關于凍土多年地區的公路路基設計技術探討

唐亮辰

（揚州市勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225000）

在凍土區的公路工程運營中，受多年凍土特殊性狀、車流量、自然環境、氣候變化等因素的影響，常見熱融沉降變形引起的路基病害，造成路基開裂、波浪凹陷、縱向凹陷或凍脹翻漿，影響公路行車安全。在公路工程建設之前，要做好路基設計工作，結合路基斷面形式，優化路堤、低填淺挖段、路塹、邊溝、排水溝、擋水埝和防水護道設計，以降低路基病害發生的可能性，保證公路路基工程質量。

1 凍土多年地區路基設計

多年凍土地區路基設計要做好前期勘測與調查工作，掌握全面的技術資料，以資料數據為支撐確定設計方案。資料包括氣象變化、地形特征、季節凍融層厚度、多年凍土層上限與下限、熱融變化原因、地下冰分布、凍土不良地質地段起止里程、凍土物理力學試驗報告等方面的資料，在掌握資料后開展路基設計。

1.1 路堤設計

在路堤設計中，多年凍土地區的地質情況不同，所采用的路堤設計方案也會有所不同，具體包括以下設計方案。

1.1.1 凍土保護設計

在多年凍土地區公路工程建設中，經常出現人為改變天然地表傳熱條件，破壞原有地基熱平衡狀態的現象，導致多年凍土上限變化。路基設計應采用保護凍土設計技術，使路基保持最小臨界高度，即控制最小填土高度，將多年凍土上限控制在一定深度內，不會發生融化現象，以增強路基穩定性。多年凍土地區路基設計中，確定路基合理高度是設計重點，路基過高會引發凍土產生融化偏移，造成邊坡失穩。路基過低會造成凍土熱融沉陷，縮短公路使用壽命。保護凍土設計適用于年平均低溫為-1.5～-3.5℃的地區，路基設計高度公式為：

公式（1）中，H設表示路基設計高度；M 表示根據凍土類型和上限深淺確定的綜合修正系數；H合表示路基填土合理高度；S 表示季節融化層壓縮沉降量。

1.1.2 凍土融化速率控制設計

在含冰量高且年平均地溫為-0.5～-1.5℃的多年凍土區路段中，采用凍土融化速率控制設計，能夠有效解決凍土上限下降問題。路基設計可以采用熱棒路基、遮陽板路基、碎石路基、隔熱層路基設計方案，既可以采用單一的路基工程措施，也可以采用組合工程措施。如，設計防水保溫護道、回填路基坡腳積水坑、合理確定路基高度等，達到保護凍土的目的。其中，路基高度設計是關鍵設計內容，按照以下公式進行測算：

公式（2）中，K 表示工程所在地的氣溫修正系數；P 表示多年凍土融化速率；φ 表示融化速度衰減系數；t 表示工程使用年限；m 表示填土當量換算經驗系數。多年凍土融化速率P的計算公式如下：

公式（3）中，Δh 表示多年凍土人為上限下降值，ΔT 表示工程竣工到勘探的時間間隔。不同凍土類型的人為上限下降值Δh與填土當量換算經驗系數m的取值范圍圖表1 所示。

表1 路基人為上限下降值與填土當量換算經驗系數表

1.1.3 允許融化設計

在多年凍土地區路基設計期間，在地基滿足以下條件時采用允許融化設計方案：

（1）基底地下水埋藏淺，屬于少冰凍土，無法保證長期凍結狀態。在此類多年凍土地區路基設計中，根據線型設計路堤高度小于臨界高度，將凍土層挖除、換填，換填材料為滲水性土。

（2）基底地質為多冰凍土，融化后的沉降差較小，不易引發公路病害。針對此類多年凍土地區的路基設計，應采用非多年凍土路基設計，無需采用特殊工程技術措施。

（3）路基采用保護多年凍土設計難以取得預期效果，且多年凍土層正處于退化階段，允許采用融化設計方案。在設計中，上部部分挖除，挖除深度控制在整個凍土層厚度的1/2 以上，下部采用凍土層震碎破裂技術措施，利用地下水溫加快凍土層碎裂速度，直至凍土層消失。在路基設計時，要預留出適當的沉落量，增加路肩寬度。

1.1.4 融區與凍土島設計

融區與凍土島的多年凍土低溫相對較高，該區域主要分布河谷階地、河流兩岸，受瀝青路面吸熱的影響，該區域凍土融區逐步擴大，易產生路基病害。在路基設計中，路基高度要根據最高地下水位、最大凍結深度、地表積水、土質等因素進行確定，同時還要綜合考慮經濟合理性因素，比選出最佳路基結構設計方案，包括XPS 板隔熱層路基、鋼纖維水泥混凝土路基、通風管路基、熱棒路基等結構設計方案。

