高速公路路基路面設計在特殊地質條件下的優化策略

李彥雄

（四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610031）

0 引言

高速公路能夠確保城市之間高效連通并促進經濟增長。然而，地質條件特殊的區域，如巖溶、高濕度、寒冷氣候區和沿海地區，對高速公路路面路基設計提出獨特挑戰。其設計的基本原則包括了解土壤特性、考慮交通負荷和應對環境條件影響。特殊地質條件下的設計策略包括巖溶地區的地下水處理、地表排水和堤防填料選擇；高濕度地區的路基加固、排水系統優化和路面材料選擇；寒冷地區的路基防凍、防止冰雪積聚和冰融化劑使用策略；沿海地區的抗侵蝕措施、水平標高設計和耐鹽堿設計。

1 特殊地質條件對高速公路設計的影響

特殊地質條件對高速公路路基路面設計產生重大影響，給前期設計帶來獨特的挑戰。例如，巖溶地區、高濕度、寒冷氣候和沿海環境等特殊地質，給高速公路的建設和維護增加復雜性。巖溶地區以石灰巖等可溶性巖層為特征，由于其容易出現天坑和地下空洞；高濕度環境會帶來水分滲入路面層的風險，導致結構完整性降低；在寒冷氣候中，凍融循環會導致路面損壞；沿海環境帶來侵蝕、鹽堿入侵和風暴潮風險等挑戰。不同地質條件都需要切實可行的路基路面設計方案，成功的公路設計需要全面了解地質因素，確保具有彈性和可持續性的交通基礎設施。

2 高速公路路基路面設計的基本原則

公路路基路面設計依靠基本原則來確保道路基礎設施的耐用和安全。

首先，工程師通過評估土壤成分、密度和含水量，確定其承載能力，為創建穩定路基所需的材料類型及厚度的決策提供關鍵數據信息。

其次，軸載荷、交通量和載荷重復等因素會影響設計選擇，需充分分析通過路面車輛的預期體積和重量，以計算路面層的必要強度和厚度。

最后，環境條件也是路基路面設計中必須考慮的關鍵因素，如溫度變化、降水和凍融循環可能影響路面的性能。

綜上所述，公路路基路面設計需綜合土壤特性、交通荷載和環境條件，以提高道路基礎設施的使用壽命和功能，為更安全、可靠的運輸系統作出貢獻[1]。

3 特殊地質條件下的高速公路路基路面設計策略

3.1 巖溶地區設計策略

3.1.1 地下水處理措施

在特殊地質條件下的公路路基路面設計中，必須采取對應方法來解決每個地區特有的挑戰。如圖1 所示為巖溶地區，地下水處理直接影響路基的穩定性。通過使用先進的排水系統、滲透性增強技術以及使用土工合成材料來控制巖溶地層內的水運動，最大限度地減少水對路基的影響，同時確保可持續和有彈性的基礎設施[2]。

圖1 巖溶地區

通過上述措施，可以降低潛在的地下侵蝕風險，提高巖溶地區路面結構的整體穩定性。

3.1.2 地表排水系統設計

在容易出現天坑或地下侵蝕的地區，地表排水系統在將水從脆弱地區引出方面發揮著關鍵作用，有助于有效管理徑流，防止侵蝕并保持路基的穩定性。工程師通過采用明渠、涵洞和戰略性設計的斜坡等技術來控制水流量，盡量減少其對路基的影響。

此外，考慮巖溶地區的獨特地形，地表排水系統設計需要具有一定針對性，以解決可溶性巖石溶解帶來的特定挑戰[3]。

3.1.3 路堤填料選擇

路堤填料的選擇對公路基礎設施的整體穩定性和性能有重大影響。工程師需優先考慮能夠承受場地獨特地質特征的材料，包括潛在的地下空隙和天坑，利用不溶性和可壓實的材料，降低與溶解過程相關的風險，從而提高特殊地質條件地區的高速公路整體結構完整性和延長使用壽命[4]。

3.2 高濕地區設計策略

3.2.1 路基加固措施

高濕度帶來的獨特挑戰包括土壤飽和及承重能力低，導致路基穩定性降低。工程師需要通過各類技術加固路基，如使用土工合成材料，包括土工格柵或土工布，以提高路基的抗拉強度和整體穩定性，有效分配荷載并降低土壤變形的風險[5]。

此外，適當的土壤壓實方法和穩定劑的加入也有助于加固高濕度地區的路基。通過優先考慮路基加固措施，減輕水分對路基的潛在負面影響，確保公路路面在高濕度地區的長期耐久性和彈性，提高交通基礎設施整體性能和安全性[6]。

3.2.2 排水系統優化

高濕度環境通常會面臨頻繁降水和土壤飽和度較高，因此有效的排水對于保持路基的穩定性至關重要。工程師需細致規劃地表排水功能，增強排水系統，確保其管理徑流。例如明渠和涵洞，能夠促進道路中排水的速度。

