多年冻土路基设计方案研究

李任永

（唐山市曹妃甸区交通运输局，河北 唐山 063299）

1 工程概况

某公路工程与国道和省道相连，在整个路网中具有重要作用。该路段沿线上除了有大量的山区之外，还有一些高原台地及河谷、丘陵，地势呈西高东低的走势。公路沿线两侧山区内的沟壑较多，坡度较大，基本都超过50°。沿线区域气候特点为冬季时间较长、温度偏低，现场调查发现，整个路段上有大量多年冻土区域。为确保路基修筑顺利完成，要针对多年冻土设计合理可行的方案，本文就此展开详细分析。

2 多年冻土路基设计方案

2.1 多年冻土的分布情况

本工程中，公路沿线经过的区域存在大量的多年冻土区，从地质条件上看，多年冻土与季节性冻土相接，使得这个区域内的地质条件变得非常复杂。由现场勘查结果可知，冻土的性质为不稳定退化性，全线分布的多年冻土约为14.5km，除去隧道段的冻土，待处治段落的冻土长度约为8.5km，其中包含多冰和少冰冻土带，大部分冻土温度在-0.5℃左右[1]。

2.2 预测冻土退化趋势

本次公路修筑中，以现行规范标准作为主要依据，结合工程所在地多年冻土的退化规划，编制设计规划，找出最佳的路基设计方案，确保工程建设顺利完成。对公路沿线途径的多年冻土区域的冻土退化趋势准备预测，有助于公路修筑工作的开展，并且还能为后期病害防治措施的制定提供依据。在具体预测时，可利用有限元分析软件，对比分析沿线区域的气象与地质资料，以此作为模型的计算边界条件，通过模拟计算，得出多年冻土的变化情况，为路基设计档案提供指导。由相关计算结果可知（限于篇幅，计算过程省略），该公路沿线上所有的冻土都会随着温度的不断升高而出现退化的现象，并且温度越高，退化速度越快。但是不同种类的冻土退化速度存在差异，具体如下：厚度为2.0m的冻土，少冰的大约3年能完全消融，多冰的大约需要5年才能全部消融；厚度为4.5m的冻土，少冰的消融时间约为10 年，多冰的则至少要12 年能够消融；厚度为11m的冻土会随着温度升高出现退化的现象，但却无法在12年以内完全退化[2]。

2.3 路基设计要求

多年冻土是一类比较特殊的土体，在多年冻土上开展路基设计时，要综合考虑冻土区域额的生态环境、路基结构的稳定性、路面行车的舒适度等方面，依据现行规范标准的规定要求，选取最为适宜的路线，提出合理可行的路基设计方案。需要指出的是，在路基设计尽管遵循保护冻土的原则，但路基修筑过程中，无法避免对冻土层的扰动。由于冻土受到外界因素的作用，内部结构会发生破坏，很容易引起路基病害，当多年冻土受到温度变化的影响时，冻土可能会逐步融化，此时路基会发生沉降。所以在多年冻土路基方案设计前，应明确设计要求，具体如下。

2.3.1 保护冻土

多年冻土的形成与自然环境密切相关，在多年冻土区域内开展路基修筑时，冻土区的自然环境受到热能条件的影响会发生改变，冻土内部结构的平衡性会被打破，天然上限随之发生改变，可对该上限做如下定义：人为上限。对路基设计时，保护冻土是采用工程技术措施，减少对土体自然状态的破坏，避免影响冻土层的内部结构稳定性，使人为上限保持在稳定范围内，提高路基的结构安全性。

2.3.2 控制融化速率

实践表明，在多年冻土区域内开展路基修筑或是其他活动时，会使冻土区的热能发生改变，受到人为因素的影响，冻土的内部结构平衡被打破，冻土天然条件遭到破坏，天然上限发生变化。通过对冻土的融化速率加以控制，可以减轻对多年冻土区域内路基下部冻土层的影响。因此，在路基设计中，应保证冻土的冻融速率始终处于可控范围。为实现这一目标，就要确保冻土的人为上限稳定，最大限度减轻外界因素的影响，降低路基冻融沉陷变形发生的概率，使道路的使用性能可以得到正常发挥。在高温冻土区域内，路基中的含冰量相对较高，采用常规的设计方法，很难使冻土的融化速度达到要求。此时可结合现场情况，对冻土区域内的地温变化加以调控，可以使用的方法有以下几种：导热棒路基、块石路基或是遮阳板路基。对于一些地质灾害较为严重的冻土地区，常规调控方法无法解决融化速率问题时，可将多种调控方案联合使用，或是采用架设桥梁的方法予以处理。

