關于高原凍土地區公路路基設計探討

羅加將 包 祎

（四川省林業勘察設計研究院， 成都 610000）

0 前言

我國地域廣闊，有許多高海拔寒冷地區。這些區域廣泛分布著常年凍土與季節凍土，地質、地形情況相較于一般海拔地區更加復雜。隨著國家交通基建設施的發展，路網結構逐步趨于健全，許多高等級的公路項目開始涌現在高海拔區域。在高原區域建造公路經常遇到常年凍土與季節凍土的地形、地質條件，盡管我國針對高原區域建設基礎設施具有豐富的經驗及方法，但有關凍土的科研項目及技術成果尚未達到成熟，客觀上要求在提煉與總結現有項目經驗的前提下，為高原凍土公路建設提供支撐。

1 高原凍土地區公路病害特點介紹

（1）翻漿：高原環境下，土體在凍結時集中了大量水分，在土質條不良的環境下，到了春暖化凍時水分無法及時排除，進而導致土基軟弱、強度降低，土體的物理性質與力學性質均受到巨大影響。在路表車輛荷載影響下，路表極易出現鼓包、車轍以及冒漿等質量病害，這些均是常見的翻漿情況，這類病害已在許多高原公路中出現。

（2）寒凍裂痕：寒凍裂痕的出現是因為土體局域不均衡的凍脹促使路基出現橫向扭曲，或是由于冬季溫度急劇改變，造成土體不均衡收縮進而橫向扭曲，造成路基與路面產生局域不均衡與不平整[1]。盡管在春天回溫時該種橫向扭曲將獲得釋放，但多次的凍融循環影響會直接損壞路基穩固性，而且在外部車輛荷載影響下出現震動，引發路基坍塌與滑坡。

（3）融沉：高原常年凍土區域，因為地底冰層埋藏很淺，在施工與運營階段由于各種因素轉變了路基基礎的自然結構以及物理狀態，導致常年凍土出現局域融化。頂部土層在自重及外部荷載影響下出現沉降，進而引起路基變形。典型的路基融沉包括緩慢沉落型與極具沉落型[2]。前者出現在富含和飽含冰層的常年凍土地方，所以施工與運營對該地區的干擾比較緩慢；后者出現在厚層的地底冰地段，因為外部因素的影響促使厚層冰段融化而導致大范圍融化。融沉的常見特點在于路基沉降，向陽一邊路肩與邊坡出現開裂、下滑與滑塌。融沉問題主要出現在低路基路段。

（4）冰害：高原動土地方還會產生典型的冰丘、冰椎以及流冰等病害。地下水在冬天出現凍結，而且受到常年凍土和凍結地表的阻隔影響，在頂層覆土弱化地區由于凍脹效應導致路表鼓起，產生冰丘。這類病害在春天回暖時將會消失，但由于凍融循環極易出現開裂。

（5）凍脹：高原區域的常見特征是土層內的水分與負溫度下出現結晶，產生多種多樣的冰體傾到土體內，直接造成土體積加大，進而導致路面出現開裂，這由凍脹力與凍結率的作用形成。

2 高原凍土條件下公路路基設計方法

（1）整體設計措施

高原凍土區域凍土特點不同，其設計原則及方法也有差異。針對常年凍土下限在4米之內的地段，能夠采用融化原則來清理常年凍土層，填充砂礫及碎石等粗顆粒填料加以整治。針對常年凍土下限在4米之上的地段，通常需要管理融化速度，采用主動冷卻（熱棒、通風管等）與被動保護（隔熱層等）的方法來保證動土路基的穩固。

（2）特殊地段的規劃和建設處理

高原動土條件下路基修建，既遇到凍土基礎，還存在各種復雜的路基施工環境，像水草沼澤路基、湖塘路基以及冰雪害路基等。要求根據動土基礎以及獨特路基的特征，采取針對性設計及規劃措施。

1）水草沼澤路基。凍土環境不一樣，水草沼澤路基存在不同的設計及施工策略。針對季節性凍土路基，要對水草沼澤路基做好清淤排水與疏干處置，再填筑路基，采用砂礫石換填；針對少冰與多冰地段，在清理地基地與疏干的狀態下，應當采取高強度塊石來換填，且同時鋪筑土工格柵以提高路基穩定性；針對高寒冰地段，可不清除，直接把片狀塊石鋪筑地面，采取重型壓路機壓實。

2）湖塘路基。高原凍土退化區域極易出現湖塘路基路段。針對湖塘路基，應先清理淤泥，并采取砂礫和片石填筑至水面高層之上30～50厘米，在片石上填筑30厘米的砂礫，沖擊壓實后再根據常規的路基來填筑。

