214線退化性多年凍土地區試驗路設計

1　引言

　　國道214線鄂拉山至清水河段，經過勘察，多年凍土區跨越里程313.3km，其中連續多年凍土92km，不連續多年凍土147.3km，凍土總里程239.3km。

　　在全球大氣環境轉暖，高原冰川后退，雪線上移，以及鋪筑黑色瀝青路面施工等人為活動的影響下，在公路沿線凍土已發生明顯退化。在國內，以往研究凍土對工程的影響是針對穩定狀態的凍土為主要對象，包括青藏公路的凍土研究，它的經驗不能簡單地推演到退化狀態凍土。國外，一些國家也是近期認識到全球氣候轉暖對凍土退化的影響，在工程對策上剛剛起步，尚無成熟經驗可借鑒，且凍土地質條件及氣候環境的差別，對工程影響的程度也不盡相同。

　　為研究在退化性多年凍土地區修筑公路的可靠性，“214國道退化性多年凍土地區路基路面修筑技術的研究”課題列入“八五”交通部行業聯合科技攻關計劃，為滿足課題研究內容的需要，決定建設試驗路進行研究。

2　試驗路選擇與地質條件分析

2.1　試驗路的選擇

　　試驗路的選擇以滿足課題研究的需要和能夠代表214國道退化性多年凍土類型的路段為原則，同時兼顧今后工作的方便，依據前期對214國道多年凍土調研成果，擬定在花石峽以南長石頭山以北K309+000～K324+000段總計15km范圍內，結合改建工程建立試驗研究工程段。

　　為進一步查清K309+000～K324+000段凍土類型，又進行了詳細的地質勘探，開挖試坑8個，測地雷達勘察15km和8個橫剖面，綜合分析勘察結果，確定K309+000～K324+000范圍內K309+000～K310+400(不連續多年凍土干燥型凍土島)、K314+100～K315+100(不連續多年凍土濕潤型凍土島)、K317+000～K317+800(連續多年凍土干燥型)、K321+540～K322+340(連續多年凍土濕潤型)修建試驗路。

2.2　試驗路地質條件分析

　　試驗路長石頭山(K309+000～K324+000)段為典型的連續多年凍土區，以三疊系砂巖為主夾頁巖，區段內第四紀松散層從2m～7m，以殘積礫石為主，路線兩側有侵蝕平臺構成小流域緩坡，草皮亞粘土或粉砂土覆蓋，形成典型的凍脹草丘、熱融滑塌、地下冰發育。坡腳山前洪坡積裙及洪沖積階地上，砂礫土厚度一般小于10m，植被較好，地下水埋深淺。由于地質條件復雜，公路沿線分布著不同的多年凍土類型。

2.2.1　不連續島狀多年凍土干燥型段

　　該段海拔高程4 248m，設計里程K310+000～K310+300，全長300m。路基兩側地勢平坦，屬古河漫灘相，地表植被稀少，干燥，無季節性積水坑。天然地表由于人工取土，破壞處較多。上限位置2.07m，上限含水量W=84.93%。第四紀厚度5～7m，強風化層8～9m。凍土層厚度3～5m。

2.2.2　不連續多年凍土濕潤型段

　　該段海拔高程4 347～4 333m，設計里程K314+200～K314+500和K314+650～K314+950，全長600m。路基上方丘狀草皮發育，潮濕，有少量季節性淺層地下水出露，多年形成斑土，并有小型凍脹丘，有少量凍拔石。路基下方草皮發育，地面稍平整，K314+650～K314+950路線右側有季節性積水坑。上限位置1.34～1.48m，上限含水量W=25.78%。第四紀厚度5～6m，強風化層厚度8～9m。凍土層厚度6～10m。

2.2.3　連續多年凍土干燥型段

　　該段海拔高程4 388～4 381m，設計里程K317+100～K317+700，全長600m。地表有少量積水坑，植被較好，但地表較干燥，有凍脹裂縫，無礫塊石裸露。上限位置1.28m，上限含水量W=40.82～58.63%。干容重ρd=0.81～1.14g/cm3。第四紀厚度5～6m，強風化層厚度7～8m。凍土層厚度大于15m。

2.2.4　連續多年凍土濕潤型段

　　該段海拔高程4 484～4 474m，設計里程K321+640～K322+240，全長600m。地表為高山草甸，丘狀草皮發育，地表季節性積水坑較多，潮濕。路基上方開挖，天然地表排水溝兩側熱融滑塌嚴重。上限位置1.15～1.20m，上限含水量W=156.62～196.38%，干容重ρd=0.33g/cm3。第四紀厚度約為5～6m，凍土層厚度大于40m。

3　試驗路與觀測網設計

3.1　試驗路設計

　　試驗路的設計主要為路基設計和路面設計，路基、路面設計遵循的原則：

　　(1)采用嚴格保護凍土原則的路段，屬連續多年凍土濕潤型；

　　(2)不能保護凍土，僅僅盡可能地減緩凍土層的融化速率，直到其完全退化為季節凍土為止，在公路正常運行期以局部修補為主，避免大規模的融沉、翻漿等病害。此種路段有不連續多年凍土區濕潤型凍土島及未來可能退化為凍土島的濕潤型連續多年凍土區；

　　(3)以保護凍土為主，允許緩慢融化為原則的路段，有連續多年凍土干燥型和不連續多年凍土干燥型凍土島。

　　根據以上設計原則，路基高度(原天然地面算起)分別為1.5、2.0、2.5、3.0m四種，路基寬度8.5m，無側向保護結構。

　　試驗路系在原舊路的基礎上改建而成。為保證今后科研觀測的效果 ，路基加寬部分填土，要和原路基土相同，提高路基部分土要用碎(礫)石土。

　　為研究在不同路面類型下，路基的穩定性及凍土上限的變化，確定試驗路的路面形式為：中粒式瀝青碎石路面(1.80km)，厚度4cm；水泥混凝土路面(0.30km)，厚度20cm；砂礫路面(0.10km)，厚度15cm。

