季节性冻土地区公路路面抗冻设计方法

摘要：中国对土基冻胀的研究从上世纪50 年代末开始，经过几代人坚持不懈的刻苦攻关，在土基抗冻方面取得了一定的成果，提出了影响大地冻深的因素、土的冻胀影响因素、起始冻胀含水量和冻胀系数、土冻融过程中的温度变化过程和冻胀变形特征以及抗冻垫层厚度计算方法等，解决了部分地区的冻胀翻浆问题。本文分析了季节性冻土地区公路路面抗冻设计方法。

关键词：季节性冻土；地区公路路面；抗冻设计方法；

各国在路基冻胀研究方面取得了一定的成果，为后续研究工作奠定了坚实的基础。然而以往的研究对路面抗冻设计方法涉及较少，使得抗冻设计目标不明确，抗冻设计不合理，建成的公路出现了较严重的冻害。 一、公路冻区的影响

不同的季节性冻土地区的冰冻深浅不同，对公路路基、路面及桥涵所造成的严重程度不一，国内已经对全国大部分的季节性冻土地区进行了道路冻区区划，设计人员可以根据不同冻区的道路进行相应的抗冻设计。国内按冻结指数对公路冻区进行一级区划，并遵照潮湿系数对冻深的影响进行二级区划。 二、大地冻深的影响

地表层土冬季冻结，夏季全部融化的土叫季节性冻土，这些地区叫季节性冻土地区，简称季冻土和季冻区。目前冬季冻土地区公路路面冰冻损害现象比较普遍，季节性冻土地区公路路面冰冻出现损害现象主要是由于路基冻胀使得路面产生不均匀的隆起，以此导致了路面的开裂，其公路畅通和使用寿命受到影响，为有效防止或者减少冰冻损害现象的发生，就需要对公路工程进行抗冻计计算。本文主要根据《公路沥青混凝土路面设计规范》规定，对路面抗冻设计进行了相关的分析。一般而言，沥青的标号越大，沥青越软，低温变形能力越强，低温抗裂性能越好，但是沥青由于原油基属、组分构成等方面的原因，即使同一标号的沥青，其感温性也会有较大的差别。沥青混合料须有利于拌和、摊铺和碾压，确保沥青混凝土路面在多年冻土地区的使用品质。在马歇尔设计方法的基础上，针对其不足而改进的，考虑到了沥青混合料在多年冻土地区的关键路用性能，即低温抗裂性能、水稳性（冻稳性）、耐久性和抗疲劳特性等，设计出具有适应环境和交通荷载作用的沥青混合料，使之满足路面使用性能的要求。

三、季节性冻土地区公路路面抗冻设计方法

季节性冻土地区公路冻胀是冻害形成最关键的原因，冻胀对路面的毁坏作用关键在于不匀称冻胀引起的，由于一般情况下路基并不是一个均质受冻体。不均匀的冻胀力使路面遭受到了变形、损毁。通过对季节性冻土地区冬季路面冻胀的观量，得出结论：路面在不均匀冻胀作用下容易变横向挠曲面变形。但是假如变形过大，路面出现弯拉破坏，便产生纵向开裂。 1.大地标准冻深的计算。公路抗冻设计依据于公路冻深的确定，而公路冻深是根据公路所在区域的大地冻深，同时考虑公路建筑材料热物性系数、干湿状态及公路断面形式计算得出的，见式：，式中：Zmax 为公路多年最大冻深;a 为路基、路面材料的热物性系数;b 为路面下80cm 路槽潮湿系数;c为路基断面形式系数;Zd 为大地冻深。计算得到的冻深由于没有考虑潮湿系数的影响，与实际测得的冻深有一定偏差。实际观测的资料中，存在相同的冻结指数的不同地区，大地冻深不同。不同的潮湿系数，相同的冻结指数，其冻深差别较大。查阅相关研究文献得知，大地冻深与3 个方面的因素有关：一是冻结指数，是冻结的外部条件，冻结指数越大，冻深越深;二是土质的含水量，因水的热容比土质大，而热容大的水相变成冰时所放出的热量大，因此含水量大的土质冻深小，即冻深与潮湿系数有关;三是土质类型，不同的土质有不同的导热系数，一般而言粘土的导热系数小，砂土的导热系数大，导热系数大则冻深大，而不同地区土质存在区别，因此冻深计算应存在地区系数。

