0 引言

青藏高原多年冻土以其高温、脆弱、敏感、复杂等特点显著区别于高纬度多年冻土，形成了典型的中低纬度地区高海拔多年冻土^[1]，其分布面积约1.5×10⁶ km²，占中国多年冻土分布面积的70%。自1954年以来，在青藏高原多年冻土区，中国先后修建了青康公路、青藏公路、青藏铁路、共玉高速公路等重大交通基础设施，其中青康公路、青藏公路已通车服役超过70年。长期持续的研究与工程实践奠定了中国冻土公路建设技术在国际冻土工程研究领域的领先地位。近年来，青藏走廊与共玉走廊沿线多年冻土区暖湿化趋势日益显著^[2]：1961—2022年，青藏地区年平均气温每10年上升0.35 ℃，超过全球同期增温速率的2倍，年平均降水量呈显著增加趋势，平均每10年增加9.4 mm；2022年，青藏公路沿线多年冻土区天然大地的平均活动层厚度为256 cm，较2021年增厚6 cm，达到有连续观测记录以来的最高值；多年冻土上限平均温度为― 0.9 ℃，较2021年升高0.2 ℃，沿线夏季最大融化深度加深，冬季冻结深度减小。气候暖湿化对公路基础设施的直接影响体现在路基不均匀沉陷病害的加剧。共玉高速公路出现大段连续波浪变形，部分路段路表不均匀沉陷变形达到50 cm以上。川藏公路和青藏公路已有路表沉陷出现，严重降低通行效率，威胁行车安全。此外，沉陷形态畸变、路侧积水、地基富水、深厚融化夹层发育等新情况大量出现，为既有设施治理改造带来严峻挑战。

长期以来，国内外关于多年冻土区公路路基和建筑地基的设计原则从根本上可分为保护冻土原则和允许融化原则两大类^[3]。1970年以来，中国主要发展和完善了以保护冻土原则为核心的设计理论和技术体系，针对多年冻土保护，提出了诸如抬高路基，设置热棒、片块石、通风管、隔热层等一系列特殊结构路基形式及建造技术。然而，在未来全球年平均地表气温上升2 ℃的巨大挑战下，现有各类冻土保护工程措施的实际效果参差不齐^[4]，研究现有保护冻土设计原则的适用条件、发展和完善冻土区路基设计方法是保障重大工程安全运行必须面对的课题。

本研究对国内外多年冻土区地基与公路路基设计方法的发展演进过程进行了梳理，结合对青藏高原多年冻土区在役公路路基沉陷病害成因机制的分析，提出了处治冻土地基的理念及与之匹配的多年冻土区公路路面-路基-地基协同设计方法，综合评述了冻土地基处治技术措施的研究进展、工程实践成效并对下一步重点攻关方向进行了展望。

1 国外多年冻土区地基设计方法的发展脉络 1.1 冻土学学科的建立

国外关于冻土的科学研究最早可追溯至18世纪的俄罗斯帝国时期。1757年，科学家罗门诺索夫^[5]在其论著《冻土地》阐述了“冻土地”的形成及其与气候、地形的关系。1912年鲍格达诺夫^[6]的著作《永久冻土与永久冻土上的建筑物》首次将地基冻土条件在冻土区建筑设计中予以考虑。1927年苏姆金出版了专著《苏联境内的多年冻土》，标志着冻土学开始形成独立的学科。国际上在多年冻土区筑路已经有了100多年的发展史，19世纪后期，随着西伯利亚大铁路的兴建，冻土工程问题得到了长期系统的研究和实践。20世纪，通过阿穆尔铁路(1904—1914年，穿越多年冻土区2 200 km)和贝加尔-阿穆尔铁路干线(1979—1984年，穿越多年冻土区2 500 km)等重大工程建设，研究人员积累了丰富的冻土工程实践经验和科研成果。

1.2 建筑物冻土地基设计原则

1952年，崔托维奇出版了专著《冻土地基与基础》，首次系统地阐述了冻土区建筑物地基与基础设计的3类设计理念与方法：(1)保持地基土为冻结状态。(2)考虑地基土逐渐融化。(3)施工前预先融化。此后，又在其1973年出版的《冻土力学》中对以上3种设计理念与方法进一步展开表述，并阐明其适应性与采取的相应工程措施，保障建筑物在使用期间的安全稳定^[6]。

