淺談多年凍土區路基結構設計

摘要：本文通過考察青海省青藏高原地區多年凍土的實際情況，根據共和至玉樹公路的工程實例對該項目多年凍土路基結構方案設計進行認真研究，針對不同凍土類型及路基狀況而采用相應的路基結構型式，以確保路基質量穩定、結構可靠，并為以后類似狀況凍土路基設計提供重要參考依據。

關鍵詞：多年凍土；公路路基；設計原則；結構方案

一、概述

多年凍土在世界上分布很廣，約占地球陸地面積的25%。我國的多年凍土多分布在北緯48°以北的黑龍江省北部地區以及西部海拔4300m～4500m以上的高原區，總面積約為215×104 平方公里。

共和至玉樹公路是青海省規劃的“三縱、四橫、十連線”高速公路網中的南北二縱線的重要組成部分，全長637公里。其中瑪多至清水河段屬青藏高原多年凍土區，處于青藏高原多年凍土帶邊緣。根據2011年的勘察資料，瑪多至清水河多年凍土共109公里，其中少冰、多冰多年凍土段約67公里，富冰、飽冰多年凍土段約37公里，含土冰層多年凍土段約5公里。

二、凍土地區路基設計原則

多年凍上地段路基應采用“寧填勿挖，保護凍土，控制融化速率及綜合治理”的原則，盡量以填方路基為主，采用保護凍土、主動降溫和允許凍土融化的設計原則。

根據科研成果以及本項目的勘察資料，公路沿線凍土年平均地溫基本在-2.5℃以上，屬于高溫凍土，具有地溫高、退化速率較快的特點，是典型的高溫不穩定型與極不穩定型多年凍土。

控制融化原則主要是使在路面設計使用年限內，路基下伏多年凍土的人為上限下降導致凍土路基產生的融沉變形在設計容許變形范圍以內的原則。采取的調控措施可分為被動保護與主動冷卻路基兩種。

三、共玉公路多年凍土路基結構方案類型簡介

（一）片塊石路基

片塊石路基結構是利用空氣的流動來改變路基傳熱方式的一種通風路基，空氣可在片塊石層內流動，冬季以通風作用為主的強迫對流效應和較弱的片塊石層側向空氣自由對流的復合過程是片塊石冷卻路基的作用原理。

片塊石路基主要適用于富冰、飽冰凍土區。為了充分利用片塊石自然對流機制，應采用單一粒徑的片、塊石鋪設路基，不應采用不同粒徑的混合結構。片、塊石料填作為路基填料時，片、塊石粒徑取15～30cm，最小邊長宜大于15cm，且長細比小于3，片塊石強度大于30MPa。

（二）XPS板路基

所謂XPS板就是擠塑式聚苯乙烯隔熱保溫板，它是以聚苯乙烯樹脂為原料加上其他的原輔料與聚合物，通過加熱混合同時注入催化劑，然后擠塑壓出成型而制造的硬質泡沫塑料板。它的學名為絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料（簡稱XPS），XPS具有完美的閉孔蜂窩結構，這種結構讓XPS板有極低的吸水性、低熱導系數、高抗壓性和抗老化性。修筑保溫XPS板路基是利用XPS板的低導熱性特點，通過調控傳熱熱阻達到控制多年凍土融化的目的，其基本原理和抬高路基是一致的。

XPS板路基適用于沿線凍土段路基高度不滿足要求及零填、淺挖、路塹結構等路段。為滿足使用要求XPS板抗壓強度不應低于0.6Mpa，導熱系數不應大于0.030W/m·℃，容重不小于40～45kg/m3。施工時，XPS板埋設在路面結構層下30～40cm處。

（三）熱棒-XPS復合式路基

熱棒是一種氣液兩相對流循環熱導裝置，由一根密封的鋼管及管內的工作介質組成，鋼管上部的散熱葉片為冷凝器，下部埋入地基的部分為蒸發器，工作介質一般由液態氨、氟利昂、丙烷等物質構成。它利用熱虹吸原理驅動工作介質循環管流動，當冷凝器和蒸發器之間存在溫差時，工作介質在蒸發器中吸收熱量，轉化為氣態介質，然后在上端冷凝器冷凝放出汽化熱，從而將地基基礎的熱量傳送到地表與空氣進行換熱。該氣液兩相對流循環過程是連續的，只有當蒸發器的溫度低于冷凝器的溫度時才停止。

熱棒-XPS復合式路基主要適用于多年凍土區含土冰層路段。XPS板的技術要求與前面一致，熱棒的規格為φ83×5mm，在工作溫度為-5℃時，其傳熱能力不應低于6KW，工作溫度-60℃～-50℃時，工作壓力為0～2.2Mpa，可靠工作時間不低于20年，熱棒沿路線走向間距為4m。

四、路基結構設計方案分析

現以富冰路段為例介紹具體設計方案。當路基高度大于2.5m且小于2.8m時，采取片塊石路基處理，基底沖擊碾壓和填筑30cm砂礫后，填筑0.9m～1.2m厚的片石，片石上部用20cm厚碎石整平，碎石粒徑5～10cm，其上再填筑30cm厚砂礫墊層，贈平層與砂礫層之間鋪設透水土工布，砂礫層上部布設塑鋼土工格柵；當路基高度大于2.8m時，片石層的厚度采用1.2m，其他結構相同；當路基高度小于2.5m時，采用基底局部換填或加強沖擊碾壓厚度，路基中增設XPS板的方式處理。未通過水草沼澤時，填筑30cm砂礫或石渣，通過水草沼澤時，則填筑50cm砂礫或石渣，將填筑的砂礫石或石渣用重型壓路機沖擊壓入地面以下，沖擊碾壓不清除草皮，沖擊碾壓后上部填筑30cm 厚砂礫，其上布設塑鋼土工格柵，在路面結構層以下30～40cm處布設厚度6cm的XPS板，布設寬度應與半剛性基層寬度基本一致。

數值模擬分析的結果表明，在該區域片塊石通風路基中的片塊石層厚度為1.2m與1.5m的路基降溫效果好于片塊石厚度為0.9m的路基，隨著片塊石層厚度的增加，其降溫效果也更加明顯，人為上限的抬升也更加明顯。因此，根據計算結果，結合試驗路施工經驗，綜合考慮經濟性與施工條件等因素，本項目多年凍土區片塊石路基的厚度推薦選擇1.2m。

五、結束語

截至目前該項目多年凍土區路基施工早已完成，現場檢測資料表明，路基未出現沉陷、開裂、翻漿等凍土病害，路基狀態穩定，使用狀況良好。實踐表明，通過對項目區域凍土狀態的詳細勘察，同時結合地形特點與線形幾何指標，對不同的路段采用不同的結構類型及設計參數，以確保車輛行駛安全，保證路基質量穩定，延長道路使用年限，并為以后類似狀況凍土路基設計提供重要參考依據。

參考文獻：

[1] 劉戈，朱東鵬，陳建兵，袁堃.多年凍土區高速公路片石通風路基施工工藝.公路交通科技應用技術版，2014，05：27-30.

[2] 祁文斌.淺談我省對多年凍土區路基設計.青海交通科技，2012，05：29，32.

[3] 中交第一勘察設計研究院有限公司.共和至玉樹（結古）公路兩階段施工圖設計.2011.