多年冻土地区公路填方路基设计过程与方法

收稿日期：2011－07－11作者简介：任玉林（1962－），男，陕西榆林人。

高级工程师，主要从事公路路基勘察设计相关工作。

E-mail ：houhuailiang @ 。

多年冻土地区公路填方路基设计过程与方法任玉林，侯怀亮（中交第一公路勘察设计研究院，西安710075）摘要：多年冻土公路路基是公路工程特殊路基的一种，通过对以往多年冻土路基填方处理设计方法的总结与介绍，提出一般多年冻土路基填方设计的简要技术路线。

同时指出《公路路基设计规范》（JTG D30－2004）中存在的问题，以及使用数值模拟计算成果用于设计的风险，提出多年冻土区高等级公路建设面临的新问题。

关键词：一般多年冻土；填方路基；设计方法中图分类号：U416.1+68文献标志码：A 文章编号：1003－8825（2012）02－0128－030引言我国多年冻土主要分布在东北和西北地区，随着西部大开发战略的不断深入和东北振兴计划的推进，近年来多年冻土地区的公路建设里程逐年增加。

特别是青藏高原所属的高寒海拔地区的公路建设近年来表现出跨越式的发展需求，从建设环境来讲建设区大多是地势平缓，公路建设以填方为主。

因此多年冻土地区公路填方路基的设计成为公路建设路基设计的重要内容［1－5］。

1多年冻土地区公路工程建设标准以往我国多年冻土地区的等级公路主要以三级为主，随着近年来改建工作不断深入，部分国道的部分路段基本达到二级公路标准。

具有代表性的有109国道格尔木至拉萨段，214国道共和至玉树段等部分路段。

二、三级公路的几个重要特点是公路构筑物较少，防灾能力有限，路基宽度较窄。

我国在多年冻土区的公路科研试验和经验成果也是以以上公路为重点而开展的。

2多年冻土地区公路填方路基变形特点及设计原则2.1多年冻土地区填方路基变形特点我国现有经验总结和早期观测资料主要以三级公路为主，老路路基高度普遍低，路基病害大部分为热融沉降变形，即冻土路基下地温逐年升高，地下冰融化，多年冻土上限下降所致。

多年冻土路基病害的主要表现形式为：路基横向倾斜、阳坡路基变形过大而引起的纵向裂缝、纵向凹陷、沉陷、翻浆、波浪等不均匀沉降变形，高含冰路段更为严重。

值得注意的是目前的经验总结以二，三级公路为主，路基宽度较窄，而高等级公路路基较二，三级公路路基宽度增幅较大，必然在引起路基横向裂缝、横向凹陷、沉陷、翻浆、横向波浪等不均匀沉降变形同时，与路基纵向的变形相结合，形成变形特征更加复杂的路基病害。

2.2多年冻土地区填方路基设计原则目前我国对多年冻土路基的设计主要遵循保温、降温、融化等三种原则。

保温原则就是在现有自然升温条件下，冻土埋深较深的多年冻土路段采用被动保护多年冻土的工程措施，保护冻土天然上限不下降和延缓多年冻土的融化，使之在路基设计年限内能有效维护多年冻土路基稳定的设计原则。

保温原则主要分两种，一种是自然保温，即采用填土路基保温，通过保证一定路基填筑高度来维护路基下多年冻土的稳定，是目前最为经济简单的处理方法；另一种是采取特殊措施保温，如铺设保温板、路基两侧铺设保温护道等。

降温原则主要针对冻土含冰量较高、冻土上限较浅以及冻土厚度较大的多年冻土路段，采用主动冷却、增强对流等工程措施，降低多年冻土地温或控制多年冻土地温因气候变暖而上升的升温趋势，在路基设计年限内能有效保护多年冻土稳定的设计原则。