1.3 公路冻土路基设计原则

为了更好地指导公路路基的设计，1974年，《北方公路路基》^[7]在苏联出版，书中提出了与建筑物地基类似的3类设计原则并针对公路路基特点做了细化，分别为：

第1原则：保证多年冻土上限上升至路堤坡脚并在公路运营的整个时期使冻层保持在这一位置。

第2原则：控制地基土的融化深度，当冻土融化所产生的变形不致超过允许变形时按这一原则设计。

第3原则：对路基下伏土层进行预先融化和疏干，在高温冻土区和含水量小于液限且易疏干的沉陷性土质中按这一原则设计。

此后，苏联学者吸纳相关研究成果对规范进行修订，在1990年出版的《多年冻土上的地基和基础》建筑规范2·02·04-88^[8]中对以上3类原则进行了整合，并对建筑物和公路铁路等带状构造物的地基设计原则进行了统一，重新表述为两类利用原则：

原则Ⅰ：在建筑物施工和整个运营期间都保持地基中的多年冻土处于冻结状态。

原则Ⅱ：地基中的多年冻土允许在施工工程运营期间融化或施工前预先融化。

在工程实践中，对于公路、铁路等线形建筑物，允许在路线的不同路段采用不同的设计原则。苏联在西西伯利亚的铁路路基设计中基本沿用了以上设计原则。例如1974—1985年建成的贝阿干线、1984—1995年修建的阿穆尔-雅库茨克干线主要按第1原则(保护冻土)设计和施工，因此也为以后冻土退化、路基稳定性降低埋下了隐患^[9]。

美国从二战开始，为了支撑阿拉斯加等寒区机场、道路及军事设施的建设，对工程冻土学进行了大规模研究。1961年整合多个机构成立了著名的寒区研究和工程实验室(CRREL)，专门就多年冻土区工程设计标准与施工工艺进行研究。1980年8月CRREL发表了专题报告《深季节冻土地区和多年冻土地区基础设计与施工》^[10]，提出了美国极地及亚极地地基基础设计方法，将基础设计按基础支承是否会受多年冻土融化影响分两大类。针对后者又细分为3个子原则：(1)保持现有的热力状况。(2)容许建筑后地基中热力状况的改变。(3)建筑前预先改善地基条件。

1.4 气候变暖带来的新挑战

20世纪80年代很多学者和机构开始重视全球气候变暖对多年冻土区工程稳定性的影响。俄罗斯学者^[11]早在20世纪90年代就指出：“多年冻土年平均温度的上升和融化影响建筑物的稳定性，按第1类原则建造的建筑物最令人担心……”，“要评价在多年冻土上采用第2类建筑原则的可能性……”。Streletskiy^[12]评估，由于气候变暖活动层增厚、地基承载力下降，到21世纪中叶，冻土严重退化可能导致俄罗斯多年冻土区50%以上的住宅建筑和约20%的工业建筑受损，基础设施总损失将达到2 500亿美元。为适应多年冻土持续退化，提高多年冻土区在役基础设施的气候韧性已经迫在眉睫。

总体来看，俄罗斯(以及苏联)、美国、加拿大等国针对高纬度多年冻土地基设计方法的研究主要集中于建筑结构领域，形成了保护冻土与允许融化两大类设计思想。

2 中国多年冻土区公路路基设计方法的发展演进

相较于国外，中国在多年冻土区公路工程领域取得了丰硕的成果，但因起步较晚，总体上经历了工程修建、问题暴露、逐渐完善的过程，中国多年冻土区公路路基设计方法演进过程可以梳理为以下几个阶段。

2.1 保护冻土路基设计思想的起步阶段

从青康公路与青藏公路建成通车(1954年)，青藏铁路第一次勘测设计(1956年)，青藏公路沿线的冻土考察(1960—1962年)，至20世纪70年代大规模科研攻关是中国保护冻土路基设计思想的起步阶段。

1954年12月，青藏公路通车，但因受技术和条件限制，部分路段存在冻胀融陷和热融滑塌等工程问题。20世纪60年代末至70年代初，随着运输需求的增加，原有砂砾路面已难以满足使用要求。1973年，国家决定对青藏公路进行改建，原交通部成立了青藏公路科研组(以下简称科研组)，由原交通部科学研究院牵头、原交通部第一公路勘察设计研究院等十余家单位共同参与，针对多年冻土区大面积铺筑沥青路面(即“青藏公路黑色化”)这一世界性工程难题开展技术攻关，相关成果于1987年获得国家科技进步一等奖。通过1973—1976年的联合攻关，科研团队在可可西里山、楚玛尔河平原及五道梁等典型冻土区段铺筑了总长7 km的试验路段和修建了2个综合观测场站，基于试验路路基病害分析和其他多年冻土区公路病害调查结果，提出了“高原多年冻土地区的路基除少冰、多冰冻土地段及融区外，一般均应遵守宁填不挖的路基设计原则对冻土进行保护”。朱学文、陈国靖^[13-14]分析了影响高原多年冻土地区路基稳定性的主要因素，按照冻土上限保持不变的设计原则，考虑路表融化指数、路基填料类型和冻土类型，于1978年提出了按保护冻土要求的最小路基高度建议值, 如表 1所示。

