关于冻土多年地区的公路路基设计技术探讨

唐亮辰

（扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225000）

在冻土区的公路工程运营中，受多年冻土特殊性状、车流量、自然环境、气候变化等因素的影响，常见热融沉降变形引起的路基病害，造成路基开裂、波浪凹陷、纵向凹陷或冻胀翻浆，影响公路行车安全。在公路工程建设之前，要做好路基设计工作，结合路基断面形式，优化路堤、低填浅挖段、路堑、边沟、排水沟、挡水埝和防水护道设计，以降低路基病害发生的可能性，保证公路路基工程质量。

1 冻土多年地区路基设计

多年冻土地区路基设计要做好前期勘测与调查工作，掌握全面的技术资料，以资料数据为支撑确定设计方案。资料包括气象变化、地形特征、季节冻融层厚度、多年冻土层上限与下限、热融变化原因、地下冰分布、冻土不良地质地段起止里程、冻土物理力学试验报告等方面的资料，在掌握资料后开展路基设计。

1.1 路堤设计

在路堤设计中，多年冻土地区的地质情况不同，所采用的路堤设计方案也会有所不同，具体包括以下设计方案。

1.1.1 冻土保护设计

在多年冻土地区公路工程建设中，经常出现人为改变天然地表传热条件，破坏原有地基热平衡状态的现象，导致多年冻土上限变化。路基设计应采用保护冻土设计技术，使路基保持最小临界高度，即控制最小填土高度，将多年冻土上限控制在一定深度内，不会发生融化现象，以增强路基稳定性。多年冻土地区路基设计中，确定路基合理高度是设计重点，路基过高会引发冻土产生融化偏移，造成边坡失稳。路基过低会造成冻土热融沉陷，缩短公路使用寿命。保护冻土设计适用于年平均低温为-1.5～-3.5℃的地区，路基设计高度公式为：

公式（1）中，H设表示路基设计高度；M 表示根据冻土类型和上限深浅确定的综合修正系数；H合表示路基填土合理高度；S 表示季节融化层压缩沉降量。

1.1.2 冻土融化速率控制设计

在含冰量高且年平均地温为-0.5～-1.5℃的多年冻土区路段中，采用冻土融化速率控制设计，能够有效解决冻土上限下降问题。路基设计可以采用热棒路基、遮阳板路基、碎石路基、隔热层路基设计方案，既可以采用单一的路基工程措施，也可以采用组合工程措施。如，设计防水保温护道、回填路基坡脚积水坑、合理确定路基高度等，达到保护冻土的目的。其中，路基高度设计是关键设计内容，按照以下公式进行测算：

公式（2）中，K 表示工程所在地的气温修正系数；P 表示多年冻土融化速率；φ 表示融化速度衰减系数；t 表示工程使用年限；m 表示填土当量换算经验系数。多年冻土融化速率P的计算公式如下：

公式（3）中，Δh 表示多年冻土人为上限下降值，ΔT 表示工程竣工到勘探的时间间隔。不同冻土类型的人为上限下降值Δh与填土当量换算经验系数m的取值范围图表1 所示。

表1 路基人为上限下降值与填土当量换算经验系数表

1.1.3 允许融化设计

在多年冻土地区路基设计期间，在地基满足以下条件时采用允许融化设计方案：

（1）基底地下水埋藏浅，属于少冰冻土，无法保证长期冻结状态。在此类多年冻土地区路基设计中，根据线型设计路堤高度小于临界高度，将冻土层挖除、换填，换填材料为渗水性土。

（2）基底地质为多冰冻土，融化后的沉降差较小，不易引发公路病害。针对此类多年冻土地区的路基设计，应采用非多年冻土路基设计，无需采用特殊工程技术措施。

（3）路基采用保护多年冻土设计难以取得预期效果，且多年冻土层正处于退化阶段，允许采用融化设计方案。在设计中，上部部分挖除，挖除深度控制在整个冻土层厚度的1/2 以上，下部采用冻土层震碎破裂技术措施，利用地下水温加快冻土层碎裂速度，直至冻土层消失。在路基设计时，要预留出适当的沉落量，增加路肩宽度。

1.1.4 融区与冻土岛设计

融区与冻土岛的多年冻土低温相对较高，该区域主要分布河谷阶地、河流两岸，受沥青路面吸热的影响，该区域冻土融区逐步扩大，易产生路基病害。在路基设计中，路基高度要根据最高地下水位、最大冻结深度、地表积水、土质等因素进行确定，同时还要综合考虑经济合理性因素，比选出最佳路基结构设计方案，包括XPS 板隔热层路基、钢纤维水泥混凝土路基、通风管路基、热棒路基等结构设计方案。

