東北地區(qū)多年凍土區(qū)高速公路路基相關(guān)技術(shù)研究

劉 宇，叢曉麗

(1.黑龍江省龍建路橋第三工程有限公司;2.黑龍江省交通科學研究所)

東北地區(qū)多年凍土區(qū)高速公路路基相關(guān)技術(shù)研究

劉 宇1，叢曉麗2

(1.黑龍江省龍建路橋第三工程有限公司;2.黑龍江省交通科學研究所)

摘 要:介紹了東北地區(qū)多年凍土區(qū)高速公路路基存在的典型問題及常用的解決方法。

關(guān)鍵詞:高速公路;路基;技術(shù)

東北地區(qū)多年凍土分布面積位居我國第二，僅次于青藏高原地區(qū)，分布于北緯47°以北，主要集中在大興安嶺北部，在大興安嶺中、南部和其它地區(qū)則分布較少。東北地區(qū)多年凍土分布面積雖然只有3.4×105～3.9×105km2，遠小于青藏高原上的凍土分布面積，但卻也遠大于西部高山多年凍土面積，而且大片連續(xù)、融區(qū)島狀、島狀凍土在這一地區(qū)都有一定面積的展布。

東北地區(qū)的凍土(主要指東北北部)是典型的高緯度凍土，而海拔高度由北向南增高對緯度偏低帶來的溫升具有相對補償功能。因此，東北地區(qū)多年凍土的局部凍土條件、空間分布狀況的連續(xù)性變化及退化方式等，有著不同于高海拔和其它緯度凍土的獨特性。

在全球氣候持續(xù)變暖以及人為活動影響下，凍土工程地質(zhì)條件將隨之發(fā)生變化。凍土是一種多相性組分的特殊土類，其物理力學性質(zhì)與溫度密切相關(guān);由于溫度的升高，凍土承載力會顯著降低;高溫凍土的顯著蠕變甚至融化將產(chǎn)生劇烈的沉降變形，并可能隨著季節(jié)性溫度變化發(fā)生熱融滑塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害破壞;凍土地基一般含有較多水分和地下冰，且分布不均勻，融化后土中水分遷移和土壤組構(gòu)及有效應(yīng)力的變化，使凍土地基在融化過程中可發(fā)生差異性沉降。由于土在凍結(jié)和融化狀態(tài)下的水熱物理性質(zhì)存在著顯著差異，更兼寒區(qū)地基土的凍結(jié)核融化過程、水熱狀態(tài)及工程強度在一定程度上具有不可逆的特點，所以凍土退化將對地基的物理力學性質(zhì)產(chǎn)生巨大影響。凍土條件的變化會使工程地質(zhì)條件發(fā)生強烈改變。凍土條件的變化不僅表現(xiàn)在凍土溫度升高上，還可表現(xiàn)在連續(xù)性程度和季節(jié)活動層厚度的變化上。在水平方向上，凍土退化使得融化擴大，凍土的平面連續(xù)性程度降低，原有的分帶規(guī)律遭到破壞，凍土地基有可能變成融土地基，在多年凍土南界附近，由于凍土退化南界北移，大片地區(qū)將轉(zhuǎn)變成為季節(jié)凍土地區(qū)，其主要的凍土工程地質(zhì)問題也將由融沉變形轉(zhuǎn)變成凍脹變形。在垂直方向上，由于季節(jié)活動層加深，原來位于凍土上限以下的基礎(chǔ)變到了活動層內(nèi)，基礎(chǔ)穩(wěn)定性受到融沉或凍融交替作用破壞。因此，凍土工程地質(zhì)條件的變化，會引起凍土區(qū)內(nèi)或穿越凍土區(qū)的工程建筑物基礎(chǔ)發(fā)生凍脹和融沉或差異性凍融破壞，從而使工程在設(shè)計期內(nèi)發(fā)生預估不到的破壞，嚴重影響工程的使用和安全運行。