2.2 路基临界高度概念的提出与设计方法的完善

为了检验朱学文等人所提路基高度建议值的可靠性，科研组于1979—1980年对青藏公路已建成路段的病害情况进行了跟踪观测、调查以及复核验算，在1980年提出了不同类型冻土路段的路基最小填土高度(如表 1所示)，在此基础上增加了天然上限和地形地貌特征，引入了路基临界高度的概念，于1981年对路基最小填土高度的建议值进行了完善，见表 1。1980年提出的最小路基高度相对1978年而言，高出了约0.1~0.4 m。这一阶段路基临界高度及由此计算设计高度的乘积系数主要根据青藏公路唐古拉山以南以外试验段的经验估计值^[15]。

此后，从1981—1984年，科研组扩大调查观测范围到唐古拉山以南的安多至妥巨拉山段，综合大量观测资料，深入分析了影响人为上限的因素以及人为上限的变化特征，提出了路基临界高度的计算方法，首次指出了季节融化层及地温年变化深度内多年冻土层的压缩变形量不可忽略，必要时还应考虑季节融化层的冻胀量，形成了较为系统的路基设计方法，即：总体按照保护冻土的原则，尽量避免零填、浅挖，针对青藏公路沿线季节融化层多为砂性土或粗颗粒土以及地表水文条件较好的情况，建议采用保持多年冻土上限不变的原则；在低含冰量地区可以允许上限少量下降。此外，这一时期学者也逐渐认识到排水与路基侧向保护的重要意义，提出了诸如设置保温护道、限定路侧取土、加强排水系统等保护冻土生存条件的措施。

2.3 保护冻土路基设计理论的发展成熟

1991—1999年，青藏公路实施了到当时为止规模最大的一期和二期整治工程，是多年冻土区路基设计理论的大发展时期。至20世纪90年代末，中国保护冻土的路基设计理论渐趋成熟。

在一期整治改建期间，研究人员提出，路基填土高度的设计仍遵循保护冻土的原则，路基设计高度按满足沥青路面使用年限内多年冻土上限下降所产生的沉降不超过路面允许变形量的要求进行，并在路基设计高度基础上增加30 cm作为气候转暖对多年冻土影响的估计值，由此推荐了当时路基最小填土高度值，见表 1。此时较20世纪80年代路基高度建议值又增加了1 m左右^[16]。

进入20世纪90年代中期，全球气候转暖和沥青路面的强吸热效应对青藏高原公路下伏多年冻土的不利影响逐渐显现，冻土上限出现不同程度的下移，于是在二期整治改建期间，研究人员结合青藏公路冻土地温分布状况，将年均地温― 1.5 ℃作为划分高温冻土、低温冻土的标准，在保护冻土的基础上，提出了“控制冻土融化速率及综合治理”的设计原则，适用条件为：

(1) 保护冻土的设计原则主要用于多年冻土地温较低、含冰量高、冻土上限较浅的路段，由路基临界填土高度再加安全高度的方法确定路基设计高度。

(2) 控制融化速率的设计原则主要用于多年冻土地温较高，沥青路面下多年冻土与季节活动层之间寒季存在融化夹层的路段，其路基高度按满足路面设计使用年限内允许变形量的方法设计。

(3) 综合治理的原则根据冻土类型、地形、地貌和坡脚积水情况，采用设置隔热保温层、防水保温护道、钢纤维混凝土路面、加强排水等综合治理措施进行设计。

基于上述原则提出冻土路基最小填土高度值(如表 1所示)，并提出根据冻土类型、地形、地貌及路基坡脚积水情况，设置高0.8~1.5 m、宽2~3 m的防水保温护道，回填路基坡脚5 m范围内积水坑及增加系统的防排水设施等综合治理措施延缓冻土退化。章金钊^[16]进一步指出在低温多年冻土区应考虑气候变暖趋势，引入了路基合理高度的概念。至此，通过增加热阻达到保护冻土、减缓退化的路基设计理论已然成熟。

2.4 主动冷却技术的大发展

2000年以后，伴随着青藏公路第3期整治工程(2002—2004年)、青藏铁路建设(2001—2006年)与青藏公路完善工程(2008—2011年)的开展，保温护道、碎石边坡、隔热板、热棒、片块石、通风管、遮阳板、复合式路基等特殊结构路基以及以桥代路在青藏公路沿线得到广泛的尝试和验证。从增加热阻为手段的被动保护冻土原则改变为主动冷却地基的积极保护原则成为最鲜明的特点。

这一时期，设计思想也在不断丰富，针对路堤、低填浅挖及零断面和路堑等不同形式的横断面，允许考虑地基地质状况，分别采用保护冻土、控制融化速率、允许融化、破坏冻土、预融冻土、综合治理等原则进行路基结构设计^[17]，但在实践过程中仍然坚持着保护冻土的总体设计原则，其他几种设计原则都缺乏可操作性的设计方法和工程措施。