2.3.3 不保护冻土

在冻土区域内零星分布的冻土，因比较分散，冻土层不集中，使得这部分冻土会持续不断出现退化的现象。在路基设计时，针对此类冻土层可以不保护。修筑路基的过程中，利用工程技术措施，在零散冻土路段内，设置缓冲过渡区，使这部分冻土在路基修筑期间彻底融化，以避免路基修筑后产生沉降。

2.3.4 融区与冻土岛

通过对多年冻土区域调查后发现，在连续的冻土层中，存在数量较多的融区及冻土岛，主要的分布区域如下：湖泊周围、河流沿岸等。这些区域具有一个相同的特点，即地温较高。当路基设计中，遇到融区和冻土岛时，要对补给水的来源予以充分考虑，同时，还要考虑地质条件、地形地貌等因素，从而使选择的路基形式合理。当路线从面积较小的冻土岛穿过时，可对融化速率加以控制，并采取工程技术措施对冻土予以保护。同时，对不同的设计方案综合比选，从中选取最优，确保路基项目建设能够顺序开展。

2.3.5 综合治理

目前，大部分公路工程采用的都是沥青混凝土路面，这种路面结构的优点较多，但在多年冻土区域内修筑公路时，若是使用沥青混凝土路面，会因路面吸热导致温升过高，这部分热量会通过路基传递给下部的冻土层，冻土受到热量的影响，融化速度会大幅度加快，随着冻融循环，路基会形成工后沉降。为防止上述问题的发生，在多年冻土区域内开展路基设计时，应采取综合措施保护冻土层，遵循预防为主、减少辐射、阻隔热传递、主动保护等原则，避免冻融循环。

2.4 设计方案

在公路工程项目建设前期，路基设计是较为重要的环节之一，直接关系到后续施工能否顺利开展。本工程中，沿线上存在大量的多年冻土区域，给路基设计增添一定的难度。具体设计时，除了要以现行规范标准作为依据外，还要充分考虑冻土的病害机理，遵循预防为主、防治结合的原则，对多年冻土区域的路基修筑方案合理设计。

2.4.1 路基高度

多年冻土是一种持续多年冻结的土石层，它由上层和下层两个部分组成，通常情况下，在夏季时，多年冻土的上层会融化，该层被称之为冰融层，而下层常年处于冻结的状态。通过对多年冻土的不断研究，现已基本掌握其性状，工程设计人员对多年冻土的认识也进一步加深，借助相关的计算方法，能够确定出多年冻土路基的高度。以往保护冻土最为简单的方法是在路基设计中采用填方路基，由于设计初期，并未充分考虑路基填筑高度对冻土所产生的影响，使得设计的路基高度是以一般道路作为参考依据，未采取技术措施对冻土加以保护，导致大量的冻土层遭到严重破坏。基于此，要对多年冻土路基设计加以完善，确保设计出来的路基高度合理可行，达到保护冻土的目的[3]。多年冻土区域的路基临界高度可以通过相关的公式计算得出。为避免路基在冻土融沉的过程中出现破坏的情况，必须使设计的路基高度合理，保证最大融沉深度在设计使用年限的最大天然上限以内。需要着重阐明的一点是，多年冻土路基设计的合理高度，是在综合考虑多方面因素的基础上提出，包括工程所在地的气候变化、冻土上限的变化规律以及年均地温等，由此设计出来的路基高度能够满足实际需求。对于高温冻土区，在路基高度设计时，必须采取有效的防护措施，降低病害的发生概率[9]。