此外，采用法式排水管或土工復合排水管，可以防止路面層下方積水，保證適當坡度和暢通的水流路徑，有助于提高排水系統的整體效率。通過優先考慮排水系統優化，設計策略旨在最大限度地減少過多水分對路基的不利影響，保證結構完整性，降低土壤侵蝕或軟化等問題的風險，增強高速公路路面在高濕度地區的可靠性[7]。

3.2.3 路面材料選擇

濕度升高帶來的挑戰需仔細考慮能夠承受與水分相關的應力的材料，以確保路面結構的使用壽命和彈性。工程師應優先選擇具有適當級配和添加劑（如聚合物或纖維）的瀝青混合料，以增強對潮濕引起問題（如車轍或疲勞開裂）的抵抗力[8]。

此外，地基材料的審查工作也至關重要，工程師需確保所選材料能夠在潮濕條件下提供穩定性，同時降低水滯留的可能性。根據高濕度區域的獨特需求定制路面材料選擇，設計策略旨在將水分對路面結構的影響降至最低，以提高高速公路的耐久性和性能，確保交通基礎設施能夠承受高濕度地區特定地質和環境條件帶來的挑戰[9]。

3.3 寒冷地區設計策略

3.3.1 路基防凍措施

寒冷氣候給高速公路路基路面設計帶來凍脹等挑戰，凍脹導致土壤膨脹會使路面堵塞。通過利用絕緣材料，如發泡聚苯乙烯（EPS）或土工合成織物摻入路基中，能夠減少冰凍溫度的滲透。

此外，排水系統對于防止凍脹的水積聚具有關鍵作用，使用抗凍骨料和基底層材料也有助于提高路基承受冰凍條件的能力。通過優先實施路基防凍措施，將寒冷氣候對路基的不利影響降到最低，確保公路路面的長期耐久性和穩定性，提高寒冷地區交通基礎設施的整體性能和安全性[10]。

3.3.2 防止冰雪積聚的設計要點

寒冷的氣候會帶來積雪和結冰的風險，可能影響道路安全和路面完整性。工程師需優化設計，確保高速公路的高效運行。實際設計過程中，需考慮道路的布局，優化路線和橫截面，以促進自然的冰雪脫落[11]。此外，在路面上使用防冰劑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氣候下的整體安全性和可靠性[12]。

3.3.3 冰融化劑使用策略

工程師通過使用融冰劑，如氯化鈉（巖鹽）、氯化鈣和氯化鎂，以減輕道路上冰的形成和持久性。融冰劑的選擇涉及有效性、環境影響和成本效益的考慮。

此外，可以采用防冰應用來主動防止結冰，確保路面在冬季條件下保持彈性，最大限度地減少對環境的影響[13]。

3.4 沿海地區設計策略

3.4.1 抗侵蝕措施

沿海環境中基礎設施面臨潮汐力和侵蝕等獨特挑戰，需采取針對性方法保護路基的穩定性。抗侵蝕措施包括各種技術以及在路面和底基層中使用抗侵蝕材料。工程師可以通過部署土工布或土工格室來加固路基，防止水土流失。

此外，采用植被或生物工程解決方案，增強海岸的復原力并最大限度減少侵蝕力的影響，以抵御自然力量。

3.4.2 水平標高設計

沿海環境容易受到風暴潮和海平面上升的影響，需采取細致的方法來確保高速公路對水位變化的適應能力。水平標高設計需確定高速公路的最佳高度和路線，并分析歷史海平面數據、預計海平面上升和風暴潮概率等因素，以減輕沿海洪水的影響，建立可靠的水平標高計劃。

此外，可以采用高架路堤、海堤或其他海防結構來保護高速公路免受潮汐力的影響，提高沿海公路抵御海平面上升的能力，有助于沿海地區交通基礎設施的長期可持續性和功能性，從而應對不斷變化的沿海條件給高速公路路基路面設計帶來的挑戰[14]。

3.4.3 耐鹽堿設計

沿海環境中，高速公路基礎設施長期暴露在鹽堿條件下，損害路面結構的耐久性和完整性。工程師需采用耐鹽堿設計來抵消鹽水和富堿土壤的腐蝕作用，包括使用耐腐蝕增強材料（如不銹鋼）以及在結構元件上應用保護涂層以提高彈性。此外，選擇具有抗鹽水侵入的路面材料也至關重要。通過優先考慮耐鹽堿設計，可以有效延長沿海公路的使用壽命和提供其功能，確保高速公路在惡劣的沿海條件下保持性能[15]。

4 結語

在高速公路設計中，充分理解并應對特殊地質條件至關重要。應對不同地區的挑戰需要靈活、創新的策略，以確保公路基礎設施的穩定性和可靠性。通過綜合考慮地下水處理、路基加固、防凍措施等設計方案，使高速公路能夠在巖溶、高濕度、寒冷氣候和沿海地區順利通行。不僅能夠提高高速公路的安全性和使用性能，還為未來的交通可持續性奠定堅實基礎，為社會提供更加便捷、安全的交通服務。