2.5 多年冻土区高速公路建设技术

2011年，共玉高速公路开工建设，在沿线多年冻土区大规模采用了片块石路基、隔热板路基、热棒路基、通风管路基等特殊结构路基及其组合形式。在共玉高速公路建设过程中，仍然贯彻了“宁填勿挖”的设计原则，为尽可能小地扰动原状冻土，在工程实施过程中主要采用不清表、浅挖、冲击压实的方式处理地基，进而通过控制路基高度、选择路基结构类型实现对下伏多年冻土的保护。

2017年以来，依托国家科技支撑计划项目《高海拔高寒地区高速公路建设技术》，针对多年冻土区高速公路路基融沉风险、尺度效应、保护冻土路基结构形式和建设技术进行了系统的研究和工程应用验证^[18]，形成了高等级公路一般填土路堤临界高度(如表 1所示)的计算方法与隔热层路基、块石路基、通风管路基、热棒路基等特殊结构路基的主要设计参数确定方法。

3 “处治冻土地基”理念的提出

总体上，中国多年冻土区公路路基设计方法经历了不断抬高路基和增设隔热导冷设施两大进程。控制要点在于施工期不扰动不破坏地基多年冻土，而通过路基措施增加热阻、减少热量输入或主动引入额外冷量实现多年冻土的不退化，不同保护冻土措施的设计初衷均希望更多的冷量结余在路基和地基内，但实际应用过程中面临复杂的现场水文地质条件、青藏高原恶劣的施工条件和维养经费不足的现实，使得保护措施的实际应用效果和性能长期保持均大打折扣。

2022年，笔者联合国内相关单位承担了交通运输部科技司青藏高原冻土路基科研攻关工程建设技术应用效果评价任务，对共玉高速公路、G214共玉公路、G109青藏公路穿越多年冻土区的代表性路段进行了较为详细的路表沉陷测量、钻孔勘察、静力触探和其他物探测量。本次调查与评价工作有以下几点发现：

(1) 青藏高原暖湿化趋势导致路侧坡脚积水、融雪性洪水、冻结层上水、冻土融水等多种来源水对路基和地基土的侵蚀弱化现象已不可忽视。如图 1所示，畸形沉陷、纵向开裂、边坡滑移等由地基承载力降低导致的路基病害大量出现。

(2) 路基波浪变形与不均匀沉陷问题极为突出，现有保护冻土的诸多特殊结构路基技术抑制融沉效果普适性不足，相同的技术措施应用于不同路段时效果差异非常大；新建路基修筑前下伏多年冻土含冰量越高，服役后路表发生不均匀沉陷的点位越多, 深度越大, 长度越短。笔者2022年对共玉高速公路黄河源多年冻土带不同路基类型对应的路表沉陷实测结果如表 2所示。

(3) 高温冻土带路基下伏多年冻土渠状退化现象非常显著，勘察数据表明G214共玉公路、G109青藏公路部分路段路基中心多年冻土上限已降至地表以下7~10 m，在多年冻土层与季节活动层之间发育出深厚的扇形融化夹层(又称融化盘、融化核、不冻夹层，由多年冻土层或季节冻结层融化后形成)。图 2展示了较为普遍的一种青藏高原多年冻土区公路普通填土路基修筑后地基冻融状态的演化过程，其中图 2(a)为公路修筑前天然大地的土层冻融状态；图 2(b)为公路路基修筑完工后地基中的季节融化层不能及时回冻形成融化核；图 2(c)为公路修筑后融化核底部积水下部的多年冻土持续升温退化；图 2(d)为公路服役较长时期后形成深厚的融化夹层。

(4) 沉陷的来源层位不断向地基深部扩展，路基变形来源类型(路基填土压密、季节冻融层压密、融化夹层压密与软化、多年冻土融沉和蠕变、退化冻土的压缩固结等)、层位及其比重在不同路段呈现复杂的组合状态，受多年冻土的不规则融沉固结、复杂的融化夹层形态、空间差异的季节冻融作用、地下水杂乱分布与水位季节波动、复杂的土质土类分布与路基-地基力学状态等多重因素交叠作用影响，路表沉陷畸形发育。如图 3所示，不同严重程度沉陷发生断面的路基坡脚和地基内部静力触探数据表明活动层和融化夹层的承载力不足已成为各种路基类型的共性问题^[19]。这或许是2011年青藏公路完善工程结束，2014年和2017年共玉高速公路一期、二期通车以来，采用特殊结构路基的路段仍然大规模出现不均匀沉陷的根本原因之一。

