冻土地区公路路基设计原则及应用

高天雨，王 琪

(1.国家林业和草原局大兴安岭勘察设计院，黑龙江 加格达奇 165000;2.浙江广厦建设职业技术学院,浙江 322100)

多年冻土自身物理力学性质较为特殊，但能和自身所在自然环境良好适应。若工程采用多年冻土作为地基，一般会使冻土所处条件发生变化，导致地基状态改变，进而对公路造成不利影响。基于此，若必须在冻土地区开展公路建设，应在确定地基类型和实际状态的基础上，确定相应的设计原则，以此将冻土地区可能造成的不利影响降至最低。

1 现状分析

在多年冻土地区中，若为工业或民用建筑，则属于地基设计，而若为公路工程，则属于路基设计。过去的路基设计原则主要考虑多年冻土基本性质与具有的特征，很少对公路具有的特性予以考虑，但事实上多年冻土会对路基设计及其使用造成很大影响，带来很多不利影响。

对于房建工程，其地基范围比较有限，相比于公路，可看成点状，在工程地基范围内，冻土类型与性质没有太大变化。基于此，对建筑地基而言，可以有明确且相对固定的设计原则是；但在路基工程中，由于公路属于线状构筑物，需从不同的地貌单元当中穿过，工程的建设环境及冻土条件都有明显差异，采用一个设计原则无法为整个工程建设提供指导。此外，如果为了满足沿线范围内冻土条件发生的变化，将设计原则划分的很细，或频繁改变，将导致设计原则无法使用或产生混乱。这导致很多工程为了避免频繁的变化，若只采用一种原则来设计，这一原则大多是保护性原则，使沿线范围内的路基明显增高。因设计没有足够的针对性，会使工程投资显著增加，并给还会导致很多类型病害的产生。基于此，必须制定与公路工程建设相关要求良好适应的设计原则。

2 设计原则与应用

2.1 路基区段设计原则

该设计原则主要适合新建工程的可研与初步设计，或改建工程的路基设计，可细分成严格保护、一般保护与不保护三种。该设计原则的划分依据是不同区域的自然条件，包括地质地貌、年均气温、年均地温、天然上限温度。对于改建工程，还需要充分考虑上限深度，不同因素可能对多年冻土造成的影响为：

(1)对于地质构造单元，它是形成区域地形地貌重要基础。如果构造隆起，将形成山岭或者是高平原；而如果断块沉降，将形成断陷或者是盆地。地热异常带在构造带的作用下形成，而地热异常带将导致多年冻土区产生融区。

(2)对于地貌单元，它在很大程度上决定了区域内松散性堆积物主要产生原因、粒径大小和厚度，对水文地质条件有很大影响，同时也会对多年冻土实际存在条件造成影响。当地貌单元完全相同时，其多年冻土条件也十分相近或基本相同。

(3)对于年均气温，它是多年冻土能否存在和保持稳定的主要条件。只有在年均气温降至一定程度后，才能有多年冻土产生与保存。当气温较低时，多年冻土更稳定，厚度更大。当气温条件一致时，冻土存在条件可能十分相近或相同。但气温通常都具有一定分带性，受海拔高度等因素的影响和控制，表现出明显的垂直分带特性。

(4)对于年均地温，它能反映出冻土层实际热量情况，是对冻土层是否稳定进行评价的重要技术指标，同时在冻土分类过程中也是一项重要指标。与年均气温相同，年均地温同样具有分带性，但不同的是年均地温表现为平面分带。

(5)对于上限深度，其中，上限是指多年冻土层的上界面，天然条件下产生的上界面是天然上限，会受到人为因素的作用和影响的则属于人为上限，而上界面和地表之间的垂直方向距离即为上限深度。对天然上限深度与其变化而言，能反映出自然环境可能对多年冻土造成的影响及冻土自身稳定度。近几年，环境气温不断变暖，使多年冻土逐渐退化，冻土的天然上限开始下降。冻土的人为上限与其变化能反映出人为活动可能对冻土造成的影响，而人为上限深度能反映出多年冻土可能对工程造成的影响，当深度较小时，说明影响较大，而当深度较大时，说明影响较小。上限深度和年均地温相同，也具有平面分带特性，能直接反映出工程受冻土的影响，是对设计原则进行划分时的一个重要指标，在过去则是一个没有考虑的因素。

2.2 路基场地设计原则

该设计原则适合新建公路工程的施工图设计与改建公路工程的重点路段设计，以及病害情况较为严重的改建设计，可分成严格保护、一般保护与不保护。该设计原则需将区段设计原则作为基础，根据工程结构特点和多年冻土具有的特性来确定。在对这项原则进行划分时，需对一下因素进行充分考虑。

(1)工程的类型：工程在类型上存在的差别使冻土地基自身热状态有所不同，不同工程结构的允许地基变形也不尽相同。路堤和通道与涵洞相比，具备一定蓄热能力，但通道与涵洞具备通风散热的特点。在同一段路堤上，当路面类型不同时，其热参数将存在明显差异，比如颜色较深的面层比颜色较浅的更吸热。另外，不同的路基断面形式也会对冻土路基造成不同的影响，一般是路堑对冻土路基的影响大于零填段，而零填段对冻土路基的影响大于路堤。

(2)冻土中含冰量：这是影响冻土自身热稳定性与融沉变形性主要因素。在年均地温完全相同的情况下，当冻土含冰量较高时，其热稳定性良好，但融沉变形性完全则完全相反，当含冰量较高时，融化压缩变形增加。另外，冻土含冰量还是导致地基产生不均匀沉陷现象的重要原因之一，是进行原则划分主要指标。

(3)地基土类：这不仅会对冻土中含冰量造成影响，而且还影响到地基的整体强度与变形。由于土类在分布上存在很大变化，所以不建议在区段划分中使用，但在对场地设计原则进行划分的过程中必须充分考虑。

(4)上限深度：它除了能反映出冻土是否稳定，还和工程有着紧密的关联。这里的上限深度和之前在区段设计原则中考虑的主要区别为：区段设计原则将区域中的总体趋势作为核心，但此处是将建筑或构筑物以下的深度作为基准。对于新建工程，需将天然上限作为依据，而对于改建工程，需要对天然与人为上限进行综合考虑。

3 结 语

综上所述，对于公路等呈线形分布的建筑，在制定多年冻土区中路基的设计原则时，应注意不可完全照搬工业和民用建筑的多年冻土地区地基设计基本原则。对处在多年冻土地区中的线形建筑进行设计原则的制定过程中，应充分体现出从宏观到具体的整个过程，根据公路这种呈线形分布的建筑，建议采用区段与场地两种设计原则，以此与工程的各项特征相适应。青藏公路中多年冻土地区的路基设计原则采用的就是区段设计原则，经实践验证这一设计原则符合工程的实际情况，能为其它处在多年冻土地区中的公路工程提供参考借鉴。