浅谈我国多年冻土地区路基设计方法

郑艳萍

【摘 要】我国的冻土面积较大，占国土面积的22.3%，为世界第三位，而高海拔多年冻土面积居世界之首。多年冻土地区地质环境很差，在公路工程施工中，容易使公路路基引起热融沉陷和冻胀翻浆等病害，严重损害道路的使用质量和服务年限。因此，本文调查研究多年冻土区的路基主要病害特征，确定多年冻土区公路路基的设计原则，在此基础上，提出多年冻土区公路的路基设计方法。为多年冻土地区的公路设计提供参考。

【关键词】冻土地区；病害特征；路基设计；

一 多年冻土地区路基主要病害特征

通过对多年冻土地区的公路路基病害进行实地调查、勘测、资料收集。研究发现，多年冻土地区的公路路基病害出现最大的沉降变形，这是由于多年冻土的融化使路基产生不均匀下沉引起的。另外，主要的路基病害还有横向倾斜变形、纵向裂缝与路基开裂、纵向凹陷与波浪沉陷等，在高含冰量冻土路段尤为严重。多年冻土地区路基路基变形的产生原因与当地地质构造及地温高低、含冰条件等方面是息息相关的。

通过对多年冻土地区公路路基病害进行深入调查研究发现，多年冻土地区的路基病害与路基的高度设计存在很大的关系。在上世纪八十年代，公路改造时，路基的平均高度比较低，还不到1米，路基病害主要以不均匀变形为主。然而，在九十年代进行重新治理时，将路基的平均高度提高到两米以上，使得沉降变形病害大大减少。但是由此引发了表现为纵向裂缝形式的高路基病害。在近年进行现场调查时发现公路的路基病害形式主要以高路基病害为主，主要表现为纵向裂缝与路肩开裂等特征。

二 多年冻土地区公路路基设计原则

由于多年冻土地区地质构造、气候环境较差，给公路的路基设计带来很大的难度。在对多年冻土地区的公路路基進行合理设计时，首先要明确多年冻土区公路路基的设计原则，只有在此基础上，才能提出合理的多年冻土区的公路路基设计方法。

对于多年冻土地区路基设计的原则.可主要概括为保护冻土和允许融化两种，在确定设计原则时，要根据路基下多年冻土的水热条件、生存状态和地质特征进行设计。多年冻土地区路基设计具体可分为以下几种：（1）保护冻土的原则，就是控制多年冻土上限不下降或略有上升（2）控制冻土融化速率的原则，就是保持多年冻土融化引起的路基沉陷不影响路面使用寿命和公路的服务质量：（3）预融的原则，即让多年冻土预先融化，一直达到某一允许深度，然后根据一般路基设计原则进行设计；（4）分季节处理冻土区的原则。

在公路沿线，其多年冻土区的分布地温较高，其中地温高于-1.5℃的面积超过总公路长度的一半，并且有很多地区的路基地温温度甚至超过-1℃，对于这些地区，由于持续的高温使得冻土正在逐渐融化，冻土特征较差。由于冻土的退化容易使地表不稳定，造成公路路基下沉变形以及其他病害的形成。因此，在进行多年冻土区公路路基设计时.必须注意根据冻土地温的不同而选择相应的路基设计原则，从而可有效建设路基病害的产生，大大提高公路的使用寿命和服务质量。对于公路的路基设计，上世纪七十年代末到九十年代初，主要遵循保护冻土的原则。在九十年代中期.研究人员根据公路冻土地温变化，提出了在低温冻土区的路基采用"保护冻土"的设计原则而高温冻土区的路基采用"控制冻土融化速率"的路基设计原则。

三 多年冻土地区公路路基设计方法分析

1 多年冻土地区路基合理高度设计

针对多年冻土地区公路路基合理高度的设计，通过全面调查研究1999年以来青藏公路的路基临界高度数据变化，研究表明，路基的临界高度与时间具有密切的联系。多年冻土区路基临界高度与时间的关系为：H=0.0542（t一1999）一1.1045h+4.7876（公式1）其中t为路基的设计年份，h为计算当年冻土的天然上限h=O.0232（t-1999）+2.01。根据公式1能够得出.若冻土的上限不变，则每年路基临界高度需要增加五厘米多，但这对于公路建设是不现实的。所以，在进行路基设计时，需要确定路基的合理高度，当路基高度超过这一值后，路基下冻土的最大相对融深则不会大于路基设计年限内的最大天然上限，否则会出现热融破坏。路基合理高度可表示为：H0=O.0542T-1.1045h0+4.7876（公式2）其中h0=0.0232（t一1999）+2.01，HO为路基的合理高度（米），T为道路的设计年限，hO为路基设计所在年份的天然上限（米）t为设计路基时的年份。

