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摘要：本文以青海某拟建高速为依托，介绍了项目区多年冻土特征，并调查和研究了临近既有冻土路基，揭示了本区多年冻土路基病害形式；结合拟建道路工程特点，确定冻土路基设计原则，并提出了整治措施和建议。希望可以为多年冻土区路基设计提供参考。
关键词：多年冻土；路基病害；整治。
1 引言
青藏高原属于高寒高海拔地区，多年冻土分布极为广泛，约占我国多年冻土面积的70%。在该地区修建构造物有许多特殊的工程地质问题，其中“冻土”问题是极为重要的关键因素。冻土易造成道路冻胀，翻浆、松散冻融、融沉、低温开裂，边坡热熔滑塌等，严重地危及着道路的安全和稳定。随着我国西部大开发的持续推进，尤其是近些年国家加速了对青藏高原的基础设施投资，如何解决“冻土”问题成为筑路科技工作者探索和研究之最热门课题之一。
2 项目区多年冻土特征及退化预测
2.1 多年冻土特征
祁连山区多年冻土分布在海拔3400m以上，具有明显的高度地带性特征，纬度37̊ 40̍ ～39̊ 50̍ N。该区海拔随着纬度升高，在两者的共同作用下，多年冻土连续性也逐步变好：岛状冻土区→片状冻土区→连续多年冻土区。
勘察结果表明，项目区内多年冻土均为岛状多年冻土、年平均地温介于-0.05℃～-0.72℃之间，为高温极不稳定型多年冻土～高温不稳定型多年冻土，天然上限1.4～3.5m，总体上沿线共有14段岛状多年冻土，合计7214m，其中低含冰量多年冻土分布长度为2.214km，占多年冻土分布段落的30.69%；高含冰量多年冻土沿线分布长度为5.000km，占多年冻土分布段落的69.31%。
2.2 沿线多年冻土退化预测
朱林楠等前辈曾在上世纪90年代进行了国道G227扁都口～达坂口段公路冻土勘察，其将勘察成果得出的冻土下限与地表冻土形迹存在的下限高程进行了比对，从而得出该区冻土下限有大幅度抬升，幅度80～100cm。根据本次勘察成果，与之前对比，俄博岭（垭口海拔3690 m）段多年冻土退化明显，其冻土下限又有了大幅上升，其垭口阳坡段冻土已不复存在，阴坡面冻土下限变化不大，与前辈们的结论基本一致，这是全球变暖影响的结果。而阴坡段坡冻土没有退化是因为其处于迎风面，冬季寒流影响的结果。
3 多年冻土路基病害形式
通过搜集和整理既有G227、G109和G214等多年冻土区的调查研究资料得出：项目区冻土路基绝大都有沉降变形，占冻土路基病害的80%以上。其主要是因为修筑路堤或开挖路基，很大程度上改变了原有冻土区的工程地质条件，破坏了冻土原有的保护层，从而使冻土热熔，冻土上限下降。有的地方由于填筑高度过大，产生了阴阳坡效应，造成多年冻土上限横向的极大差异，抑或是多年冻土含冰量在平面和垂直方向分布的不均匀，从而产生不均匀沉降，主要表现为路面层或者是路肩等部位出现纵向裂缝，宽度一般几毫米或几十毫米，延伸一般几米甚至几十米。其变形量大小主要取决于多年冻土的含冰量（含冰量越大，融沉越大）、物质组成（细粒土变形最大）以及年平均地温（温度越低越稳定）。在平面和竖直方向上，多年冻土含冰量的分布不均匀，个别地方差异可能很大，导致路基出现裂缝，发生不均匀沉降；边坡的热熔滑塌，由于路堑工程或挖方取土，直接导致冻土埋藏深度变浅或完全裸露、冻土上部开始融化、边坡土体含水量急剧增大、岩土体抗剪强度降低，极易诱发边坡开裂、滑塌；路基冻胀，主要发生在以粉质粘土、粉土等细颗粒为主的地段，是冻土区另一重要病害，其不仅造成道路翻浆，也可以导致桥梁、涵洞等的破坏，使其基础上抬、倾斜，造成梁板起拱。
4 冻土路基设计原则与设计控制指标
4.1 冻土路基设计原则
①尽量避开多年冻土区或绕开高含冰冻土区。
②挖除高含冰土层，回填粗颗粒土，适用于高含冰量土层埋藏较浅，且厚度较小的高温不稳定多年冻土。
③允许冻土层逐步融化，适用于土层含冰量不高，冻土融化不会对路基路面造成破坏性病害的路段，少冰、多冰冻土路段可采用此方法。
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④保护多年冻土
一般对于低温、高含冰量冻土，其融化或冻结可能会引起路基较大的变形或冻裂时，此时采取保护的原则，根据工程经验，具体适用于以下几种情况：
①富冰及以上高含冰量多年冻土区应遵循“宁填勿挖”的指导思想，尽量不要采用挖方、低填路基；
②高温多年冻土区路基设计采用“一般保护”原则、控制其融化速率，可以使用片块石路基、片块石+通风板路基、片块石+通风管路基、通风管路基、片块石和通风管组合路基、热棒-XPS复合式路基以及以桥代路和加强道路侧向保温及加强排水等多种冻土复合路基处理措施。
③低温多年冻土路基设计以“保护冻土”为原则，具体方案为：提高路基设计高度与设置XPS板隔热层，以抵消黑色路面吸热的影响，同时还要做好侧向保温以及加强排水设施等。
4.2冻土路基设计控制指标
①变形控制指标
