浅析高原高寒地区路基的结构设计方案

■熊志强 ■绵阳市川交公路规划勘察设计有限公司，四川 绵阳 621000

公路是加快地区经济发展的重要基础设施，得到国家和地方政府的高度重视，建设高质量、高安全的公路交通网是造福人民群众的大事，与此同时，道路安全同样受到诸多因素的威胁，尤其在我国西部高海拔地区，由于受到特殊的地质、气候影响，这些高海拔地区公路的设计和建设质量受到社会越来越广泛的重视。

1 工程概况与路基病害现状

1.1 工程概况

本文中的西藏G318(川藏)公路改扩建工程为左贡段路，位于西藏自治区昌都地区左贡县境内，东起东达山西(K3575 +700)，西至田妥村(K3651 +330)，路线呈东南至西北走向，工程全长约74.059 公里。

项目区地处青藏高原横断山脉腹地，三江流域南部深切河谷高山区，是我国地质自然灾害发育最严重的地区之一，公路海拔在3744m～4109m 之间，地形起伏大，谷岭最大高差达1500～2500 米，地势陡峻，岩石破碎，多发生轻微变质，气质条件复杂;此外，项目区域气候数半干旱气候，极限温差大，多年平均降水量介于430～470mm 之间，区域内降雨集中，季节性降水明显，以暴雨为主，其中6～9月的降水量占全年降水总量的85%，，且该路段途径多段河流和河谷(玉曲河)，河流两岸局部分布河流阶地，洪水期伴有强烈的侧蚀作用，造成部分原有公路段下边坡水毁严重。

1.2 病害现状及问题分析

既有G318 线建成于上世纪50年代，受限于当时的设计水平和施工工艺，公路设计标准为三级，局部四级，路堤较低，路基稳定性差，路基防护主要以石笼丁坝、被动防护网为主，长期以来，受到使用寿命和自然环境腐蚀等因素影响，滑坡、崩塌、泥石流、水患、冰冻害灾害频发，危害程度高，造成川藏公路经常性断通、行车安全事故高发，公路养护处于极为被动的处境。

由于工程路段地下水丰富，土层含水量大，冰冻期地下水在冰冻作用下向上迁移聚集，特别是遇到降水量大的年份，更容易使路基产生水分积累，造成严重的冬季冻胀、春季翻浆现象，对道路安全构成重大威胁。

2 路面材料的选择

在高原高寒环境下，路面材料对公路病害的影响较大，一方面，路面材料在高海拔区域内，其受到低温影响很容易出现开裂现象，另一方面，路面材料会直接对地基含水量构成影响，如果路表开裂已经形成，则情况将发生恶化。经过调查发现，在通车后的首个冬季，季节性冻土地区公路的平整度就会出现衰减，并且随着时间的增长，纵向裂痕、横向裂痕及其变形的病害就会加重，因此这些路面必须满足不利时期路基路面不因冻胀而产生缝隙的要求。

沥青路面是目前最常见的道路路面材料，也用于G318 路面改造工程中，根据《公路沥青路面设计规范》，道路的冻害深度可以用以下公式计算:

其中，a 为路基路面材料的综合热物性系数，b 为路基的湿度系数，c 为断面形式系数，b 和c 的数值可以查《公路工程抗冻设计与施工技术指南》获得，路基填土与地基土的冻胀率可以按照以下公式计算:

其中，Rm为区域内近年来最大降雨量，λ 为土质系数，W(W0)为土层(起始)含水量。

沥青混合料的设计包括集料种类、集料级配、沥青类型等级、沥青最佳使用量、混合料压实度等方面的确定。高海拔、高寒地区为了提高路面高、低温裂痕抵抗性，宜采用细型密级配沥青混合料并减低设计孔隙率，减少配合比设计时的最大公称粒径相邻的粗集料用量，适当加大级配中间粒径集料用量，形成S 型级配曲线，在确定公路格结构层设计级配范围的同时也要考虑各层的功能要求，满足密水、抗滑、稳定等提高公路耐久性。

沥青路面虽然在低温时强度增大，但容易受到高原昼夜温差大的影响而发生变形，使用松弛理论可以对沥青混凝土面层的开裂低温进行预测，预测过程中使用以下公式对温降产生的应力进行计算:

其中:σx(t)为面层温度从t0 降低至t 时，沥青混凝土累计发生的温度应力，α 为沥青混凝土的平均温度线收缩系数，Smax为沥青混凝土在△t 温变下的劲度模量。

因此，为了降低温降应力产生的影响，路面材料可以使用MAMF 纤维+沥青混合的组合设计。

3 适合高原的路基结构设计

除了路面材料会对高原地区道路的使用质量产生影响，路基的结构设计则是影响道路行驶安全和使用寿命的更为关键的因素。沥青路面改变了路基下多年冻土的水热条件，公路路基是否稳定要以路基底部的地温变化，并结合工程地质条件来进行评价。G318 工程路段的地下与地表水发育、冻害期土层含冰量大、工程地质条件极差，因此，按照工程中不同路段的地质条件和水文条件，采用不同的路基设计原则，对保证公路路基的稳定性与设计的可靠性以及病害的防治与治理都具相当重要的意义。

3.1 路基填筑材料与路基高度

G318 路段多为三级公路，采用标准双车道设计为主，因此路基宽度常采用7.5m 为宜，结合工程所在区域地质和气候影响，路基填筑材料可使用砂砾和碎石，其稳定性能好，路基顶部的当量回弹模量应当能够达到40MPa-55MPa。

在一些地下水位高的路段可以设置盲沟、渗沟等设施将水排出，经行车碾压后再铺设道路，在水文地质条件不良地段，路基的最小填土高度应结合路基土性质、土体干湿状态、冰冻作用，并结合排水条件进行确定，路基高度不应小于路床干燥状态下的临界高度，当路基设计标高受限难以达到该最小填土高度时，应采取其他诸如隔离层、排水层等措施和方式以保证路基的稳定。