1.2 低填淺挖路基設計

低填淺挖地段易出現凍脹、冰害、熱融下沉等問題，應避免采用低填淺挖設計。在執行公路路線技術標準的情況下，即填土高度不超過50cm的路堤，或開挖深度不超過50cm的路塹。低填淺挖路基設計期間，要綜合考慮路段地區地質、水文和多年凍土含冰量的具體情況，采用技術可行的設計方案，具體包括：

1.2.1 對厚度不大、埋藏較淺的高含冰量凍土層，采用全部換填設計，如圖1 所示，換填為水穩定性好的滲水性土層，厚度不小于60cm，優化設計基底邊坡防護和縱向排水方案，保證路基結構穩定，避免出現邊坡滑塌。

圖1 全部換填斷結構形式

1.2.2 對厚度較大、埋藏較深的高含冰量凍土層，采用部分換填設計，換填材料為粘性土、XPS 板隔熱層等，將換填區域轉換為水穩定性較好的填筑路基。

1.2.3 對埋藏較淺的少含冰量土層，采用預融回填設計，大斷面開挖至設計深度，鋪設簡易路面，通車1～2 年，待凍土融化到預先設定的深度后，再確定設計標高，回填路基，鋪設碾壓路面。

1.3 路塹設計

在路塹設計中，要重點解決開挖后高含冰量凍土暴露于地基的問題，可能會引起基底沉融、邊坡滑塌病害。路塹設計要確定斷面形式、換填隔熱厚度以及檢算邊坡地基穩定性，以避免出現上述問題。其中，斷面形式可以采用以下設計方案：

1.3.1 一般斷面形式設計，在開挖斷面時留出超挖量，以保證季節最大融深在換填交界面上，如圖2 所示。在圖2 中，Δh表示坡頂折角處隔熱層加大值，hT表示隔熱層厚度。

圖2 開挖斷面示意圖

1.3.2 淺寬側溝斷面設計，將加筋復合防水土工膜鋪設在溝底，暢通側溝。在側溝上方設計平臺，在平臺配置坡腳干砌片石支垛，增強邊坡穩定性，便于水分排出。

2 路基地面排水與側向保護設計

2.1 邊溝設計

根據多年凍土地區路基邊坡高度、積水情況、地質類型設計邊溝斷面形式，要求路線縱坡與邊溝溝底縱坡一致，應超過0.3%。在邊溝結構設計中，對凍脹嚴重路堤或埡口路塹，采用“U”型預制拼裝邊溝，為防止邊溝水下滲，在邊溝底部設計防水加筋復合土工膜。土工膜采用寬淺形式，將土工膜設置在細砂礫層中間部位，細砂礫層厚為20cm。多年凍土地區路基邊溝設計避免采用土質邊溝設計和剛性漿砌邊溝設計，前者易出現邊溝兩側坍塌，后者易出現邊溝開裂。

2.2 排水溝設計

路基排水溝設計采用三角形或梯形斷面，一般為寬淺形式，降低排水溝對凍土層帶來的熱干擾。如圖3，圖4 所示。在排水溝設計中，底寬大于60cm，深度小于40cm，選用泥炭作為排水溝邊坡材料，根據粘性土塑性指標確定泥炭比重。在設計縱坡較大的排水溝時，要采用干砌片石加固，將防水土工布鋪設排水溝底部和兩側，延長排水溝使用壽命。

圖3 梯形邊溝示意圖

圖4 預制梯形邊溝示意圖

2.3 擋水埝設計

在挖方邊坡一側匯水面積大，或者路基一側相對較高時要進行擋水埝設計，擋水埝設置在路基上方一側10m 之外的位置，避免水滲入路基。擋水埝的高大于80cm，頂寬大于100cm，外側坡率為1:1.5-1:2，內側坡率為1:0.5-1:1。在多年凍土地區的山坡地段路基設計時，應對排水設計采用防滲漏技術措施，同時適當增大擋水埝的尺寸，并采用鋪砌加固技術措施；在路基兩側較為平坦且相對走低的地段設計大弧度連續擋水埝，順接排水溝，避免地面水侵蝕路基。

2.4 防水護道設計

防水護道設計條件為：在路基側沿坡腳積水無法順流到排水溝時應設計防水護道，利用防水護道將積水擠到路基坡腳5m以外，避免路基側積水下滲；在路基經過低凹地表時應設計防水護道，避免低凹處積水，防水護道位于路基兩側，寬度為2～3m，高為0.8～1.5m，向外橫坡4%，如果該路段積水時間較長，則要將設計寬度增至5m 以上，設計高度應高出積水位0.5m。

3 結論

本文主要論述了凍土多年地區的公路路基設計技術，針對不同的多年凍土地區地質情況，提出了不同的路基設計方案以及地面排水與測向保護設計方案，能夠滿足多年凍土地區的特殊地基處理要求，大幅度減少因熱融沉降變形引起的路基病害，有助于進一步提升特殊路段地基設計水平。