可见，基于保护冻土原则的现行设计方法^[20]的主要问题在于忽视了长期服役过程中下伏多年冻土升温退化、融化夹层发育、地基富水弱化等地基土性状变化对路基性能的影响。这些变化由气候长周期暖湿化诱发和加剧，可以总结为土的温度变化(多年冻土的升温)、土的相态变化(从多年冻土转变为正融土形成融化夹层)和土的含水量变化(冻土融化产生的水与降水增加导致的土壤含水量增加)，这是现行设计方法对冻土工程地质进行评价时未曾预料到的新问题。加之多年冻土退化已是正在发生和难以逆转的地质过程，因此在设计思想层面需要我们对路基服役期内下伏多年冻土和融化夹层的发展进行主动预判和响应，探索和完善预先改善地基条件的第3类设计原则(以下简称预先改善原则)。这一原则是对现有保护冻土、允许融化两大原则的补充，针对的是按照保护冻土原则和允许融化原则设计的路基，在设计使用年限内路表变形不能满足使用要求的情况，这时就需要对多年冻土地基进行预先改善。从冻土工程地质评价的角度，当地基中的多年冻土潜在退化层为强融沉性土层或融陷土层，以及退化后形成的正融土层土质为不良时，此种工况下路表变形将超限，就需要对不能满足设计要求的土层进行预先处治，处治对象既包括季节冻土层也包括尚未退化的多年冻土层。

对于人们普遍担心的处治多年冻土地基可能会带来更大的冻土消融风险问题，笔者保持审慎性乐观的态度，原因在于上文提及的共玉公路G214、青藏公路G109连续多年冻土区的路基下伏多年冻土在通车超过70年后的退化形态为渠形，路基坡脚外的天然大地多年冻土退化速度仍然非常缓慢，说明路基的聚热效应与所在区域环境的冻结能力相比是非常有限的。但确实应该在设计原则中考虑到冻土消融风险问题，在处治技术措施的选择上坚持微扰动处治的理念。基于上述考虑，笔者针对预先改善设计原则提出处治冻土地基的设计理念，首先在设计层面假定多年冻土区地基物理力学状态的时空变化性，在路基设计参数中引入表征地基物理力学状态时空变化的函数，通过精细化勘察手段确定地基物理力学参数的空间分布特点，实现设计使用年限内路基变形和稳定性的可量化、可校验，由此对无法满足设计目标的路段采用处治冻土地基的理念预先改善地基条件；其次在工程实施层面采用微扰动处治的技术措施，将高含冰量土层、软弱土层、潜在冻土退化层等主要变形来源层位进行预先处治，在地下水发育路段采用更有效的深层排水措施疏导地下水，调控地基持荷主体层位的工作状态。

4 基于处治冻土地基理念的公路路基设计方法

处治冻土地基理念的核心在于将气候长周期变化对地基性状的改变纳入设计体系，更精细地考察地基性状改变对路基变形和稳定性产生的不利影响，不以简单的多年冻土上限上移或下移作为设计控制标准，而是以路基变形和稳定性作为控制标准。多年冻土地基应为上部路基路面结构提供均匀稳定的支撑，在多年冻土地基处治过程和处治后能够较快回冻而不产生大面积消融；季节冻融的路基应具有足够的结构刚度、体积稳定性和阻热制冷能力，使得传导至地基的应力水平尽可能低，结余热量尽可能小；路面结构应具有足够的结构刚度，能够适应路基不均匀变形的结构性能和其他功能性使用性能。由于多年冻土地基变形受自身温度和外界应力水平双重影响，建议将力学指标和热学指标同时多年冻土区路基设计的关键控制指标，即通过路面-路基-地基体系的热学分析确定季节冻融层、融化夹层以及多年冻土层的范围和形态，进一步通过力学分析确定退化中的多年冻土以及多年冻土退化后形成的正融土的力学特性对路基变形和稳定性的影响程度，最终确定路基阻热制冷功能要求和多年冻土地基是否需要处治以及处治的范围、深度和方式。基于处治冻土地基理念的公路路基设计方法，如图 4所示。

路面-路基-地基性能的协同设计体系基于合理的地基承载力特征值和土层压缩模量指标值控制地基沉降变形和稳定性，基于路基顶面弯沉、回弹模量等力学指标控制路基顶面不均匀沉陷变坡率，以深层冻土稳定所需的冷量进行路基制冷阻热功能模块设计；以路基顶面应力水平和总体工程造价为指标优化路基路面结构刚度设计和功能设计。不同工程措施的处治效果体现为地基土层的水热力状态函数，在设计体系中成为变形预测与稳定性分析、地基处治方案确定、路基功能模块确定和路面刚度优化的桥梁，从而得到技术可行、造价合理、变形符合行车要求的设计方案。

