高速公路路基路面设计在特殊地质条件下的优化策略

李彦雄

（四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610031）

0 引言

高速公路能够确保城市之间高效连通并促进经济增长。然而，地质条件特殊的区域，如岩溶、高湿度、寒冷气候区和沿海地区，对高速公路路面路基设计提出独特挑战。其设计的基本原则包括了解土壤特性、考虑交通负荷和应对环境条件影响。特殊地质条件下的设计策略包括岩溶地区的地下水处理、地表排水和堤防填料选择；高湿度地区的路基加固、排水系统优化和路面材料选择；寒冷地区的路基防冻、防止冰雪积聚和冰融化剂使用策略；沿海地区的抗侵蚀措施、水平标高设计和耐盐碱设计。

1 特殊地质条件对高速公路设计的影响

特殊地质条件对高速公路路基路面设计产生重大影响，给前期设计带来独特的挑战。例如，岩溶地区、高湿度、寒冷气候和沿海环境等特殊地质，给高速公路的建设和维护增加复杂性。岩溶地区以石灰岩等可溶性岩层为特征，由于其容易出现天坑和地下空洞；高湿度环境会带来水分渗入路面层的风险，导致结构完整性降低；在寒冷气候中，冻融循环会导致路面损坏；沿海环境带来侵蚀、盐碱入侵和风暴潮风险等挑战。不同地质条件都需要切实可行的路基路面设计方案，成功的公路设计需要全面了解地质因素，确保具有弹性和可持续性的交通基础设施。

2 高速公路路基路面设计的基本原则

公路路基路面设计依靠基本原则来确保道路基础设施的耐用和安全。

首先，工程师通过评估土壤成分、密度和含水量，确定其承载能力，为创建稳定路基所需的材料类型及厚度的决策提供关键数据信息。

其次，轴载荷、交通量和载荷重复等因素会影响设计选择，需充分分析通过路面车辆的预期体积和重量，以计算路面层的必要强度和厚度。

最后，环境条件也是路基路面设计中必须考虑的关键因素，如温度变化、降水和冻融循环可能影响路面的性能。

综上所述，公路路基路面设计需综合土壤特性、交通荷载和环境条件，以提高道路基础设施的使用寿命和功能，为更安全、可靠的运输系统作出贡献[1]。

3 特殊地质条件下的高速公路路基路面设计策略

3.1 岩溶地区设计策略

3.1.1 地下水处理措施

在特殊地质条件下的公路路基路面设计中，必须采取对应方法来解决每个地区特有的挑战。如图1 所示为岩溶地区，地下水处理直接影响路基的稳定性。通过使用先进的排水系统、渗透性增强技术以及使用土工合成材料来控制岩溶地层内的水运动，最大限度地减少水对路基的影响，同时确保可持续和有弹性的基础设施[2]。

图1 岩溶地区

通过上述措施，可以降低潜在的地下侵蚀风险，提高岩溶地区路面结构的整体稳定性。

3.1.2 地表排水系统设计

在容易出现天坑或地下侵蚀的地区，地表排水系统在将水从脆弱地区引出方面发挥着关键作用，有助于有效管理径流，防止侵蚀并保持路基的稳定性。工程师通过采用明渠、涵洞和战略性设计的斜坡等技术来控制水流量，尽量减少其对路基的影响。

此外，考虑岩溶地区的独特地形，地表排水系统设计需要具有一定针对性，以解决可溶性岩石溶解带来的特定挑战[3]。

3.1.3 路堤填料选择

路堤填料的选择对公路基础设施的整体稳定性和性能有重大影响。工程师需优先考虑能够承受场地独特地质特征的材料，包括潜在的地下空隙和天坑，利用不溶性和可压实的材料，降低与溶解过程相关的风险，从而提高特殊地质条件地区的高速公路整体结构完整性和延长使用寿命[4]。

3.2 高湿地区设计策略

3.2.1 路基加固措施

高湿度带来的独特挑战包括土壤饱和及承重能力低，导致路基稳定性降低。工程师需要通过各类技术加固路基，如使用土工合成材料，包括土工格栅或土工布，以提高路基的抗拉强度和整体稳定性，有效分配荷载并降低土壤变形的风险[5]。

此外，适当的土壤压实方法和稳定剂的加入也有助于加固高湿度地区的路基。通过优先考虑路基加固措施，减轻水分对路基的潜在负面影响，确保公路路面在高湿度地区的长期耐久性和弹性，提高交通基础设施整体性能和安全性[6]。

3.2.2 排水系统优化

高湿度环境通常会面临频繁降水和土壤饱和度较高，因此有效的排水对于保持路基的稳定性至关重要。工程师需细致规划地表排水功能，增强排水系统，确保其管理径流。例如明渠和涵洞，能够促进道路中排水的速度。