目前采取的主要措施有热棒路基、片块石路基以及以上措施组合的复合形式路基。

融化原则主要针对少冰、多冰冻土路段，以及含冰量较大使冻土层较薄的冻土路段。

在公路修筑及运营过程中、多年冻土全部或部分融化，确保公路建成后路基路面的不均匀沉降满足使用要求。

融化可分为自然融化和加速融化两种，自然融化指不采取特殊保·821·路基工程Subgrade Engineering2012年第2期（总第161期）护措施，路基只进行清表处理或者直接填筑路基，使路基下多年冻土自然融化。

加速融化指对多年冻土层采取破坏的原则，将路基下多年冻土层全部或部分挖除，或者采用碎石桩加生石灰等加速多年冻土融化。

3多年冻土地区公路一般填方路基设计根据《公路路基设计规范》（JTG D30－2004）所推荐的公式计算，多年冻土地区沥青路面路基临界高度为h 下=2.88－0.42h天h 上=5.03－0.81h天（1）式中h上，h下分别为上临界高度和下临界高度；h天为冻土天然上限。

根据勘察资料逐段计算上临界高度和下临界高度，使路堤设计高度在h上 h下范围之内。

一般填土路基设计的思路就是按照《规范》推荐的公式计算临界高度，使路基高度满足规范要求而不需要采用其他工程措施。

因此填筑高度的确定是一般填土路基设计重点。

4特殊调控填方路基设计依据热传导理论，结合以往多年冻土地区公路整治改建工程和青藏铁路建设经验，特殊调控路基主要以对流调控为主、辐射调控与传导调控为辅，工程措施主要有片块石路基、XPS板路基、热棒路基等。

4.1片、块石路基设计片、块石路基设计重点主要是片块石的粒径、强度和砌筑体的厚度、宽度。

根据试验研究，片、块石粒径选择时要考虑两个方面，首先要有利于片、块石路基的通风对流，保护路基下的多年冻土，使冷空气在片、块石中易进难出，其核心是最佳孔径的问题。

其次片、块石体中的空隙大小决定气流速度的大小。

有室内试验表明：为充分利用自然对流机制，应采用单一粒径的片、块石铺设路基，不应采用不同粒径的混合结构。

片、块石填料作为路基填料时，片、块石粒径取10 25cm，最小边长宜大于15cm，且长细比小于3；片、块石强度大于50MPa。

根据以往工程经验和室内试验的对比分析，片、块石路基宽度小于8m时，片、块石层厚度宜取80 150cm最为经济合理。

4.2XPS板保温材料板的路基设计XPS板主要是利用其导热系数小、热阻高的特性，调控路基上表层与下伏表层的传导换热，阻止上部热量进入下部土层，减少传入基底的热量，提高冻土路基稳定性和避免诱发新的路基病害，起到保护多年冻土路基的目的。

保温板路基的设计首先是选定XPS板。

因为保温板的隔热性能取决于其材料自身的性质。

在选用时要对材料性能进行室内试验确认，如抗压强度（kPa）、导热系数（W/m·ħ）、体积吸水率（%）、表观密度（kg/m3）以及冻融循环后材料的稳定性等。

保温板选定后，需要确定保温板的设计厚度和铺设位置。

修筑保温XPS板和抬高路基都是通过调控传热热阻，达到保护多年冻土的目的，其基本原理是一致的，因此从热阻的角度，可以将两者进行等效处理。

为保证热阻相等，两者存在以下关系deke=dsks即ds=de·kske或de=ds·keks（2）式中de，ds分别为XPS板与等效土体的厚度；ke，ks分别为XPS板与等效土体的导热系数。

考虑到保温板以上土体为砂砾与碎石土，其具有较好的水稳定性，施工较易压密，因此一般等效计算的过程中，忽略水份迁移对土体导热系数的影响，同时可加大导热系数的权重影响，经分析，只有在夏季当外界热量向路基内部传递时，增大路堤热阻才有实际意义；相反在冬季则希望热阻越小越好，因此保温板可以等效填土厚度的思路进行设计。