2.4.2 边坡设计

边坡作为公路的重要组成部分之一，是设计的重点环节。公路边皮设计中，对坡度确定时，需要对以下因素综合考虑：工程所在地的水文地质条件、地形地貌特征、路基填筑高度、土体性质等。依据相关规范的规定要求，一般道路的边坡坡度取值为1∶1.5～1∶1.75。而多年冻土区域的土体性质比较特殊，所以，在含地下冰层的土体上对路基修筑时，可将边坡的坡度调整为1∶1.5～1∶2.0[4]。由于边坡坡度并不会对路基内的多年冻土温度场产生直接影响，故此，在对路基边坡坡度设计时，可将水文地质和地形地貌作为重点考虑因素，并从技术适用性和经济合理性两个方面，对坡度加以确定，使设计出来的边坡坡度和边坡形式，满足多年冻土区域路基修筑需要。

2.4.3 排水设计

多年冻土路基排水设计中，要对排水设施合理选择，降低水损害的发生概率，在确保路基结构稳定性的前提下，延长公路使用寿命。为使路基排水能够保持畅通，在防排水设施设计时，要与边坡坡脚保持足够的距离，避免低洼位置处积水，增大路基结构层的含水量，引起冻融循环[10]。

（1）边沟。在选取多年冻土区域内的边沟断面形式及尺寸时，要综合考虑以下因素：边坡高度、水文地质条件、地形地貌特征等。为使路基排水能够保持顺畅，在设计边沟时，要让其地面坡度达到0.3%以上，并与边坡的方向保持一致[5]。若是路线穿越的区域冻胀比较严重，则可将边沟设计为U形，在工厂预制现场拼装，并在边沟的基底铺设防水膜，避免雨水从边沟渗入基底或是路基，可将横向宽、纵向浅的断面形式作为多年冻土区域路基边沟的首选。

（2）排水沟。在设计多年冻土区域内的道路排水沟时，可将普通道路的排水沟设计方案作为参考依据，排水沟的断面形式则可选用三角形或是梯形[6]。为避免排水沟修筑过程对多年冻土造成扰动，排水沟的断面形式应横向较宽、纵向较浅，并依据实际确定排水沟的边坡坡度。为使雨水能够从排水沟顺利排出路基以外，可设置较大的排水纵坡，而排水沟的末端，要尽可能连接自然河流，在无法连接的情况下，可挖设集水坑。

（3）截水沟。在多年冻土区的路基排水设计中，截水沟的主要作用是防止地表水引起冻胀破坏。与一般道路的排水沟设计不同，截水沟必须达到100cm 以上，深度不得少于80cm，内外侧采用缓坡[7]。冻土区域的土质相对比较松散，透水性好，容易使流水渗入路基，进而引起冻胀，造成路基结构层损坏，严重时可能还会导致边坡坡体滑塌。为此，在冻土路基截水沟设计中，必须采取有效的防渗措施，如边坡和底部防冲刷等。部分多年冻土位于平缓的地势上，设置截水沟时，可以选用大弧度的截水沟，并按照地势走向对截水沟的纵坡进行设计，以排出路基外积水。要尽可能使截水沟与自然河流相接，并采取有效的措施，避免河水回流[8]。

3 结语

本次公路修筑中，以现行规范标准作为主要依据，结合工程所在地多年冻土的退化规划，编制设计规划，找出最佳的路基设计方案，确保工程建设顺利完成。多年冻土区域的路基临界高度可以通过相关的公式计算得出。为避免路基在冻土融沉的过程中出现破坏的情况，必须使设计的路基高度合理，保证最大融沉深度在设计使用年限的最大天然上限以内。需要着重阐明的一点是，多年冻土路基设计的合理高度，是在综合考虑多方面因素的基础上提出，包括工程所在地的气候变化、冻土上限的变化规律以及年均地温等，由此设计出来的路基高度能够满足实际需求[11]。对于高温冻土区，在路基高度设计时，必须采取有效的防护措施，降低病害的发生概率。

在多年冻土区域修筑路基时，为最大限度减轻冻土层对路基的影响，应设计出合理可行的方案，并采取有效的排水设施，确保排水畅通，延长公路的使用寿命。未来，应加大多年冻土路基设计方面的研究力度，逐步提高设计水平，使设计出的方案，满足公路路基建设需要[12]。