4.1 路面-路基-地基性能协同设计步骤

路面-路基-地基性能协同设计的具体设计步骤如下：

(1) 分段。根据桥涵构造物与路基段的不同沉降控制标准进行路基路段划分。

(2) 定参。一是确定地基设计参数，根据现场勘测调查数据、经验总结和理论分析预测路面-路基-地基温度场、湿度场，进行热学分析，根据地基的冻融形态、土质类型等因素对地基进行土层划分，确定各土层物理力学状态方程与参数取值。二是确定路基、路面设计参数。拟定路基路面结构，计算路基顶面竖向压应变，优化路面结构、材料、厚度和路基顶面回弹模量设计值，计算路基工作区深度。

(3) 验算。分析各典型路段在拟定路面-路基-地基条件下的路基顶面总沉降、工后沉降、沉降盆形态、极限填筑高度、稳定安全系数等，根据沉降及稳定控制标准，确定路基路面结构方案以及地基处治的范围、深度和方式。

(4) 处治。根据不同处治技术措施的适用条件(表 4)，拟定典型路段的处治方案，重复前述步骤并对水热力调控模块的失效风险进行评价，通过综合分析确定最终的地基处治方案和路基路面方案。

4.2 地基土物理力学状态方程与参数取值

青藏高原多年冻土区地基土的物理力学性能主要受土质类型、温度、含水量/含冰量等因素的影响，而路面-路基-地基结构与材料的差异又将明显地改变地气间的热交换条件和水热输运过程，因此确定不同路面-路基-地基结构与材料参数下地基土的温度场、水分场时空变化规律是确定参数取值的基础。

(1) 温度场。根据路面-路基-地基温度场调控措施的类型(阻热型、导冷型、排水型等)通过理论计算、经验或现场实测数据确定竖向、横断面、纵断面温度变化特征，在此基础上结合所在路段和区域的水文地质状况确定季节冻融层深度、融化夹层厚度、多年冻土层厚度、多年冻土退化速率(升温速率、上限下移速率、下限上移速率)等参数取值。

(2) 水分场。根据路面-路基-地基水分场调控措施的类型(隔水型、排水型、疏水型等)与地下水位变化规律确定地基含水量变化特征，确定路基与地基分层平衡含水量、地下水水位高度等参数取值。

(3) 物理力学参数取值。综合地基土层的水热状态(季冻层、融土层、多年冻土层)和土质类型进行土层划分，确定各土层承载力特征值以及与变形有关的参数取值，包括黏聚力、内摩擦角、压缩模量、融沉系数、孔隙比等。

4.3 路基变形计算与稳定性分析

根据拟定的路面-路基-地基结构与参数取值，参照《冻土地区建筑地基基础设计规范》(JGJ 118—2011)给出的多年冻土地基变形计算相关方法进行冻土区路基变形计算和稳定性分析，具体步骤如下。

(1) 路基顶面变形计算，即分层计算路基工作区变形、季节冻融层变形、融化夹层变形、潜在退化层变形、深层多年冻土蠕变变形等。

(2) 路基稳定性评价，即评价路基失稳风险。

(3) 水热调控模块失效风险评价，即评价多年冻土退化风险评价、工程措施失效风险。

(4) 路面结构性和功能性验算。

(5) 采用复合地基技术时，可参照公路复合地基相关规范进行专项评价。

4.4 设计目标与控制标准

根据道路技术等级、设计行车速度、路段类型等因素确定路面设计使用年限内路基顶面工后沉降控制标准和路基稳定安全系数要求。此外，以路面结构层拉应力和路表排水功能需求、行车舒适性功能需求对路基纵横向不均匀沉陷的变坡率提出要求^[20]。

5 冻土地基处治技术现状与展望 5.1 冻土地基处治技术研究进展

处治冻土地基理念从更广义的角度认识和治理多年冻土区路基沉陷问题，可以按照处治的具体目标分为保护性处治、破坏性处治和穿透性处治技术3类。

(1) 保护性处治。保护性处治以保护冻土生存环境为目标，形成了以阻热、导冷、治水为目标的多种技术方案，是当前连续多年冻土区路基工程主要采用的技术方案。

(2) 破坏性处治。破坏性处治以移除多年冻土为目标，形成了挖除换填、完全预融或部分预融的处理方法，当前主要应用于中国东北岛状冻土分布区域。

(3) 穿透性处治。穿透性处治以变更持荷层位为目标，一般采用复合地基技术将车辆与路基荷载通过桩基分散和传递至地基深部稳定持荷层，以规避多年冻土退化和地基富水导致的地基承载力降低，能够允许冻土融化而路基变形可控，该类技术造价较高，设计理论缺乏，尚未大规模推广。

3类处治技术并非相互排斥，保护性处治延缓多年冻土的退化，破坏性处治主动根除地基软弱层和冻土潜在退化层等变形源，穿透性处治则提高了地基对气候环境变化和冻土上限波动的韧性，需要针对场地的冻土赋存状态和水文地质条件选择合适的处治技术才能分类施策，实现设施全寿命周期成本的最优。