此外，采用法式排水管或土工复合排水管，可以防止路面层下方积水，保证适当坡度和畅通的水流路径，有助于提高排水系统的整体效率。通过优先考虑排水系统优化，设计策略旨在最大限度地减少过多水分对路基的不利影响，保证结构完整性，降低土壤侵蚀或软化等问题的风险，增强高速公路路面在高湿度地区的可靠性[7]。

3.2.3 路面材料选择

湿度升高带来的挑战需仔细考虑能够承受与水分相关的应力的材料，以确保路面结构的使用寿命和弹性。工程师应优先选择具有适当级配和添加剂（如聚合物或纤维）的沥青混合料，以增强对潮湿引起问题（如车辙或疲劳开裂）的抵抗力[8]。

此外，地基材料的审查工作也至关重要，工程师需确保所选材料能够在潮湿条件下提供稳定性，同时降低水滞留的可能性。根据高湿度区域的独特需求定制路面材料选择，设计策略旨在将水分对路面结构的影响降至最低，以提高高速公路的耐久性和性能，确保交通基础设施能够承受高湿度地区特定地质和环境条件带来的挑战[9]。

3.3 寒冷地区设计策略

3.3.1 路基防冻措施

寒冷气候给高速公路路基路面设计带来冻胀等挑战，冻胀导致土壤膨胀会使路面堵塞。通过利用绝缘材料，如发泡聚苯乙烯（EPS）或土工合成织物掺入路基中，能够减少冰冻温度的渗透。

此外，排水系统对于防止冻胀的水积聚具有关键作用，使用抗冻骨料和基底层材料也有助于提高路基承受冰冻条件的能力。通过优先实施路基防冻措施，将寒冷气候对路基的不利影响降到最低，确保公路路面的长期耐久性和稳定性，提高寒冷地区交通基础设施的整体性能和安全性[10]。

3.3.2 防止冰雪积聚的设计要点

寒冷的气候会带来积雪和结冰的风险，可能影响道路安全和路面完整性。工程师需优化设计，确保高速公路的高效运行。实际设计过程中，需考虑道路的布局，优化路线和横截面，以促进自然的冰雪脱落[11]。此外，在路面上使用防冰剂和除冰材料有助于防止冰雪的形成和黏附，以提高高速公路在寒冷气候下的整体安全性和可靠性[12]。

3.3.3 冰融化剂使用策略

工程师通过使用融冰剂，如氯化钠（岩盐）、氯化钙和氯化镁，以减轻道路上冰的形成和持久性。融冰剂的选择涉及有效性、环境影响和成本效益的考虑。

此外，可以采用防冰应用来主动防止结冰，确保路面在冬季条件下保持弹性，最大限度地减少对环境的影响[13]。

3.4 沿海地区设计策略

3.4.1 抗侵蚀措施

沿海环境中基础设施面临潮汐力和侵蚀等独特挑战，需采取针对性方法保护路基的稳定性。抗侵蚀措施包括各种技术以及在路面和底基层中使用抗侵蚀材料。工程师可以通过部署土工布或土工格室来加固路基，防止水土流失。

此外，采用植被或生物工程解决方案，增强海岸的复原力并最大限度减少侵蚀力的影响，以抵御自然力量。

3.4.2 水平标高设计

沿海环境容易受到风暴潮和海平面上升的影响，需采取细致的方法来确保高速公路对水位变化的适应能力。水平标高设计需确定高速公路的最佳高度和路线，并分析历史海平面数据、预计海平面上升和风暴潮概率等因素，以减轻沿海洪水的影响，建立可靠的水平标高计划。

此外，可以采用高架路堤、海堤或其他海防结构来保护高速公路免受潮汐力的影响，提高沿海公路抵御海平面上升的能力，有助于沿海地区交通基础设施的长期可持续性和功能性，从而应对不断变化的沿海条件给高速公路路基路面设计带来的挑战[14]。

3.4.3 耐盐碱设计

沿海环境中，高速公路基础设施长期暴露在盐碱条件下，损害路面结构的耐久性和完整性。工程师需采用耐盐碱设计来抵消盐水和富碱土壤的腐蚀作用，包括使用耐腐蚀增强材料（如不锈钢）以及在结构元件上应用保护涂层以提高弹性。此外，选择具有抗盐水侵入的路面材料也至关重要。通过优先考虑耐盐碱设计，可以有效延长沿海公路的使用寿命和提供其功能，确保高速公路在恶劣的沿海条件下保持性能[15]。

4 结语

在高速公路设计中，充分理解并应对特殊地质条件至关重要。应对不同地区的挑战需要灵活、创新的策略，以确保公路基础设施的稳定性和可靠性。通过综合考虑地下水处理、路基加固、防冻措施等设计方案，使高速公路能够在岩溶、高湿度、寒冷气候和沿海地区顺利通行。不仅能够提高高速公路的安全性和使用性能，还为未来的交通可持续性奠定坚实基础，为社会提供更加便捷、安全的交通服务。