1.2 低填浅挖路基设计

低填浅挖地段易出现冻胀、冰害、热融下沉等问题，应避免采用低填浅挖设计。在执行公路路线技术标准的情况下，即填土高度不超过50cm的路堤，或开挖深度不超过50cm的路堑。低填浅挖路基设计期间，要综合考虑路段地区地质、水文和多年冻土含冰量的具体情况，采用技术可行的设计方案，具体包括：

1.2.1 对厚度不大、埋藏较浅的高含冰量冻土层，采用全部换填设计，如图1 所示，换填为水稳定性好的渗水性土层，厚度不小于60cm，优化设计基底边坡防护和纵向排水方案，保证路基结构稳定，避免出现边坡滑塌。

图1 全部换填断结构形式

1.2.2 对厚度较大、埋藏较深的高含冰量冻土层，采用部分换填设计，换填材料为粘性土、XPS 板隔热层等，将换填区域转换为水稳定性较好的填筑路基。

1.2.3 对埋藏较浅的少含冰量土层，采用预融回填设计，大断面开挖至设计深度，铺设简易路面，通车1～2 年，待冻土融化到预先设定的深度后，再确定设计标高，回填路基，铺设碾压路面。

1.3 路堑设计

在路堑设计中，要重点解决开挖后高含冰量冻土暴露于地基的问题，可能会引起基底沉融、边坡滑塌病害。路堑设计要确定断面形式、换填隔热厚度以及检算边坡地基稳定性，以避免出现上述问题。其中，断面形式可以采用以下设计方案：

1.3.1 一般断面形式设计，在开挖断面时留出超挖量，以保证季节最大融深在换填交界面上，如图2 所示。在图2 中，Δh表示坡顶折角处隔热层加大值，hT表示隔热层厚度。

图2 开挖断面示意图

1.3.2 浅宽侧沟断面设计，将加筋复合防水土工膜铺设在沟底，畅通侧沟。在侧沟上方设计平台，在平台配置坡脚干砌片石支垛，增强边坡稳定性，便于水分排出。

2 路基地面排水与侧向保护设计

2.1 边沟设计

根据多年冻土地区路基边坡高度、积水情况、地质类型设计边沟断面形式，要求路线纵坡与边沟沟底纵坡一致，应超过0.3%。在边沟结构设计中，对冻胀严重路堤或垭口路堑，采用“U”型预制拼装边沟，为防止边沟水下渗，在边沟底部设计防水加筋复合土工膜。土工膜采用宽浅形式，将土工膜设置在细砂砾层中间部位，细砂砾层厚为20cm。多年冻土地区路基边沟设计避免采用土质边沟设计和刚性浆砌边沟设计，前者易出现边沟两侧坍塌，后者易出现边沟开裂。

2.2 排水沟设计

路基排水沟设计采用三角形或梯形断面，一般为宽浅形式，降低排水沟对冻土层带来的热干扰。如图3，图4 所示。在排水沟设计中，底宽大于60cm，深度小于40cm，选用泥炭作为排水沟边坡材料，根据粘性土塑性指标确定泥炭比重。在设计纵坡较大的排水沟时，要采用干砌片石加固，将防水土工布铺设排水沟底部和两侧，延长排水沟使用寿命。

图3 梯形边沟示意图

图4 预制梯形边沟示意图

2.3 挡水埝设计

在挖方边坡一侧汇水面积大，或者路基一侧相对较高时要进行挡水埝设计，挡水埝设置在路基上方一侧10m 之外的位置，避免水渗入路基。挡水埝的高大于80cm，顶宽大于100cm，外侧坡率为1:1.5-1:2，内侧坡率为1:0.5-1:1。在多年冻土地区的山坡地段路基设计时，应对排水设计采用防渗漏技术措施，同时适当增大挡水埝的尺寸，并采用铺砌加固技术措施；在路基两侧较为平坦且相对走低的地段设计大弧度连续挡水埝，顺接排水沟，避免地面水侵蚀路基。

2.4 防水护道设计

防水护道设计条件为：在路基侧沿坡脚积水无法顺流到排水沟时应设计防水护道，利用防水护道将积水挤到路基坡脚5m以外，避免路基侧积水下渗；在路基经过低凹地表时应设计防水护道，避免低凹处积水，防水护道位于路基两侧，宽度为2～3m，高为0.8～1.5m，向外横坡4%，如果该路段积水时间较长，则要将设计宽度增至5m 以上，设计高度应高出积水位0.5m。

3 结论

本文主要论述了冻土多年地区的公路路基设计技术，针对不同的多年冻土地区地质情况，提出了不同的路基设计方案以及地面排水与测向保护设计方案，能够满足多年冻土地区的特殊地基处理要求，大幅度减少因热融沉降变形引起的路基病害，有助于进一步提升特殊路段地基设计水平。