2.沥青混合料类型。沥青混合料的类型，应根据道路等级、路面类型及所处的层位来确定。研究表明，密级配沥青混凝土低温性能好且空隙率小，抗老化、防渗水，具有良好的水稳性，因此，青藏公路沥青混凝土面层应采用Ⅰ型密级配沥青混凝土。沥青混凝土路面的低

温开裂温度为-10 ℃左右，也有试验表明，开裂温度为-16℃～- 18℃。沥青混合料的收缩性和柔性影响沥青混凝土路面开裂性能，混合料的收缩性大和柔性差均会引起路面的开裂。对一般沥青混合料而言，收缩性和柔性是矛盾的。如矿料较粗的沥青混合料的收缩性小，柔性小;而矿料较细的沥青混合料柔性好，但收缩性大。所以，沥青混合料类型的选择应注意混合料柔性和收缩性的协调。沥青混合料最大粒径的选择应与路面结构层厚度相适应。这不仅是考虑到施工拌和、碾压的质量要求，更是考虑到路用品质的要求。世界各国对路面结构层最小厚度与沥青混合料的最大粒径的比值关系，一般均规定为2倍以上。大量的实践和研究发现，沥青混凝土路面结构层出现的早期破坏，和结构层厚度与最大粒径的比值有关系。根据已确定的沥青混合料类型，级配上限沥青混合料的低温抗裂性、耐久性和水稳性要优于级配中值的沥青混合料。通过调整各矿料的比例，使合成级配曲线尽量靠近级配范围的上限，尤其是应使0. 075mm、2.63mm和4.75mm筛孔的通过量接近设计级配范围的上限。5 mm以上粗集料应采用沿线仅有的花岗岩、砂岩轧制而成的碎石，5 mm以下细集料采用天然砂（砾），填料采用石灰岩磨制的矿粉。为增强沥青与酸性集料的粘结力，应在沥青混合料中掺入用量为0. 4% 的抗剥落剂，使集料与沥青的粘附性不小于4级。 3.施工措施

（1）施工方法和施工机械。沥青混合料必须采用拌和站集中拌和，摊铺机摊铺。沥青混凝土面层很薄（仅4～ 5 cm），摊铺质量是沥青混凝土路面面层厚度、平整度和使用功能的保证。在沥青混凝土路面施工之前，应严格保证基层顶面的标高和横坡达到要求。

（2）温度控制。沥青混合料温度下降较快，为便于沥青混合料摊铺、压实成型，对沥青混合料拌和温度应适当提高或缩短运送距离，并采取覆盖保温措施，同时加强施工管理，保持施工机械匹配协调及设备的完好性。改性沥青的加热温度以140℃为宜，最高不超过

150℃;加热好的沥青需要暂时存放时，不应超过8h，温度不超过150℃。对于改性沥青混合料，拌和温度需提高10～ 20℃，出料温度控制在140～150℃。由于改性沥青混合料粘性较大，摊铺阻力大，更需加强温度控制，以保证摊铺质量。碾压温度以120～ 130℃为宜，特殊情况下不得低于110℃，以保证压实度。

（3）接缝。由于施工期间要保证青藏公路畅通，开辟临时便道困难，需采用半幅施工以保证通车，造成沥青混凝土路面接缝问题比较突出，处理不当将造成纵向接缝不平整、不密实。因此，施工时必须注意接缝处理，纵缝必须垂直相接。

季节性冻土地区的公路设计难度较大，需要考虑的问题很多。由于部分省份的观测数据较少，大地冻深的计算中，一些数据来源于经验值，这就需要设计人员具备丰富的工作经验，不断的积累，不断的开展季节性冻土地区的公路路面抗冻设计的研究。 参考文献：

[1]周彬.浅谈冻土地区公路的病害特征及防治措施[J].青海交通科技，2014（02） [2]钟敏辉，王少斌.季节性冻土路基冻胀性分析及治理措施[J].铁道建筑，2014（04） [3]张建国，郭薇，徐进伏.如何应对冻土对公路工程的危害[J].北方交通，2015（11） 作者简介：王天明，男，高级工程师，主要从事公路勘察设计工作。