2 多年冻土地区路基横断面设计

2.1边坡设计

在多年冻土地区公路设计时，路堤或路堑的边坡坡度需要根据路基高度、水文、地质、土的物理力学性质力学分析等因素综合考虑。在一般的道路设计中，边坡坡度一般取1：1.5至1：1.75之间，但在富含冰冻土的多年冻土区修建路堤时，如果细粒土层中天然含水量较高，则往往将边坡坡度减小到1：1.5至1：2之间。

2.2防水护道设置

在公路的建设初期，主要采用直接回拢路基两侧表土的方式修筑路堤.并未进行防水护道的设置，该方法造成路基两侧植被破坏严重，坡脚周围积水严重.导致路基产生融沉、翻浆、纵向裂缝等病害。但后来加铺保温护道之后.大大改善了这一情况，有效保护了两侧植被环境而且避免了路基病害的形成对路基与周围环境的保护起到了很好的功效。通过研究发现.当路基坡脚的积水不能利用排水沟有效排出时.需要设置积水坑，或者采用修筑防水护道的方法使得积水能够流到路基坡脚的5～10米之外，有利于保护路基的稳定。对于地形比较平坦、积水较轻的路段，可以在路基两侧设计护坡道，其宽度一般情况下是2～3米.在积水时间较长路段宽度可增加到5米以上。对于护坡道高度的设计参数.一般情况下是0.8～1.5米，至少需要超出最高积水位0.5m，同时要设计向外坡度为4%的横坡，而在特殊路段.需要根据当地的地形与水文地质条件进行护坡道的设计。

三 多年冻土地区路基排设计

1边沟设计进

行边沟断面设计时，注意与当地的地形、水文地质、边坡高度及汇水状况等因素相结合，边沟底部纵坡要与路线的纵坡坡度相同.不应低于0.3%。关于边沟的结构形式，在冻土区冻胀较为严重的地段，可采用干砌边沟或者U型预制拼装边沟的形式.并且在下方需要在厚度为20厘米的细砂砾层之间设置防水层，断面选择宽浅的样式.从而可以有效减少冻土冻胀造成的边沟破坏.而且在一定程度上有利于减少路基病害的产生。

2排水沟设计

关于多年冻土地区路基排水沟的设计，通常采用梯形或者三角形横断面的形式，而且适宜选择宽浅的样式，从而有利于减少冻土对路基的热影响，提高路基的稳定性。排水沟的底部宽度设计时.不能低于O.6米.而且其深度不能超过O.4米。对于边沟坡度.应设计为较大的纵坡从而有利于路表水的排出，当土质为泥炭时选择1：0.5-1._1.对于粘性土或含有粘性土的粗粒土时则为1：1.5-1.而且需要在排水沟两侧进行加固，提高排水沟的结构稳定性。同时，排水沟的设计需要注意与附近桥涵或者天然河流相联系，从而有利于道路排水。

3截水沟设计

當公路沿线的地形一侧高程较大，或者山坡汇水面积较大的情况下.需要在路基的这一侧十米之外设置截水沟对于截水沟的宽度不能小于1米，高度最好超过0.8米，截水沟的内侧和外侧坡度通常分别设计为1：0.5～1：1和1：1.5～1：2。在路基两侧地形比较平坦，路线纵、横坡不大的路段.可设置大弧度的连续截水沟.并使截水沟与涵洞和排水沟相连接从而有效阻断路基以外的地表水侵蚀损毁公路路基。

四 结语本

本文全面调查研究了多年冻土区的路基主要病害特征。在此基础上，对多年冻土区的公路路基设计方法进行了研究，确定了路基设计原则。同时对多年冻土区路基合理高度设计、路基横断面结构设计以及路基排水设计等内容进行了全面系统分析，为多年冻土地区的公路设计提供合理依据。

参考文献：

[1] 李述训，程国栋编著.冻融土中的水热输运问题[M]. 兰州大学出版社， 1995

[2] 徐学祖，邓友生著.冻土中水分迁移的实验研究[M]. 科学出版社， 1991

[3] 中国科学院兰州冰川冻土研究所，青藏公路冻土路基研究组编.冻土路基工程[M]. 兰州大学出版社，1988