摘要：多年冻土区道路病害是一个国际性难题，路面病害大部分因路基设计不合理而引起的，从多年冻土区一般路基设计原则出发，为碎石路基的材料选择、边坡坡度的确定、碎石粒径的确定、铺设位置及厚度等方面提供了相关参考数值。
关键词：多年冻土区；碎石路基；设计原则
Abstract: the permafrost regions is an international problem, pavement disease because most of roadbed design is not reasonable and cause, warm permafrost regions from general roadbed design principle, gravel subgrade for materials selection, slope determination, the determination of gravel size, laying a position and thickness with relevant reference values.
Keywords: warm permafrost regions; Gravel subgrade; Design principles
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
多年冻土区年平均温度低、气候多变，此区域公路路基受季节性气候影响大，道路常常出现冻胀、融沉、翻浆、裂缝等病害，这使得道路的使用性能大幅下降，其不仅造成公路养护维修费用大幅度提高，而且严重制约冻土地区公路的建设发展。本文从碎石路基工作原理出发，为碎石路基的设计提供了具体的参考数值，对多年冻土区的路基设计、施工、养护等方面具有一定的参考价值。
1碎石路基的工作原理
碎石路基作为多孔介质，在冬季利用其内部空气产生密度差，形成较强的自然对流，能主动冷却路基；在夏季因碎石层的导热系数要低于普通路基填土，因此其还具有一定的保温隔热作用；又因大部分多年冻土区的碎石极其丰富及施工便捷的特点，因此碎石路基在多年冻土区具有极大的推广应用价值。
2一般路基设计原则
路基设计总体原则是确保其强度与稳定。多年冻土区，路基设计首要考虑防止多年冻土层的热融沉陷及正确评估融化后冻土路基的变形值。依照上述思路，结合冻土的类型及地温变化情况，采用如下设计原则：(1) 保证多年冻土上限不下降或略有上升；(2) 先让多年冻土预先融化，直至稳定到一定深度为止，再按一般地区路基设计；(3) 保证多年冻土融化引起的路基沉降变形不影响车辆运行或不降低服务功能；(4) 按季冻区处理。综上所述，多年冻土区的路基设计，不仅要考虑冻土含水率、地温特征值、路面结构类型及交通量等，而且要结合全年气候周期性波动对冻土路基的影响，采用相应的设计原则。
3碎石路基的设计及方法
3.1 碎石路基材料的选择
碎石是碎石路基最主要的施工材料，为确保碎石路基的长期隔热和降温效果，必须通过相关试验来鉴定石料的品质及各项技术性能。目前评价石料的技术性质主要是物理、化学及力学性质。
石料的物理常数是石料矿物组成结构状态的反映，它与石料的技术性质有着密切的联系。碎石路基主要考虑真实密度、孔隙率、毛体积密度等物理参数。为考虑石料在使用中受风化及冻融作用，宜采用硬质岩石块料，例如未风化或微风化的花刚片麻岩、花岗岩或石英块料。大小要均匀，为保证空气流通要使骨料之间有足够的空间。总体上要求石料强度高、尺寸匀称、有棱角、耐久性好、表面粗糙。
3.2碎石路基边坡坡度的确定
在道路设计过程中，路堑或路堤的边坡坡度一般根据当地的工程地质与水文条件、路基高度、当地土质的物理力学性质等因素，并结合自然稳定山坡形式及力学分析方法综合确定。在实际工程中，依据我国行标规定，道路边坡坡度一般取1:1.5-1:1.75。当在细粒土层中天然含水量较高的富冰冻土、含土冰层和饱冰冻土的多年冻土区修筑路堤时，其坡度一般取1:1.5-1:2.0。
数值模拟结果显示，边坡坡度虽然对人为上限、融化盘及年平均地温等路基温度场特征要素具有一定的影响，但影响路基温度场的关键因素不是边坡坡度。因此，边坡坡度不应作为影响路基热稳定性的主要因素，在设计过程中，应依据实地工程地质及水文地质条件，从力学及工程实际出发，选择合适的边坡坡度。一般而言，边坡形式与坡度大小可按一般地区边坡设计原则执行。
3.3碎石粒径的确定
为确定碎石层最佳粒径，运用Abaqus软件对不同粒径（2-4cm、4-6cm、6-9cm、9-15cm）的碎石层进行数值模拟，结果显示，粒径为6-9cm的碎石层在第一周期的温度为-0.8℃，经六个周期后温度降到-1.46℃，而其他粒径碎石层内温度梯度都较小，表明粒径为6-9cm的碎石层降温效果凸显。因此，为充分利用碎石层内自然对流换热效应，应选粒径为6-9cm左右的碎石填筑路基为宜。
3.4碎石层铺设位置及厚度的确定
采用碎石、砂砾石、卵砾石作为试验材料，并且分别进行单一结构层、复合结构层及混合结构层试验。在每个试样结构层中的同一断面及高度上布设水平间距相等的左、中、右三个测温点，采用Pt100型温度传感器和LU-R3000型数据采集仪和计算机组成测温系统，每5min采集一次试样结构层内部温度。
试验结果显示，在单一结构层高度为50-53cm碎石层中，前四个循环周期其内部温度处于过度稳定期，三个测点温度稍有不同，这主要是碎石层内部初始温度分布不均匀所致，后几个周期三点温度基本相同，由此可知碎石层中只存在热传导机制。另两个单一结构层内的温度一直存在差异，表明其内部存在自然对流机制，但数据表明卵砾石中的自然对流非常微弱。在复合结构层中，粒径为6~9 cm的砂砾石与碎石，卵砾石与碎石组合时，同一深度上的温度分别表现为基本相等、存在差异，后者表明其内部存在自然对流机制。混合结构层中，测得45 cm深度处三点温度稍存差异，表明其内部存在微弱自然对流机制。大量研究表明，碎石层厚度为0.6m时，在暖季会出现部分程度的融化，对冻土的保护作用不够；碎石级配比其他种类的级配导热系数小。综上所述可知，从减小导热及增强自然对流机制方面考虑，在填筑碎石路基时，采用单一结构层的碎石，且应从路基顶面开始铺设；为使路基长期处于稳定状态，碎石层的最小厚度应大于0.6m。
4小结及建议
本文为多年冻土区碎石路基设计中的关键因素―材料选择、边坡坡度的确定、碎石粒径的确定、铺设位置及厚度等方面提供了相应的参考数据。道路建设是一项系统工程，为了确保道路使用性能的有效发挥及车辆的安全运行，应该做好道路设计、施工、管理及维修养护等各个环节的工作。
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