　　中粒式瀝青碎石路面設計累計當量軸次(BZZ-100)為2.64×106次，設計使用年限12年(LR=0.686mm)。

　　水泥混凝土路面設計累計當量軸次(BZZ-100)為7.83×105次，設計使用年限20年，設計抗折強度為4.0MPa。

　　試驗路路基、路面設計情況如表1 。

試驗路路基、路面設計一覽表　　表1

3.2　觀測網設計

　　本研究課題的核心是凍土的退化，即不同狀態的凍土(連續多年凍土、不連續多年凍土)在全球大氣變化環境下多年凍土退化趨勢和速率，它是基礎，也是討論其它因素參照的前提。這是一方面。第二方面是地下水對凍土層的融蝕，不同路面(瀝青、水泥混凝土、砂礫)及不同路堤高度影響下的退化系數。觀測網由氣象觀測、地溫變化觀測、路基變形觀測等三部分組成。

3.2.1　氣象

　　氣象條件與多年凍土的退化趨勢有著密切的關系。氣象觀測是為課題研究提供氣象基本資料，以利于對多年凍土退化趨勢和速率進行預報。地面氣象觀測的主要項目都是在觀測現場內通過各種儀器進行的。觀測地的選擇是否適宜，對觀測資料的代表性、準確性和比較性影響極大。

　　根據研究課題所需的氣象資料和對氣象場地的要求，氣象場地選擇在K311+000路線左側，場地大小為20(南北)×16(東西)(m?2)，確定地面觀測的項目有：氣溫、濕度、風、降水、蒸發、地溫等。氣象觀測場及儀器的布置均按國家氣象觀測標準執行，氣象觀測時間以我國確定的北京時間08、14、20時進行。

3.2.2　地溫

　　地溫觀測是對不同路面和不同路堤高度及地下水對凍土層融蝕影響下的地下溫度觀測，以確定多年凍土的上限變化情況，為分析路基變形奠定基礎。

　　為分析自然氣候變化多年凍土的退化趨勢，期望恢復20年氣候變化與地溫變化的直接聯系，在連續多年凍土區K322+900左側天然地面布設一個40m地溫觀測孔。同時針對島狀凍土特點，為監測凍土島的退化情況，在島狀凍土區K311+000路線左側天然地面(氣象觀測場內)布設一個15m地溫觀測孔。這兩個地溫觀測孔對研究多年凍土退化問題有著重要的意義，希望能持續較長的時間，盡可能保留，延長使用壽命。

　　地下水凍土層的融蝕是研究凍土退化不容忽視的一個問題，為解決214線凍土島形成的基本條件及試驗路段地下水影響系數，考慮到地下水融蝕對凍土層影響的深度最大為6m。因此在K310+220、K314+350、K317+250路線左側天然地面布設3個水文孔，測量水位變化及水溫垂直梯度變化，孔深5～6m。

　　不同類型路面、路基高度對地溫有不同影響結果，在不同類型路面、路基高度選擇了9個橫剖面，分別在路基左、右路肩、路中心布設測溫孔，能使不同天然地面進行比較，同時在天然地面布設測溫孔。由于課題經費所限，橫剖面布設測溫孔為全剖面與半剖面兩種。路中心孔深度為12～13m，路肩孔深度為0.8～8.5m，天然地面孔6.0～6.5m。

　　地溫測量孔總計37個，總有效孔深337m，測溫點452個，測溫均采用高精度半導體熱敏電阻溫度計測量，精度0.001°C，測量結果計算由計算機統一完成。計劃地溫測量每年1、2、3、12月每月二次，每年4、5、6、7、8、9、10、11月每月三次，今后根據資料分析 ，觀測次數可適當調整。

3.2.3　路基變形觀測

　　本研究課題的最終目標就是解決在退化性多年凍土地區的路基、路面修筑的技術難關。能最大限度的解決路基變形，也就是本研究課題的關鍵。因此，路基變形觀測在整個觀測網中有舉足輕重的作用。

　　路基變形觀測選擇在9個測溫剖面前后40m范圍內，每間隔4m埋設變形觀測點，同時路基橫向也設路基變形觀測點，每斷面布33個點，累計全試驗路有297個變形點。考慮到試驗路是在老路基基礎上修筑而成形的，對于分層變形測量已沒有什么實際意義，故僅測量路基總變形量。

　　路基變形觀測基準點利用深度大于6m的天然地面測量觀測孔，路基變形觀測采用水準儀，精度0.01m。觀測頻率同地溫觀測。

4　總結

　　目前，試驗路及觀測網已于1995年10月建成，并于1996年5月通過了由交通部科技司組織的技術鑒定。觀測網的氣象觀測、地溫變化觀測、路基變形觀測系統調試正常，并經過一個月的試觀測已于1995年11月轉入更深入的觀測、分析研究工作。

　　就現在整體情況而言，試驗路及觀測網的設計是成功的，能滿足課題研究的需要，達到了修筑試驗路的目的，對不完善的地方在研究課題(第二期)將以彌補。

　　合理的評價尚有賴觀測資料的積累及細致的數據分析，從1996年開始的第二期研究將對各類型工程結構詳細的加以分析后，提出科學的論斷，為退化性多年凍土地區公路修筑提供可靠的技術依據。