凍土地區公路路基設計原則及應用

高天雨，王 琪

(1.國家林業和草原局大興安嶺勘察設計院，黑龍江 加格達奇 165000;2.浙江廣廈建設職業技術學院,浙江 322100)

多年凍土自身物理力學性質較為特殊，但能和自身所在自然環境良好適應。若工程采用多年凍土作為地基，一般會使凍土所處條件發生變化，導致地基狀態改變，進而對公路造成不利影響。基于此，若必須在凍土地區開展公路建設，應在確定地基類型和實際狀態的基礎上，確定相應的設計原則，以此將凍土地區可能造成的不利影響降至最低。

1 現狀分析

在多年凍土地區中，若為工業或民用建筑，則屬于地基設計，而若為公路工程，則屬于路基設計。過去的路基設計原則主要考慮多年凍土基本性質與具有的特征，很少對公路具有的特性予以考慮，但事實上多年凍土會對路基設計及其使用造成很大影響，帶來很多不利影響。

對于房建工程，其地基范圍比較有限，相比于公路，可看成點狀，在工程地基范圍內，凍土類型與性質沒有太大變化。基于此，對建筑地基而言，可以有明確且相對固定的設計原則是；但在路基工程中，由于公路屬于線狀構筑物，需從不同的地貌單元當中穿過，工程的建設環境及凍土條件都有明顯差異，采用一個設計原則無法為整個工程建設提供指導。此外，如果為了滿足沿線范圍內凍土條件發生的變化，將設計原則劃分的很細，或頻繁改變，將導致設計原則無法使用或產生混亂。這導致很多工程為了避免頻繁的變化，若只采用一種原則來設計，這一原則大多是保護性原則，使沿線范圍內的路基明顯增高。因設計沒有足夠的針對性，會使工程投資顯著增加，并給還會導致很多類型病害的產生。基于此，必須制定與公路工程建設相關要求良好適應的設計原則。

2 設計原則與應用

2.1 路基區段設計原則

該設計原則主要適合新建工程的可研與初步設計，或改建工程的路基設計，可細分成嚴格保護、一般保護與不保護三種。該設計原則的劃分依據是不同區域的自然條件，包括地質地貌、年均氣溫、年均地溫、天然上限溫度。對于改建工程，還需要充分考慮上限深度，不同因素可能對多年凍土造成的影響為：

(1)對于地質構造單元，它是形成區域地形地貌重要基礎。如果構造隆起，將形成山嶺或者是高平原；而如果斷塊沉降，將形成斷陷或者是盆地。地熱異常帶在構造帶的作用下形成，而地熱異常帶將導致多年凍土區產生融區。

(2)對于地貌單元，它在很大程度上決定了區域內松散性堆積物主要產生原因、粒徑大小和厚度，對水文地質條件有很大影響，同時也會對多年凍土實際存在條件造成影響。當地貌單元完全相同時，其多年凍土條件也十分相近或基本相同。

(3)對于年均氣溫，它是多年凍土能否存在和保持穩定的主要條件。只有在年均氣溫降至一定程度后，才能有多年凍土產生與保存。當氣溫較低時，多年凍土更穩定，厚度更大。當氣溫條件一致時，凍土存在條件可能十分相近或相同。但氣溫通常都具有一定分帶性，受海拔高度等因素的影響和控制，表現出明顯的垂直分帶特性。

(4)對于年均地溫，它能反映出凍土層實際熱量情況，是對凍土層是否穩定進行評價的重要技術指標，同時在凍土分類過程中也是一項重要指標。與年均氣溫相同，年均地溫同樣具有分帶性，但不同的是年均地溫表現為平面分帶。

(5)對于上限深度，其中，上限是指多年凍土層的上界面，天然條件下產生的上界面是天然上限，會受到人為因素的作用和影響的則屬于人為上限，而上界面和地表之間的垂直方向距離即為上限深度。對天然上限深度與其變化而言，能反映出自然環境可能對多年凍土造成的影響及凍土自身穩定度。近幾年，環境氣溫不斷變暖，使多年凍土逐漸退化，凍土的天然上限開始下降。凍土的人為上限與其變化能反映出人為活動可能對凍土造成的影響，而人為上限深度能反映出多年凍土可能對工程造成的影響，當深度較小時，說明影響較大，而當深度較大時，說明影響較小。上限深度和年均地溫相同，也具有平面分帶特性，能直接反映出工程受凍土的影響，是對設計原則進行劃分時的一個重要指標，在過去則是一個沒有考慮的因素。

2.2 路基場地設計原則

該設計原則適合新建公路工程的施工圖設計與改建公路工程的重點路段設計，以及病害情況較為嚴重的改建設計，可分成嚴格保護、一般保護與不保護。該設計原則需將區段設計原則作為基礎，根據工程結構特點和多年凍土具有的特性來確定。在對這項原則進行劃分時，需對一下因素進行充分考慮。

(1)工程的類型：工程在類型上存在的差別使凍土地基自身熱狀態有所不同，不同工程結構的允許地基變形也不盡相同。路堤和通道與涵洞相比，具備一定蓄熱能力，但通道與涵洞具備通風散熱的特點。在同一段路堤上，當路面類型不同時，其熱參數將存在明顯差異，比如顏色較深的面層比顏色較淺的更吸熱。另外，不同的路基斷面形式也會對凍土路基造成不同的影響，一般是路塹對凍土路基的影響大于零填段，而零填段對凍土路基的影響大于路堤。

(2)凍土中含冰量：這是影響凍土自身熱穩定性與融沉變形性主要因素。在年均地溫完全相同的情況下，當凍土含冰量較高時，其熱穩定性良好，但融沉變形性完全則完全相反，當含冰量較高時，融化壓縮變形增加。另外，凍土含冰量還是導致地基產生不均勻沉陷現象的重要原因之一，是進行原則劃分主要指標。

(3)地基土類：這不僅會對凍土中含冰量造成影響，而且還影響到地基的整體強度與變形。由于土類在分布上存在很大變化，所以不建議在區段劃分中使用，但在對場地設計原則進行劃分的過程中必須充分考慮。

(4)上限深度：它除了能反映出凍土是否穩定，還和工程有著緊密的關聯。這里的上限深度和之前在區段設計原則中考慮的主要區別為：區段設計原則將區域中的總體趨勢作為核心，但此處是將建筑或構筑物以下的深度作為基準。對于新建工程，需將天然上限作為依據，而對于改建工程，需要對天然與人為上限進行綜合考慮。

3 結 語

綜上所述，對于公路等呈線形分布的建筑，在制定多年凍土區中路基的設計原則時，應注意不可完全照搬工業和民用建筑的多年凍土地區地基設計基本原則。對處在多年凍土地區中的線形建筑進行設計原則的制定過程中，應充分體現出從宏觀到具體的整個過程，根據公路這種呈線形分布的建筑，建議采用區段與場地兩種設計原則，以此與工程的各項特征相適應。青藏公路中多年凍土地區的路基設計原則采用的就是區段設計原則，經實踐驗證這一設計原則符合工程的實際情況，能為其它處在多年凍土地區中的公路工程提供參考借鑒。