浅谈多年冻土区路基结构设计

浅谈多年冻土区路基结构设计

王琨冯小军马钢锋

中交第一公路勘察设计研究院有限公司陕西710068

摘要：本文通过考察青海省青藏高原地区多年冻土的实际情况，根据共和至玉树公路的工程实例对该项目多年冻土路基结构方案设计进行认真研究，针对不同冻土类型及路基状况而采用相应的路基结构型式，以确保路基质量稳定、结构可靠，并为以后类似状况冻土路基设计提供重要参考依据。

关键词：多年冻土；公路路基；设计原则；结构方案

一、概述

多年冻土在世界上分布很广，约占地球陆地面积的25%。我国的多年冻土多分布在北纬48°以北的黑龙江省北部地区以及西部海拔4300m～4500m以上的高原区，总面积约为215×104平方公里。

共和至玉树公路是青海省规划的“三纵、四横、十连线”高速公路网中的南北二纵线的重要组成部分，全长637公里。其中玛多至清水河段属青藏高原多年冻土区，处于青藏高原多年冻土带边缘。根据2011年的勘察资料，玛多至清水河多年冻土共109公里，其中少冰、多冰多年冻土段约67公里，富冰、饱冰多年冻土段约37公里，含土冰层多年冻土段约5公里。

二、冻土地区路基设计原则

多年冻上地段路基应采用“宁填勿挖，保护冻土，控制融化速率及综合治理”的原则，尽量以填方路基为主，采用保护冻土、主动降温和允许冻土融化的设计原则。

根据科研成果以及本项目的勘察资料，公路沿线冻土年平均地温基本在-2.5℃以上，属于高温冻土，具有地温高、退化速率较快的特点，是典型的高温不稳定型与极不稳定型多年冻土。

控制融化原则主要是使在路面设计使用年限内，路基下伏多年冻土的人为上限下降导致冻土路基产生的融沉变形在设计容许变形范围以内的原则。采取的调控措施可分为被动保护与主动冷却路基两种。

三、共玉公路多年冻土路基结构方案类型简介

（一）片块石路基

片块石路基结构是利用空气的流动来改变路基传热方式的一种通风路基，空气可在片块石层内流动，冬季以通风作用为主的强迫对流效应和较弱的片块石层侧向空气自由对流的复合过程是片块石冷却路基的作用原理。

片块石路基主要适用于富冰、饱冰冻土区。为了充分利用片块石自然对流机制，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、块石料填作为路基填料时，片、块石粒径取15～30cm，最小边长宜大于15cm，且长细比小于3，片块石强度大于30MPa。

（二）XPS板路基

所谓XPS板就是挤塑式聚苯乙烯隔热保温板，它是以聚苯乙烯树脂为原料加上其他的原辅料与聚合物，通过加热混合同时注入催化剂，然后挤塑压出成型而制造的硬质泡沫塑料板。它的学名为绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料（简称XPS），XPS具有完美的闭孔蜂窝结构，这种结构让XPS板有极低的吸水性、低热导系数、高抗压性和抗老化性。修筑保温XPS板路基是利用XPS板的低导热性特点，通过调控传热热阻达到控制多年冻土融化的目的，其基本原理和抬高路基是一致的。

XPS板路基适用于沿线冻土段路基高度不满足要求及零填、浅挖、路堑结构等路段。为满足使用要求XPS板抗压强度不应低于0.6Mpa，导热系数不应大于0.030W/m•℃，容重不小于40～45kg/m3。施工时，XPS板埋设在路面结构层下30～40cm处。

（三）热棒-XPS复合式路基

热棒是一种气液两相对流循环热导装置，由一根密封的钢管及管内的工作介质组成，钢管上部的散热叶片为冷凝器，下部埋入地基的部分为蒸发器，工作介质一般由液态氨、氟利昂、丙烷等物质构成。它利用热虹吸原理驱动工作介质循环管流动，当冷凝器和蒸发器之间存在温差时，工作介质在蒸发器中吸收热量，转化为气态介质，然后在上端冷凝器冷凝放出汽化热，从而将地基基础的热量传送到地表与空气进行换热。该气液两相对流循环过程是连续的，只有当蒸发器的温度低于冷凝器的温度时才停止。

热棒-XPS复合式路基主要适用于多年冻土区含土冰层路段。XPS板的技术要求与前面一致，热棒的规格为φ83×5mm，在工作温度为-5℃时，其传热能力不应低于6KW，工作温度-60℃～-50℃时，工作压力为0～2.2Mpa，可靠工作时间不低于20年，热棒沿路线走向间距为4m。

四、路基结构设计方案分析

现以富冰路段为例介绍具体设计方案。当路基高度大于2.5m且小于2.8m时，采取片块石路基处理，基底冲击碾压和填筑30cm砂砾后，填筑0.9m～1.2m厚的片石，片石上部用20cm厚碎石整平，碎石粒径5～10cm，其上再填筑30cm厚砂砾垫层，赠平层与砂砾层之间铺设透水土工布，砂砾层上部布设塑钢土工格栅；当路基高度大于2.8m时，片石层的厚度采用1.2m，其他结构相同；当路基高度小于2.5m时，采用基底局部换填或加强冲击碾压厚度，路基中增设XPS板的方式处理。未通过水草沼泽时，填筑30cm砂砾或石渣，通过水草沼泽时，则填筑50cm砂砾或石渣，将填筑的砂砾石或石渣用重型压路机冲击压入地面以下，冲击碾压不清除草皮，冲击碾压后上部填筑30cm厚砂砾，其上布设塑钢土工格栅，在路面结构层以下30～40cm处布设厚度6cm的XPS板，布设宽度应与半刚性基层宽度基本一致。

数值模拟分析的结果表明，在该区域片块石通风路基中的片块石层厚度为1.2m与1.5m的路基降温效果好于片块石厚度为0.9m的路基，随着片块石层厚度的增加，其降温效果也更加明显，人为上限的抬升也更加明显。因此，根据计算结果，结合试验路施工经验，综合考虑经济性与施工条件等因素，本项目多年冻土区片块石路基的厚度推荐选择1.2m。

五、结束语

截至目前该项目多年冻土区路基施工早已完成，现场检测资料表明，路基未出现沉陷、开裂、翻浆等冻土病害，路基状态稳定，使用状况良好。实践表明，通过对项目区域冻土状态的详细勘察，同时结合地形特点与线形几何指标，对不同的路段采用不同的结构类型及设计参数，以确保车辆行驶安全，保证路基质量稳定，延长道路使用年限，并为以后类似状况冻土路基设计提供重要参考依据。

参考文献：

[1]刘戈，朱东鹏，陈建兵，袁堃.多年冻土区高速公路片石通风路基施工工艺.公路交通科技应用技术版，2014，05：27-30.

[2]祁文斌.浅谈我省对多年冻土区路基设计.青海交通科技，2012，05：29，32.

[3]中交第一勘察设计研究院有限公司.共和至玉树（结古）公路两阶段施工图设计.2011.