目前流行的验证公式为d合=0.0542·ke·△tks－1.1045·ke·h0天ks+4.7876·keks－keks（hu+hd）（3）h0天=0.0232·（t－1999）+2.01（4）式中d合为XPS板合理厚度；H合为砂砾、碎石土作为路堤填料的路基合理高度；hu为XPS板上土体厚度；hd为XPS板下土层厚度；△t为设计计划运营年数；h0天为初始天然冻土上限；t为1999年后的一个具体年份，如2019年。

通过验算后，一般情况下，d合计算厚度很小。

工程设计时一般对照现有的科研成果和以往工程经验，建议采用厚度6cm或8cm。

从以上数学模型中可看到，XPS板埋设在表层或浅层较好，埋设愈深，隔热效果愈差；但是从路面结构形式、力学角度考虑埋设在表层又不现实也不利于其上施工碾压作业。

根据车辆荷载的特点和路面下应力扩散原理，以及XPS板板材容许承载力等条件，可按式（5）计算XPS板合理埋设深度。

2pdd+2h tgφ+hγ≤δ（5）式中p为轮胎压强，MPa；d为单轮传压面当量圆直径，m；γ为XPS板以上各结构层容重加权平均，MN/m3；φ为XPS板以上和结构层应力扩散角加权平均值，（ʎ）；h为XPS板合理埋深，m；δ为XPS板容许压应力，MPa。

·921·任玉林，等：多年冻土地区公路填方路基设计过程与方法以标准轴载BZZ—100，φ=36ʎ，γ=0.023MN/m3，δ=0.58MPa（γ、φ取值可能有偏差），p=0.7MPa，d=0.17m为例，经计算：h≥0.17m。

设计时考虑到计算模型的局限性，安全储备系数的设置以及便于施工等因素，XPS板隔热层的埋置深度一般在路面结构层下30cm左右。

4.3热棒路基设计热棒技术是上世纪70年代初发展起来的一种用于土木工程中无需外加动力的冷冻技术。

主要依据工质的气－液转换间的相变热量差将地基中的热量带出。

热棒由金属外壳和内置工作介质组成，当其垂直放置在重力场中，上部环境温度低于下部环境温度时，不需要任何动力，就可把低处的热量源源不断地送到高处，也就是说它可以把高处的冷量源源不断地送到低处，以降低下部环境的温度，但是工程造价偏高。

热棒路基设计要点是确定其埋设深度、设置间距、布设方式。

热棒的埋设深度主要以被处治构造物的基础埋深和地基弱化深度为依据。

一般情况将热棒插至多年冻土层大于最大融化深度以下，不但可以减少冻胀过程中的切向冻胀力，也可以消除法向冻胀力，保证热棒地基基础的稳定。

根据以往试验经验可工程类比设计中埋深，一般取6 10m。

热棒间距主要根据其制冷的有效半径确定。

目前我国三个厂家生产的热棒功率基本相等，以往科研试验和在青藏公路、青藏铁路的使用情况，其有效半径在2m左右，依据对地基处治的要求不同，热棒间距一般为有效半径的1.0 2.5倍。

布设时按照组织科学，技术先进，费用经济的原则进行。

5简述多年冻土区某二级公路工程路基施工图设计过程①根据勘察报告找出多年冻土融区，以及少冰、多冰、富冰、饱冰多年冻土和含土冰层路段进行分段分类。

②找出多年冻土各段的平均上限，计算融沉等级。

③根据《公路路基设计规范》（JTG D30－2004）所推荐的公式计算多年冻土段路基临界高度。

④根据计算结果向路线总体工作组提交准备采用填土保温路基段落的填土高度建议值。

⑤选择受路线纵坡限制超出建议填土高度范围的路段进行特殊调控设计。

⑥全线核查虽然满足路基计算填土高度要求，但设计人员认为仍需要改善处理的段落进行特殊处理。