3）冰雪害路基。高原區域冬季負溫持續周期很長，冰雪害天氣很多，且降雪量多，促使降雪難以融化而出現路表冰雪災害，危害路表行車安全。所以，對于冰雪害路基路段，應考慮車輛的防滑性能，采用放緩路線縱坡等方式增強路表的防滑性，配置適當的除雪除冰設備，為公路的正常運行提供保障。

3 高原凍土環境下路基動態控制策略

（1）保證凍土環境的平衡性。凍土環境通過常年的自然選擇產生，在道路建設環節要盡可能防止干擾與損壞原本凍土環境，盡可能不改變或是少變動凍土環境，滿足公路設計應用時間的要求。主動冷卻采用熱棒、遮陽棚、通風管等方法保持凍土環境的平衡，公路路基中多采用通風管技術，通風管采用預制鋼筋混凝土管，管徑0.4～0.7m，壁厚50mm～80mm，通風管的長徑比應不小于50，強度等級不低于C30；通風管埋設位置應避開路基坡腳靜風區，埋設深度應大于3～5倍管徑，大管徑取小值，小管徑取大值，鋪筑在距地面以上0.5m～1.0m，兩端伸出路基邊坡長度大于0.2m～0.4m（圖1）。

圖1 通風管埋設位置圖及照片

（2）提升路基的規劃高度，并減小垂直地溫梯度，盡可能采取路堤的方式，在不損壞地面的基礎上，盡量保持原本的凍土水熱均衡，而采取路塹的路基形式，極易挖掉季節凍融層，進而損壞原本的凍土層結構，導致凍土融化造成邊坡失衡、路表融沉等問題[3]。除采取路堤方式外，還應當處理好基地，盡可能保留基底與路基兩邊的地面植物。另外，路基的規劃高度要以下降垂直熱流到接近熱均衡為原則，促使凍土上限深度能夠達到可以融化的最高深度，這一最高深度通常需要結合實測信息展開熱學計算。

（3）放緩邊坡或建立增寬增高的護坡道。在路基一側或兩側堆填碎石或片石，形成護坡或護道。碎石（片石）護坡空隙內的空氣在一定溫度梯度的作用下產生對流，寒季碎石（片石）內空氣對流換熱作用強烈，有利于地層散熱，暖季碎石（片石）內空氣對流作用減弱，對熱量的傳入產生屏蔽作用，從而增強了地層寒 季的散熱，減少了暖季的熱傳，達到了降低地溫、保護凍土的效果。實測證明：厚度1.0～1.5m碎石（片石）護坡和具有很好的降溫效果（圖2）。通過改變路基陰陽坡面上的護坡厚度，陽坡厚度1.6m，陰坡厚度0.8m，可調節路基基底氣溫場的不均衡性。

圖2 護坡護道示意簡圖

（4）隔溫。隔溫指經過增大熱阻以減小季節融化層的凍結厚度，進而達到預防凍害的目的。一般作為永久性的隔熱材料，要求具有耐久性，吸水性小及不易變質的特性。當隔熱材料承受荷載作用時，還要求隔熱材料不產生大的變形并具有足夠的抗壓強度。一般來說，隔熱效果好的材料其抗壓強度小，隔熱材料受潮濕后隔熱效果及強度均會下降，凍土路基工程中采用的保溫材料主要有當地的草皮、泥炭、粘性土等天然材料，以及硅藻土磚、石棉板、草袋和泡沫混凝土等預制材料。天然材料盡管造價低，但是保溫效果差，在對保溫效果要求的較高環境中無法采用，泥炭、苔蘚、聚苯乙烯（EPS）板（圖3）、聚氨酯板等隔熱材料的使用，可減少路基土回填量。

隔熱層的厚度或埋設的深度取決于當地的氣候條件及保溫隔熱材料本身的性能等諸多因素，隔熱層的厚度可根據路基填土的性質及厚度按下式計算：

式中：Z1為從路床頂面起隔熱材料的埋深，cm；

Z為無隔熱材料時的 凍結深度，cm；

λ1、λ2分別為隔熱材料與土的導熱系數，kcal/m.h.℃；

C1、C2分別為隔熱材料與土的比熱，kcal/kg.℃。

圖3 隔熱板現場施工圖片

4 結束語

伴隨國家交通運輸行業的飛速發展，要求在逐漸繁瑣的條件下一直健全現存的道路結構。高原凍土情況是道路路基規劃和建設的重要問題。唯有理解與把握凍土現象，方可保障路基規劃的安全性與長期性能。文章介紹了高原凍土區域的常見病害特征，及其病害形成的原因與影響，進而對高原凍土區域的公路路基，制定了設計原則與針對各種凍土特點的設計措施。最后歸納了高原凍土區域預防路基凍害的方法與技術重點，用來保障高原凍土條件下公路路基的設計和建造。