東北多年凍土地區(qū)以前主要以林區(qū)林業(yè)專用砂石路為主，系統(tǒng)研究相對較少。林區(qū)砂石路突出的病害是涎流冰、沉陷。許多涎流冰都在修筑公路后產(chǎn)生，主要是由于公路的修建阻止了凍結(jié)層上水的通道，水流從薄弱處冒至地表，進而蔓延至路面。砂石路的沉降變形也十分嚴重，如滿歸林區(qū)一些沼澤濕地多年凍土帶，修筑道路時路基高度為1.0～1.5 m，3～4 a后，路面與天然地表平齊，甚至變成“河溝”。隨著公路交通的發(fā)展，東北高緯度島狀多年凍土區(qū)原有的一系列公路工程均出現(xiàn)了一系列的問題:(1)最主要的病害是凍土融化導致的路基不均勻沉降，使路面出現(xiàn)局部沉陷、破碎板等病害;(2)道路等級低，交通量增長迅速，逐漸不能滿足要求，超載現(xiàn)象十分嚴重;(3)混合交通嚴重，通行能力差的問題日益突出，交通事故增多等。這些問題使得區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有的這些公路已逐漸不能滿足日益增長的交通發(fā)展需求。如把這些道路改擴建成一級公路或高速公路，同時加強對超載車輛的管理等，就可以減少或避免這些問題的發(fā)生。因此，近年來，東北地區(qū)開始修建高等級公路，穿越島狀多年凍土地區(qū)的路線偏多。如黑大公路、G301國道、加格達齊—漠河公路，鐵力—伊春公路、鶴崗—伊春公路、伊春—五營公路、拉布達林—莫爾道嘎公路等。這些公路沿線發(fā)生的主要病害也是涎流冰和沉降變形。隨著道路等級的提高，路面寬度也相應(yīng)加寬，因此舊路拓寬改擴建技術(shù)研究需求迫切。此外，在島狀多年凍土區(qū)，路面寬度的增加，使得外界通過路面對路基下熱穩(wěn)定性的影響也相應(yīng)增大，由于路面類型決定著路面溫度，而路面溫度又是影響路基穩(wěn)定性的重要因素，路面溫度的改變可強烈的影響路基下多年凍土的溫度狀況，從而可能使路面產(chǎn)生破壞。因此路面類型對路基穩(wěn)定性的影響也將更加被重視。

隨著全球氣候的變暖，島狀多年凍土有逐步退化的趨勢，但由于島狀多年凍土對道路的破壞仍是一個世界性的技術(shù)難題，缺乏可借鑒的成功經(jīng)驗，因此在東北地區(qū)修筑高等級公路，仍有不少問題尚待進一步解決，這些亟待解決的問題總結(jié)起來主要表現(xiàn)在以下三個方面。

(1)東北高緯度地區(qū)公路沿線島狀多年凍土的分布特征與退化規(guī)律;(2)東北高緯度島狀多年凍土區(qū)高速公路路基設(shè)計與施工技術(shù);(3)東北高緯度島狀多年凍土區(qū)凍土路基的穩(wěn)定性分析及路面類型對凍土路基穩(wěn)定性的影響等。

我國已在青藏高原多年凍土地區(qū)成功地大規(guī)模鋪筑了瀝青及改性瀝青路面，并修建了大量的試驗工程，形成了成套的公路修筑技術(shù)，其成果對其它凍土區(qū)公路改建、整治工程具有重要的指導意義。在214國道西寧至玉樹公路的高原退化性多年凍土地區(qū)路基路面修筑技術(shù)的研究中，修筑了不同路基高度、不同路面類型的試驗路，這些多年凍土地區(qū)公路的修筑技術(shù)研究都得以長足發(fā)展，并取得了顯著的社會、經(jīng)濟效益。

東北地區(qū)作為我國高速公路興建最早的地區(qū)之一，也修筑了大量的公路工程。大量公路工程的修筑為東北地區(qū)高緯度低海拔多年凍土地區(qū)公路修筑技術(shù)的研究積累了豐富的經(jīng)驗，將巨大的帶動了我國高緯度低海拔多年凍土地區(qū)公路交通事業(yè)的發(fā)展。在修筑高速公路時，掌握和充分考慮多年凍土的特點，對不同的路基形式做出相應(yīng)的斷面設(shè)計和采取不同的防護措施。在路基設(shè)計時一般采用保護多年凍土的設(shè)計原則，即采取有效的保溫措施并使路堤保持其最小臨界高度，使路基建成后其基底的人為上限能控制在一定的深度內(nèi)，保護路基下的多年凍土面不被融化，從而防止了公路工程由于凍土融化而產(chǎn)生的病害。

通過對東北高緯度島狀多年凍土區(qū)公路工程的修筑，最后總結(jié)出了一系列的凍土路基設(shè)計和施工及防護措施:(1)采用清基回填與不清基直接填筑砂礫墊層，采用塑料插板排水固結(jié)方案;(2)采取有效的保溫措施，如在路基邊坡設(shè)置保溫護道，在路基中鋪設(shè)保溫材料等，維護道路的穩(wěn)定;(3)為防凍害，可采用邊坡保溫、加深邊溝，加大縱坡，放緩邊坡和草皮加固及支擋等措施加以防護等等。

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［1］徐學祖，王家澄，張立新.凍土物理學［M］.北京:科學出版社，2001.

［2］周幼吾，郭東信，邱國慶等.中國凍土［M］.北京:科學出版社，2000.

［3］魏智.中國東北地區(qū)多年凍土退化及漠(河)-大(慶)原油管道沿線凍土工程地質(zhì)條件變化預報研究.中國科學院研究生院博士學位論文，2008.

［4］孫廣友，于少鵬，王海霞.大小興安嶺多年凍土的主導成因及分布模式［J］. 地理科學，2007，27(1):68-74.

中圖分類號:U416.1

C

1008-3383(2011)06-0052-01

收稿日期:2011-03-24