冻土路基设计主控因素为路基变形量，采取合理的控温措施、加强路基排水并加大路基自身强度，可以很好地控制其变形量，从而保证路基的稳定性。通过总结分析多个多年冻土区公路的变形监测资料发现需将路基的变形量控制在2cm/年～3cm/年。借鉴以往设计文件，本项目多年冻土地区路基的变形控制指标为：12年内总变形量小于30cm；且最大变形量小于等于2.5cm/年。
②路基临界高度
根据前人的研究成果可知：通常在路基高度为1.8m时，基本可以保证冻土人为上限与天然上限的变化率一致，不会发生显著下降。因此，本次冻土路基高度尽量大于等于1.80m，同时也尽量避免填方过大，因为高路基会使路基形成不冻夹层和阴阳坡效应。
根据地勘成果，项目区多年冻土天然上限多在2m。根据《公路路基设计规范》所推荐的公式可以得出本次冻土路基的上、下临界高度分别为3.5m和2.0m，与青藏公路调查结果基本吻合。
5设计方案
参考青藏高原地区多年冻土路基处理经验及教训，并结合本项目具体工程地质条件及项目特点，确定了本项目冻土路基的设计方案：对下限小于4m的多年冻土路段，一般采用不保护的原则、让其融化，可以将其全部挖除，并回填粗颗粒土（砂砾、碎石或片块石）的设计方案；对下限大于4m的多年路段，可以采用保护冻土的原则，控制其融化速率，采取 “主动降温与被动保护相结合、治理路基病害与治理环境相结合”的工程措施。
本项目所在区域内冻土多为富冰、饱冰多年冻土，本项目为高速公路，整体式路基宽度为26m，分幅式路基宽度单幅为13m，现有工程措施是在青藏公路10m路基下研究得到的。在本项目应用时需采用复合措施加强冻土冷却效果，具体路基设计方案如下：
①整体式路基路基高度小于1m的低填路基、半填半挖路基及挖方路基段，分幅式路基高度小于2m的低填、半填半挖路段，本次在设计时采用热棒+XPS板复合路基形式，XPS板设置于路面结构层下50cm处，宽度与路面等宽，热棒采用3种形式，路中使用直插式热棒，间距2m一根，路基两侧采用L型热棒，间距2m一根。L型热棒有两种形式，两种热棒斜插角度不同，间隔设置，强化冷却路基效果。
②路基高度大于2.5m小于3.5m的整体式路基填方段，本次采用1.5m厚片块石路基。片块石路基在多年冻土区青藏公路、青藏铁路、共和-结古公路、柴木铁路等已广泛使用，从工程使用现状看，整体效果良好，路基稳定。
③整体式填方路基，路基高度大于3.5m，小于4.5m时以及路基高度大于2.5m的分幅式填方路基，采用片块石+通风板路基，使用1.5m厚片块石路基，顶部设置一层通风板，强化片块石制冷效果。
④整体式填方路基，路基高度大于4.5m时，采用片块石+通风管路基，使用1.5m厚片块石路基，顶部50cm以上设置通风管，强化路基整体的制冷效果。
⑤分离式路基填方路基，可采用通风管路基形式，通风管间距2m。通风管路基适用于富冰、饱冰多年冻土区，路基高度大于1m的填方路段；也可采用厚1.5m片块石路基。
⑥本次设计中热棒-XPS板复合路基主要用于整体式路基路基高度小于1m的低填路基、半填半挖路基及挖方路基段，分幅式路基高度小于2m的低填、半填半挖路段。对于整体式路基，本设计路基宽度整体式路基为26m，远远超过热棒的影响半径，研究表明，在大尺度路基条件下，路中的人为上线将会大幅下降，形成一个更大的融化盘。为了保证特殊路基的制冷效果，在设计时选用了二种形式的热棒，其中I型热棒为下部倾角为15度的热棒，II型热棒热棒为下部倾角为30度的热棒。整体式路基在路基间隔设置I型热棒及II型热棒，两种热棒的间距为2m，两侧同时布设。在路中位置设置I型热棒，间距2m，相邻两个热棒反向倾斜角相反布设，具体平面布设见设计图。路基设置2种形式的热棒，是因为本方案中路基尺度较大，不同下倾角的热棒可以对路基不同位置进行冷却，路中热棒在间隔位置反向布设可以加强路中的冷却效果，最终加大热棒路基整体的冷却范围。
图1 整体式路基热棒布设位置图
⑦多年冻土地段的地表处理方案原则具体如下：不清除草皮，填筑30cm砂砾后直接冲击碾压。
⑧对于地面横坡较大，特殊路基不好铺设时，采用的处理方案为：首先地表冲击碾压30cm砂砾，其次根据地面横坡使用砂砾进行填平，使砂砾顶部位于同一水平面后，最后按设计方案填筑上部特殊路基。
6 结语
祁连山区多年冻土分布极为广泛，多年冻土多呈岛状分布，属高温多年冻土，路基病害主要是以沉降变形为主。虽然“冻土”问题目前已经取得了巨大的成就，但是在有些方面仍有待进一步的探索。近年来随着西部大开发的大力推进，“冻土”问题愈发重要，希望可以通过本文为多年冻土区路基病害处理提供参考。
参考文献
[1]汪双杰，陈国靖。多年冻土地区公路修筑技术。北京：人民交通出版社，2008。[2]中交第二公路勘察设计研究院。公路路基设计规范。北京：人民交通出版社，2015。
[3]符进，国道214线多年冻土区高速公路特殊路基设计方法研究。西安：长安大学，2011。
[4]吴吉春等，祁连山中东部的冻土特征（Ⅱ）。兰州：冰川冻土，2007。
论文作者:张科
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第30期
论文发表时间:2019/1/10
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