標準雙車道設計為主，因此路基寬度常采用7.5m 為宜，結合工程所在區域地質和氣候影響，路基填筑材料可使用砂礫和碎石，其穩定性能好，路基頂部的當量回彈模量應當能夠達到40MPa-55MPa。

在一些地下水位高的路段可以設置盲溝、滲溝等設施將水排出，經行車碾壓后再鋪設道路，在水文地質條件不良地段，路基的最小填土高度應結合路基土性質、土體干濕狀態、冰凍作用，并結合排水條件進行確定，路基高度不應小于路床干燥狀態下的臨界高度，當路基設計標高受限難以達到該最小填土高度時，應采取其他諸如隔離層、排水層等措施和方式以保證路基的穩定。

3.2 防止冰凍災害路段的路基設計

在高原地區，高寒地帶容易出現常年或季節性凍土區，凍土地區路基的穩定性較差，導致該情況的主要是由凍土的熱穩定性造成的，按照高原施工區域的年平均地溫T 對該區域的凍土特性進行劃分，T ＜-2.0℃的地區屬于穩定凍土區，-2.0℃＜T ＜-1.0℃的地區屬于基本穩定凍土區，-1.0℃＜T ＜-0.5℃的地區屬于高溫不穩定凍土區，-0.5℃＜T 的地區屬于高溫極不穩定凍土區。對于低溫穩定區、低溫基本穩定區及高溫不穩定區的路基施工可以按照保護凍土的原則進行路基設計，設置保溫護道，加強排水設計，例如本文中采用的“U 型”路基結構設計;對于高溫極不穩定區域以及個別難以合理處理的區域路基則一方面可以采用加強保溫、增加地中冷儲等措施，對路基的形變量進行控制，另一方面則可以采用本文介紹的熱棒降溫方式進行路基設計。

(1)“U 型”路基結構設計。為了防止G318 改擴建工程路段出現凍土等病凍災害，根據這些路段的特殊氣候和地質情況，本文在充分吸收和借鑒國內外研究成果的基礎上提出一種采用“U 型”路基結構，如圖所示，至上而下為:100cm 粗礫土(3%粉煤灰+50cm 砂礫層+150cm片石拋石層。

當外界溫度比路基內溫度低時，外界冷空氣進入路基內，路基內熱空氣上升，路基內形成對流，帶走多余熱量;當外界溫度比路基內溫度高時，路基內部空氣密度梯度較穩定，不產生對流，使路基下部凍土不會過快溶解，緩解了路基因溫度變化而造成的結構影響。

其中，50cm 砂礫層起過渡作用，且要求級配連續，填筑材料參考執行《公路路基設計規范》的相關要求分兩層填筑碾壓，每層厚度為25cm，壓實度要求執行《公路路基設計規范》的相關要求。

路基護坡陰陽兩面尺寸不同，設計采用陽面護坡寬度為100cm -160cm，陰面護坡寬度為60cm -100cm。在太陽輻射強烈條件下，在降溫層拋石護坡表面噴灑白色石灰水增大表面的反射率降溫效果會更好。

(2)碎石路基。普通壓實土體之間的傳熱方式是熱傳導，碎石路基存在多孔介質，易于空氣的自然對流，其傳熱方式將以對流為主。氣體流過碎石基面時，由于氣體和碎石表面溫差將產生熱量交換。因此，空氣的流動能夠將冷量帶入地基土體，維持碎石路基溫度場的低溫狀態。

碎石路基鋪設的路段、位置和高度會使導熱、對流換熱和自然對流三種機理產生不同強度的作用效果，因此碎石路基應根據施工區域和現場氣候情況進行具體設計，此外，碎石路基還未地下水外溢提供了通道，使得地下水和路基積水迅速排離路基，保持了路基的水穩定性。

3.3 防止地質災害路段的路基設計

(1)滑坡路段路基設計。在滑坡下部的路基宜采用路堤形式，在滑坡體上部的路基宜采用路塹形式。此外，防治滑坡必須注意加強排水，從路基設計的角度考慮，可以通過在路面設置環形截水溝、樹枝狀排水溝、整平夯填坡面、綠化坡面，在地下設置支撐滲溝、邊坡滲溝、截水滲溝的方式防止滑坡。

(2)路基漿砌片石護坡設計。路基防護與加固設施主要有邊坡坡面防護、沿河路堤河岸沖刷防護與加固。邊坡坡面防護主要是保護路基邊坡表面免受雨水沖刷，減緩溫差及溫度變化的影響，防止和延級軟弱巖土表面的風化、碎裂、剝蝕演變進程，從而保護路基邊坡的整體穩定性，在一定程度上還兼顧路基美化和協調自然環境。

漿砌片石護坡一般適用于易受水侵蝕的土質邊坡、嚴重剝落的軟質巖石邊坡、強風化或較破碎巖石邊坡、殘坡積較厚而松散的邊坡。漿砌片石護坡一般采用等截面，厚度一般采用大于20cm(25 -50cm 之間)，其砂漿強度一般為5 號或7.5 號。漿砌片石護坡一般可從第一臺一直做到頂部。分臺高度6 -10m，一般設8m，每一臺頂部設有2m 寬的碎落臺，并設有縱橫排水系統。根據坡面的坡度、殘坡積物的松散程度、巖體的風化和破碎程度、地表水和地下水的豐富程度，為了增強護坡的自身穩定性多采用肋式護坡。在地下水豐富位置還應設置長度10m，孔徑100mm 的疏干孔，并間隔20m 設置一道順坡向的急流槽。

4 結語

國道G318 改擴建工程是一項復雜的道路設計與施工工程，沿線受到惡劣氣候和地質條件的干擾影響大，一方面，氣候干旱，季節性降雨明顯，極限溫差大，另一方面，沿途水源豐富，且山體災害多發，對道路路基的穩定性產生了較大影響，本文主要通過介紹一些特殊路基設計以及路基設計中的重點，可以有效降低G318 公路受到冷凍、滑坡、雨刷的病害概率，提升公路的施工壽命和行車安全質量。

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［2］吳青柏，劉永智.瀝青路面下凍土熱穩定性和熱融敏感性的變化［J］.公路交通科技，2010，20(4):20 -22.

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