3.2 防止冰冻灾害路段的路基设计

在高原地区，高寒地带容易出现常年或季节性冻土区，冻土地区路基的稳定性较差，导致该情况的主要是由冻土的热稳定性造成的，按照高原施工区域的年平均地温T 对该区域的冻土特性进行划分，T ＜-2.0℃的地区属于稳定冻土区，-2.0℃＜T ＜-1.0℃的地区属于基本稳定冻土区，-1.0℃＜T ＜-0.5℃的地区属于高温不稳定冻土区，-0.5℃＜T 的地区属于高温极不稳定冻土区。对于低温稳定区、低温基本稳定区及高温不稳定区的路基施工可以按照保护冻土的原则进行路基设计，设置保温护道，加强排水设计，例如本文中采用的“U 型”路基结构设计;对于高温极不稳定区域以及个别难以合理处理的区域路基则一方面可以采用加强保温、增加地中冷储等措施，对路基的形变量进行控制，另一方面则可以采用本文介绍的热棒降温方式进行路基设计。

(1)“U 型”路基结构设计。为了防止G318 改扩建工程路段出现冻土等病冻灾害，根据这些路段的特殊气候和地质情况，本文在充分吸收和借鉴国内外研究成果的基础上提出一种采用“U 型”路基结构，如图所示，至上而下为:100cm 粗砾土(3%粉煤灰+50cm 砂砾层+150cm片石抛石层。

当外界温度比路基内温度低时，外界冷空气进入路基内，路基内热空气上升，路基内形成对流，带走多余热量;当外界温度比路基内温度高时，路基内部空气密度梯度较稳定，不产生对流，使路基下部冻土不会过快溶解，缓解了路基因温度变化而造成的结构影响。

其中，50cm 砂砾层起过渡作用，且要求级配连续，填筑材料参考执行《公路路基设计规范》的相关要求分两层填筑碾压，每层厚度为25cm，压实度要求执行《公路路基设计规范》的相关要求。

路基护坡阴阳两面尺寸不同，设计采用阳面护坡宽度为100cm -160cm，阴面护坡宽度为60cm -100cm。在太阳辐射强烈条件下，在降温层抛石护坡表面喷洒白色石灰水增大表面的反射率降温效果会更好。

(2)碎石路基。普通压实土体之间的传热方式是热传导，碎石路基存在多孔介质，易于空气的自然对流，其传热方式将以对流为主。气体流过碎石基面时，由于气体和碎石表面温差将产生热量交换。因此，空气的流动能够将冷量带入地基土体，维持碎石路基温度场的低温状态。

碎石路基铺设的路段、位置和高度会使导热、对流换热和自然对流三种机理产生不同强度的作用效果，因此碎石路基应根据施工区域和现场气候情况进行具体设计，此外，碎石路基还未地下水外溢提供了通道，使得地下水和路基积水迅速排离路基，保持了路基的水稳定性。

3.3 防止地质灾害路段的路基设计

(1)滑坡路段路基设计。在滑坡下部的路基宜采用路堤形式，在滑坡体上部的路基宜采用路堑形式。此外，防治滑坡必须注意加强排水，从路基设计的角度考虑，可以通过在路面设置环形截水沟、树枝状排水沟、整平夯填坡面、绿化坡面，在地下设置支撑渗沟、边坡渗沟、截水渗沟的方式防止滑坡。

(2)路基浆砌片石护坡设计。路基防护与加固设施主要有边坡坡面防护、沿河路堤河岸冲刷防护与加固。边坡坡面防护主要是保护路基边坡表面免受雨水冲刷，减缓温差及温度变化的影响，防止和延级软弱岩土表面的风化、碎裂、剥蚀演变进程，从而保护路基边坡的整体稳定性，在一定程度上还兼顾路基美化和协调自然环境。

浆砌片石护坡一般适用于易受水侵蚀的土质边坡、严重剥落的软质岩石边坡、强风化或较破碎岩石边坡、残坡积较厚而松散的边坡。浆砌片石护坡一般采用等截面，厚度一般采用大于20cm(25 -50cm 之间)，其砂浆强度一般为5 号或7.5 号。浆砌片石护坡一般可从第一台一直做到顶部。分台高度6 -10m，一般设8m，每一台顶部设有2m 宽的碎落台，并设有纵横排水系统。根据坡面的坡度、残坡积物的松散程度、岩体的风化和破碎程度、地表水和地下水的丰富程度，为了增强护坡的自身稳定性多采用肋式护坡。在地下水丰富位置还应设置长度10m，孔径100mm 的疏干孔，并间隔20m 设置一道顺坡向的急流槽。

4 结语

国道G318 改扩建工程是一项复杂的道路设计与施工工程，沿线受到恶劣气候和地质条件的干扰影响大，一方面，气候干旱，季节性降雨明显，极限温差大，另一方面，沿途水源丰富，且山体灾害多发，对道路路基的稳定性产生了较大影响，本文主要通过介绍一些特殊路基设计以及路基设计中的重点，可以有效降低G318 公路受到冷冻、滑坡、雨刷的病害概率，提升公路的施工寿命和行车安全质量。

［1］汪双杰，陈建兵.保温护道对冻土路基低温特征的影响［J］.中国公路学报，2006，19(1):13 -16.

［2］吴青柏，刘永智.沥青路面下冻土热稳定性和热融敏感性的变化［J］.公路交通科技，2010，20(4):20 -22.

［3］符吾.国道214 线多年地质病害区域的道路路基设计方案研究［D］.长安大学，2011.