季节性冻土地区公路路面抗冻设计

【摘要】随着经济的快速发展，公路的建设越来越多。但在季节性冻土地区公路路面工程冰冻损害仍比较普遍，为了延长公路路面的使用寿命，就需要加强季节性冻土地区公路路面的抗冻设计，本文就路面在冻胀力作用下的抗冻设计和路面防冻层厚度的设计进行了深入分析，希望能为以后类似的设计提供参考。

【关键词】季节性；冻土地区；路面；抗冻；设计

1、季节性冻土

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设计计算。本文主要根据《公路水泥混凝土路面设计规范》与《公路柔性路面设计规范》规定，对路面抗冻设计进行了相关的分析。

2、路面在冻胀力作用下的抗冻设计

冻胀是季节性冻土地区公路发生冰冻损害现象主要原因之一，其主要是受路基的影响，路面各处损害现象会随着路基各处土质的不同、密实度不同和含水量不同而不一样。路面在不均匀冻胀力作用下会产生一定的破坏和变形。

采用简支梁的受力计算方法来计算路面材料不同冻胀力作用下的应变值，在进行受力分析时，所取的路面横向宽板宽为1米，将其简化成简支梁，其所受的力为均匀荷载，然后再建立力学模型，根据具体情况将路面产生的应变和应力计算出来，如下图所示：

简支梁在均匀的荷载作用下其挠度f和应力σ计算公式分别如下：

从（4）式可以得出，材料在不均匀冻胀力作用下产生的应变指比路面材料的容许应变值[εR]要小，且其大小还受路面宽度和路面厚度的影响。

式中：E为路面材料弹性模量；b为路面横向宽度；I为截面对中性轴的惯性矩；其中εs是路面材料弯曲拉应变，是根据试验来确定的；Zj为路基总冻胀值；ε为路面材料因路基冻胀产生的应变；ξ为路面不均匀冻胀系数，二级公路取0.15，一级和高速公路则取0.2；k为路面材料安全系数，其取值是根据材料均匀性、试验条件和公路等级取1.05到1.1；路面计算宽度为Bk，二级以下和二级公路一般取全宽，一级、高速公路则取的是半幅宽，多车道取得是最大值12米；Hi为路面设计厚度。

对于水泥混凝土路面和半刚性基层沥青路面则需要进行基层材料冻胀力作用下产生的拉应变验算。

3、路面防冻层厚度设计

在进行防冻层设计时，首先应确定该类路面面层材料在负温下的极限相对延伸度，（将其作为设计的控制指标）；其次应求出在这一设计指标下的土基允许冻结深度，以及按热传导理论计算出依强度要求所确定的路面结构下的土基实际冰冻深度。然后将与二进行比较，当>时，则需要增设防冻层。所需要的防冻层厚度故，可按传热理论进行推导。

3.1土基允许冻深的近似计算

在路基水温及土质条件相同的情况下，路面冻胀变形的程度主要决定于土基冻深的大小。现假设路面开始冻胀时，土基的冻深为，路面这时所产生的相对延伸度设为，但应≈0，路面结构自身强度所能承受的土基不均匀冻胀力使路面产生的相对延伸度设为，这时对应的土基所增加的冻深为Zb。如果路面发生损害裂缝，那么就需要满足 +≤这个条件了。但由于≈0，则≤。这时十Zb就为相应的土基总冻深，即为土基允许冻结深度，用=十Zb表示。

根据路基冻深与冻胀和路面冻胀变形表达式的关系，l=Z·K（其中：l为冻胀量，Z是冻结深度，K是土的冻胀率，），经整理与代换则可得出的近似计算式）：

式中：为路面结构的容重（公斤/立方米）；H为按强度要求计算出的路面厚度（米）；E为路面结构的冻结模量（公斤/立方米）；L为路面宽度（米）；其他意义同前。

3.2土基实际冰冻深度的近似计算

根据上述路面结构材料的热物理性质可以看出，在其他条件相同的情况下，由于路面结构不同，其土基冰冻深度也有所差异。因此，本文应用传热理论，近似地将路面传热情况，视为多层平壁的一维稳定传热过程，在这一前提下，推导出了土基实际冰冻深度的近似计算式。其中假设路面是由隔热材料组成，在冬季通过路面放散的热量为，大地放散的热量为，按上述假设则≤。根据传热学原理，，其中（T为两点的温差，RL为路面结构和土基的热阻抗；。

在已冻结的道路路面，其表面温度设为TS：（TS：一般按当地最冷月的平均气温取值），土基冻结线的温度设为T。，地中某深度处的温度值接近恒温，以TH表示，则、又可写成，。根据≤，则可得出下列关系式：

式中：h1、h2—分别为路面各结构层的厚度（米）；—为土基实际冻结深度（米）；he—为大地冻结线至恒温线的深度（米）；λ1、λ2—分为别路面相应各层材料的导热系数（千卡/米·时·度）；λz—为冻结土基的导热系数（千卡/米·时·度）；λd、λe—分别为大地土质的冻结部分和未冻部分的导热系数（千卡/米·时·度）。

将（3）、（4）二式代入（2）式，经整理代换并简化后，得出土基实际冻结深度hz，的近似计算式：

式中：—大地表面至恒温线范围之间的冻结与未冻土层的导热系数平均值（千卡./米·时·度）；—路面各结构层材料导热系数的加权平均值（千卡/米·时·度）。

3.3路面防冻层厚度的计算

按上述热传导原理将（2）式中R：改换为：

式中：λk—防冻层材料的导热系数（千卡/米·时·度）。

将（6）式代入（2）式，经整理可得出防冻层厚度的近似计算式：

式中各项意义同前。

4、结束语

季节性冻土地区的公路设计是一个比较复杂的设计，为减少季节性冻土地区公路在冻胀作用下产生的破坏，在设计中我们要综合考虑，地质，气象，水文环境等。再根据规范要求进行设计。