破坏性处治和穿透性处治技术在中国青藏高原多年冻土区应用案例较少。2020年以来，笔者联合相关单位依托青藏高原多年冻土区的共玉高速公路G0613、共玉公路G214、玛花公路G347、香花高速公路G0615、花久高速公路G0615等实体工程和花石峡冻土观测基地先后实施验证了现浇桩筏路基、静压预应力高强度混凝土管桩、强夯与块石强夯置换、浅层原位固化、碎石桩、搅拌固化桩、冻土挖除换填、含土冰层预融、高效隔热材料、强力平铺制冷、钢板桩隔水帷幕、井点深层排水、鼠道暗排降水系统、低矮路堤等技术方案的可行性与实施效果。梳理国内外相关文献的发表情况可以看到水泥粉煤灰碎石桩^[21]、石灰预融桩^[22]、水泥混凝土桩^[23]、冻土固化桩^[24]、加筋碎石桩^[25]等冻土复合地基技术是当前研究的热点，部分技术得到了工程应用验证(如表 3所示)，但针对试验路段的长期效果跟踪观测和数据积累均不足。

5.2 冻土地基处治技术的选择

根据上文所述冻土地基处治技术的工程应用情况和相关研究成果，工程中可按照第3节所述方法对具体路段的路基变形来源层位和失稳层位进行分析，确定拟处治深度、宽度范围，进一步根据处治目标和不同处治技术的适用条件、施工可行性、便易性、工程造价、地区应用经验等选取适宜的方案(可参考表 4)，实现地基承载力的提升与保持、冻土退化速率可控。

5.3 有待持续攻关的问题

当前，中国针对多年冻土区新建公路路基设计和病害整治设计尚未建立完善的变形和稳定性分析理论，无法充分发挥和利用不同地基处治技术的优势，瓶颈与难点主要体现在以下几个方面。

(1) 亟需攻克冻土区水文地质精细化勘察的技术瓶颈

随着青藏高原总体暖湿化趋势和路域范围多态多源水的不规则发育，公路下伏连续多年冻土也逐渐向平面岛状化和竖向不衔接退化，这使得现有依据百米间距钻孔剖面图内插冻土分布和地质参数已经不能满足公路工程建设养护的需要。在役公路呈现出大量长度为10~30 m沉陷盆，迫切需要研发新型水文地质精细化勘察技术与装备，破解多年冻土地基的“黑盒效应”，实现路域浅层(< 10 m)地下冰、地下水、土力学参数空间分布形态的平面米级精细制图。地下水对雷达电磁波信号的阻断效应、电法的多解性、瞬变电磁法对测试环境的高要求、面波测试的低效率等都是亟待突破的瓶颈。笔者将静力触探技术引入多年冻土区地基性状评价^[19]，能够快速准确评价季节冻融层、融化夹层和高温冻土层的力学性状，但针对碎、砾石含量高的土层或低温冻土面临压入困难等问题，仍需积累数据库以建立多年冻土地基静力触探数据与承载力参数的换算关系。

(2) 基于处治冻土地基理念完善多年冻土区工程地质评价指标体系。

现行规范^[20]提出了多年冻土场地的复杂性、稳定性、融沉性分级方法，为特殊结构路基的选择和设计提供依据，但现有分类方法和评价体系仍然存在诸多模糊和值得商榷的地方。

第一, 多年冻土地温分带是采用年平均地温值(年零较差深度处的地温值，一般为地表以下15 m深度处)进行划分，以― 1.5 ℃判定地基的稳定性，一来该值获取困难，二来该值不能反映浅层冻土的温度均值和波动幅值，而浅层冻土的温度更直接影响地基的竖向承载力和压缩变形。因此，建立更为丰富的浅层地基温度场表征指标才能为各类地基处治技术的效果评价和改进完善提供依据。

第二, 现有多年冻土类别的划分方法对于新建路基一般按照天然上限以下0.5 m范围内冻土总含水量来确定，当上限以下0.5~1.0 m范围内为含土冰层时则采取上限以下1 m以内的整层含水量来确定冻土类别；对于老路则按照人为上限以下0.5 m范围内冻土总含水量来确定。该判定方法直接决定了现场钻孔勘察的停钻深度，使得该深度之下的冻土赋存状况以及软弱夹层等地质情况无法被识别，也面临停钻深度不等问题。以上限附近的冻土类别结合土质类别、融沉系数等进行融沉性分级只是定性表征了融沉风险级别，可能产生的变形量并无法给出。此外，融沉系数的测试条件也未考虑上覆地层应力水平的影响。当采用复合地基技术时，该分类方法也不能支撑地基承载力和稳定性的验算。

