高原路基冻土地区工程地质特性与路基设计优化

引言

随着一带一路倡议推进及西部大开发战略深化，我国高原冻土地区交通、能源等基础设施建设进入快速发展期。青藏铁路、川藏公路等重大工程的实施，使冻土区路基工程技术面临更高要求。然而，高原冻土具有显著的流变性、冻胀融沉性等特殊性质，在全球气候变暖与工程活动双重影响下，冻土退化加速，导致路基沉降、路面开裂等病害频发。据统计，部分高原冻土路段路基病害率高达 30% ，严重威胁交通网络安全，亟需系统研究冻土工程地质特性并优化路基设计方案。

一、高原路基冻土地区工程地质特性分析

1.1 冻土分布特征

冻土具有明显的区域性分布及垂直分带特性。国际上冻土集中分布于北极圈、青藏高原等地形海拔高、纬度高的地区。冻土的区域性分布特征还表现在各地貌单元的不同之处，在高山草甸中，地表植被可以有效保育地温，致使冻土埋深浅，冻土厚度大，而裸露山石，没有植被保育，冻土受到太阳辐射影响，发生局部溶化现象。受气候变化影响，冻土分布边界的退缩，部分岛状的冻土消失，连续冻土向不连续的冻土转化，对路基稳定性的影响因素更加复杂。

1.2 冻土物理力学特性

作为影响路基稳定性的主要因素之一，冻土的物性力学指标很重要。在物性上，冻土的含水量大，且冻土三相共存，冻土的含水量是随季节变化而变化。在冬季土体冰冻，当温度较低时，土体孔隙的水结冰，体积膨胀，在冰的作用下，产生冻胀。而当在夏季冰融化时，孔隙被水占据，承载力大幅减小，发生融陷现象。在力学上，冻土的强度与温度息息相关。在温度降低时，胶结冰的强度大幅度上升，土体的抗剪强度也大幅度上升；当温度增加时，冰融化后，抗剪强度非线性减弱。

1.3 冻土与环境的相互作用

冻土与外界环境存在密切的水热交换与相互作用过程。野外冻土与空气以对流和辐射的方式进行热量交换，冻土水分变化由降雨、蒸发控制；覆盖在冻土上的一层植被减小了太阳辐射，降低了土温和冻土融化速度；河流、湖泊及水库等均以传导的方式影响周边的冻土，造成冻土融坑或冷区。人类的工程活动对冻土环境扰动更为严重。公路施工挖填方破坏了原有地表植被、隔热层，并改变土体热平衡，促使土温降低，冻土上限变浅。

二、高原冻土地区路基工程常见问题与挑战

2.1 路基病害类型

高寒冻土地区路基主要病害类型包括冻胀病害、融沉病害以及热融滑塌病害。冻胀病害主要集中在冬季，路基冻土冰结使路基冻土中的水膨胀而形成鼓包、错台等路基病害；融沉病害主要集中在夏季，冻土融沉使路基承载力减小，形成局部下沉、塌陷以及路面翻浆病害；热融滑塌主要发生在坡度较陡的路段上，当气温上升，冻土融化，土体抗剪强度变小，土体在自重下发生滑移，把路基埋掉，造成交通阻塞。

2.2 设计与施工难点

冻土地段工程地质因素与物理参数方面。冻土地段中设计的冻土物理参数最困难的是工程地质参数，地勘工作采用物理或地质测绘手段获取的工程地质参数的长期、实时性弱，不利于设计阶段取值，给冻土地段的工程设计带来困难。冻土地段所处自然条件和地质条件复杂，施工过程存在较大困难。施工区域条件恶劣，气温低，施工装备的有效性降低，气温低的影响导致混凝土、沥青材料强度低，材料强度达不到设计强度；对冻土进行开挖，坚硬冰层和冻土胶结的特性导致开挖困难，土体压实中冻土冻胀的特性造成填土含水量和压实度控制要求严格，否则易产生路基病害。

2.3 运营维护困境

运营期高原冻土路段的路基是长期的病害维护期，随着冻融循环作用，路基不均匀沉陷，路基路面裂缝和坑洞处治不可避免，但寒冷条件下处治材料黏结力不足，难以延续；热融沉陷、边坡坍塌等病害具有突变特征，难以早期预测，突发处理困难。气候变化使病害呈叠加特征。气候变暖下冻土的退化迅速，原有路基防护手段也逐步失去功效，维护对策也要随之变更。

三、高原冻土地区路基设计优化策略

3.1 设计理念创新

建立以主动保护冻土为主，适应冻土变化为辅的设计思路。主动保护冻土主要是采取各种工程措施来减小对冻土的破坏程度，确保土体的热稳定，如应用隔热层、热棒等降低土体温度；适应冻土变化主要是对设计适应冻融交替变异性路基的变形协调性，以路基能适应土体在路基底部有一定程度的冻胀融沉来调整设计理念，包括预留沉降量、应用柔性结构路面等减少其对路基建设的影响。注重设计与施工中的生态保护理念。运用对生态环境损害较轻的施工工艺和材料，避免大面积地表植被的破坏；采用生态可恢复设计的概念，在工程设计中考虑退化冻土对区域生态环境产生的消极影响，包括护坡工程采用生态型护坡、恢复湿地系统等做法，使工程建设与生态保护双丰收。

3.2 结构设计优化

一是采用新结构型式的路基，通风管路基借助空气对流方式带走路基内土体的热量降低路基温度，达到冻结路基的作用，延缓路基融化的时间；块石路基通过块石层具有热对流作用形成的热屏护原理调节路基的温度场状态。二是完善路基的边坡防护结构，引入三维植被网、土工格室等柔性防护结构，提高边坡的抗冲刷、防滑能力，利用保温护道、遮阳板等设施对日射热等进一步辅助作用，减少太阳辐射对于冻土的影响。三是桥涵过渡段采用渐变型路基，将刚度突变情况过渡解决不均匀沉降问题。

3.3 材料与技术应用

采用适应冻土地区的新型材料。抗冻融混凝土是在混凝土中添加特殊的外加剂，增加抗冻融能力和抗渗能力；保温隔热材料主要有聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯泡沫保温板，可以对热量进行隔离，减少冻土升温速度。新型土工合成材料主要有加筋土工格栅、保温土工布等，具有加筋和保温的功能，应用在路基上。应用智能化监测技术和信息化施工技术。采用光纤传感技术、北斗卫星定位技术等对路基的温度数据、变形数据进行动态监测，进行病害早期预警；采用BIM 技术来对施工过程模拟，调整施工工艺和工程进度，减少对冻土扰动。

3.4 多因素耦合分析方法

采用多因素耦合分析方法提升设计科学性。建立考虑温度场、渗流场、应力场相互作用的数值模型，模拟冻土在不同工况下的冻融过程与力学响应。通过有限元分析，研究路基结构与冻土之间的相互作用机理，优化结构参数与材料选型。结合现场监测数据对模型进行验证与修正，形成理论分析 - 数值模拟 - 现场监测 的闭环设计流程。

结语

高原冻土地区特殊的工程地质特性给路基设计与施工带来巨大挑战，通过深入研究冻土分布、物理力学性质及其与环境的相互作用，系统分析路基工程现存问题，提出涵盖设计理念、结构、材料与技术的优化策略，并借助多因素耦合分析方法提升设计科学性，能够有效提高路基稳定性，降低病害风险。未来，随着科技进步与研究深入，需进一步探索智能化、生态化的路基设计技术，为高原冻土地区基础设施建设提供更坚实的保障。

参考文献

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