第三, 如果人为约定更大钻孔深度，得到更丰富的土层信息，当不同类别、不同温度水平的冻土组合时，或当季节冻融层、融化夹层、冻土层/融土层交互分布时，如何综合全深度信息评价地基融沉风险？因此，笔者建议按照处治冻土地基理念完善冻土区工程地质评价指标体系，基于变形和稳定性计算参数分类提出季节冻融层、融土层、冻土层的试验指标和试验方法，对潜在冻土退化层和潜在新生多年冻土层同时开展融土和冻土性能试验，实现路基变形与稳定性的量化评价。

(3) 构建冻土地基处治设施的长期效能表征方法

按照处治冻土地基理念，路面、路基、地基以及水热力调控设施均可以作为单独的模块进行评价。可采用理论推导、现场长期观测等方式建立长周期路域气候环境预测模型、路面设计使用年限内的地基分层升温曲线^[35]、地基含水量变化曲线^[36]、阻热设施热工参数演化曲线、导冷设施制冷功效方程、地基增强材料的劣化方程、地基土水热力耦合行为与融化固结本构等预估模型，实现处治设施的水热力调控效果精确表征和地基物理力学参数的量化取值。

当前, 尚缺乏统一框架下对已有长期观测数据的整理和理论化提升，具体而言, 主要覆盖以下三个方面: ①路基长期服役过程中隔热材料的导热系数演化方程、热棒制冷效能演变方程与影响范围函数、片块石路基热阻效能演变方程、通风管的热交换系数以及上述特殊结构路基的刚度参数、热收支参数等。②固化土地基的模量衰变方程、刚性桩/柔性桩复合地基的承载力演化方程、地下水隔排设施的水力参数与保持方程等。③不同路面-路基-地基结构与地形水文地质组合下温湿度场的统一表征、冻土区典型土质土类在复杂水热力条件下的本构参数和变形预估模型等。

(4) 研发面向新建路基与在役路基治理改造特定需求的新型处治技术、材料与装备

表 4所列冻土地基处治技术，其中路堤与浅层地基处理相关技术和施工工艺已较为成熟，而随着在役路基下伏冻土持续退化^[37]、冻土人为上限下移至7 m以下，今后对深层地基处治技术的需求更为迫切。针对冻土区地基处治面临的低温、富水、不同土质土类互层分布、冻融土层交互分布以及高原高寒、缺氧、大温差、有效施工期短、生态脆弱等自然环境条件，改进现有水热调控设施(隔热材料、热棒、片块石、通风管等)的抗冻融/辐射耐久性、制冷功效的空间均质性和全时工作以及长期稳定性、抗灾韧性、施工便易性等。在路堤结构方向，研发轻载路堤(低矮路堤、轻质路堤)和刚度提升技术等；在地基增强结构方向，研发针对不同水文地质条件的新型复合地基结构(水平增强、竖向增强、斜向增强等)、地下水暗排降系统与施工工艺等；在地基处治材料方面，针对软弱土、冻土研发环保耐久、适应低温富水条件或隔热功能要求的新型固化或胶凝材料；在处治装备方向，研发快速高效低扰动的施工装备或靶向处治设备；在长期性能观测方面，研发阵列式、分层变形、三维沉陷形态全时全域监测传感器件与测量方法等。最终，形成系统的高原冻土区公路路基延寿、增韧、靶向处治理论方法与建造工艺，推动多年冻土区公路路基设计方法从当前的经验法为主向理论-经验法转型。

6 结论

(1) 中国多年冻土区公路路基设计理论主要围绕保护冻土原则展开，经过50余年的发展已经逐步成熟，形成了合理路基高度、设置热棒、片块石、通风管、隔热层等一系列减少热量累积的特殊结构路基形式及其建造技术，并广泛应用于各等级公路工程。

(2) 随着青藏高原持续暖湿化，多年冻土区在役公路路基出现大片连续的重度不均匀沉陷病害，多年冻土退化与地基富水成为主要诱因，人为冻土上限下移至7 m以下，沉陷的来源层位不断向地基深部扩展，在保护的基础上对浅层和深层地基进行人工增强已不可回避。

(3) 在现有保护冻土、允许融化两大原则的基础上，以发展和完善预先改善地基条件的第3类设计原则为目标，提出了处治冻土地基的理念及与之匹配的多年冻土区公路路面-路基-地基协同设计流程与计算方法，以期实现设计使用年限内冻土区路基变形和稳定性的可量化评价。

(4) 针对冻土地基处治技术的发展现状，提出了冻土区水文地质精细化勘察、适应处治冻土地基理念的工程地质评价指标体系的构建、冻土地基处治设施的长期效能表征、面向新建路基和在役路基不同需求的新型处治材料与装备研发等方向面临的挑战和下一步攻关方向。