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摘要：内蒙古西北地区有着类似的自然气候特征、筑路条件和交通状况，针对该地区进行公路建设技术研究意义重大。本文以临河至三道明水（蒙甘界）段高速公路为依托，系统研究了内蒙古西北地区路基设计、施工技术等方面内容，为推进西部大开发战略具有极为重要的现实意义。通过对路基高度与路基功能、强度、稳定性及工程造价等影响因素相关关系的综合分析，推荐适用于内蒙古西北地区不同条件下的高等级公路路基合理高度值范围；
关键词：内蒙古西北地区；依托工程；路基设计；路基
内蒙古西北地区地貌类型有山岭区、低山丘陵、荒漠草原、沙漠、戈壁、古湖盆、起伏滩地等。该地区气候干燥而少雨，且降雨量集中，蒸发量大，无霜期短、风大沙多，其昼夜、年内温差大，紫外线强度高，还常分布有盐渍土、流动或半固定风积沙不良地质地段。然而在这样广袤的地区，虽然环境荒凉、人烟稀少，但在其腹地却蕴藏着丰富的资源，如石油、煤、天然气、岩盐等，同时神秘、苍凉的大漠风光也别具特色。近些年来，随着矿产能源开采和旅游资源开发，内蒙古西北地区公路建设的速度和规模进入快速增长阶段，这在一定程度上解决了该地区交通难的问题。然而，这些远不能满足内蒙古西北地区经济发展的需要。随着内蒙古西北地区经济的迅猛发展，不论从数量上还是等级上对该地区公路的要求越来越高。为适应逐年增长的交通发展的需要，加快开发步伐，建设高速、优质、经济的公路是当务之急。
本文依托工程为临河至三道明水（蒙甘界）段高速公路，是国家“7918”高速公路网中第6条首都放射线北京—乌鲁木齐公路穿越内蒙古境内段，位于巴彦淖尔市和阿拉善盟境内，穿过沙漠（8.4万平方公里）、戈壁（9.1万平方公里）、荒漠草原（9.5万平方公里）。沿线经过地区雨量稀少，气候干燥，光照充足，蒸发量大，夏季炎热，冬季寒冷，昼夜温差大，属典型的温带大陆干旱气候。沿线分布有湿地、干旱缺水风沙区、软戈壁、盐渍土、流动或半固定风积沙不良地质地段等，工程条件复杂。
针对沙漠地区路基的研究虽已取得一定的成果，但仍存在很多不足。目前国内外尚无较为完整的设计、施工、检测、试验等方面的规程、规范，以往的工程应用仅仅是参考和借鉴现行公路规范、规程，不能满足高等级公路的需要。本文通过对路基高度与路基功能、强度、稳定性及工程造价等影响因素相关关系的综合分析，推荐适用于内蒙古西北地区不同条件下的高等级公路路基合理高度值范围。
根据依托工程沿线地层性的不同特点和力学特性，可将内蒙古西北地区大致化分为包括低山丘陵区、戈壁平原区、冲湖积平原区、风沙区等在内的四个工程地质分区。其中，风蚀和风沙流引起的堆积，沙埋是全线共同存在的不良问题。
通过对内蒙古西北地区路基高度与路基功能、强度、稳定性及工程造价等影响因素相关关系的综合分析，从而推荐适用于该地区不同条件下的高等级公路路基合理高度值范围，以供参考借鉴［3-5］。
一、合理路基高度确定原则
路基作为公路工程的重要组成部分，必须具有一定的较为合适的填筑高度，才能减少病害，减弱因病害而造成的对强度和稳定性的影响，这样对于延长公路寿命也是大有裨益的。路基所具有的一定的合适填筑高度称之为路基的合理高度。路基合理高度的确定要遵循如下原则［3］：
（1）保证路基 的稳定性，满足路基工作区受力的要求。
（2）保证路基最小填土高度，满足温度、盐分等方面要求，提高路基稳定性。
（3）在土质不良地段，尽可能寻求一种合理的处置方法，使路基填土高度下降，保证不因各种水源的作用，而降低路基强度和稳定性。
（4）充分考虑翻浆、沙埋、风蚀、盐碱等对路基的要求，满足纵横向排水、输沙等各方面要求。
在满足上述条件的情况下应尽量采用最小填土高度，以节省造价，减少重大交通事故发生的概率，同时减少高路基容易出现的失稳现象。
二、已建公路路基高度调查分析
为了科学合理的推荐内蒙古西北地区高等级公路路基高度，对已建类似环境中的公路进行调查，并列出部分公路情况，如表2.1～2.2、图2.1～2.2所示。
1、风积沙区、戈壁平原地区
表2.1 类似地区已建公路路基高度调查
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图2.1 S317阿拉善右旗～乌力吉
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图2.2 G30连霍高速
调查结果分析：
（1）在裸露（或植被稀疏）平坦的流动沙地及沙滩，路基高度不宜较高，应以低填为主。建议这种地区的路基高度取80cm以下，边坡采用应较缓以1：3为宜。在固定、半固定沙丘等丘间低地不宜设零断面，宜设高度为40～60cm的低路基。
（2）路面强度指标弯沉值除个别路段外，普遍较高，这和内蒙古西北地区处于干燥良好的土质地段相关。
（3）大部分路段在路基高度为0.5～1.5m时，弯沉、车辙破损率数据值较小。
2、冲湖积平原区（潮湿区）
表2.2 不同路基高度下的道路病害情况［10］
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图2.3 路基高度与道路病害关系曲线
由图2.3分析可知：
（1）路基高度在0～0.3m时，路面龟裂为100%，道路翻浆为100%，表明道路病害严重。
（2）路基高度在0.3～0.9m时，路面龟裂、道路翻浆均迅速下降，且路基高度在0.9m以上时基本不产生翻浆，路面龟裂也相应减少了。
（3）路基高度在1.8m时，路面出现纵向裂缝。随着路基高度的增加，纵向裂缝有上升趋势。当路基高度在3.6m以上时，纵向裂缝迅速增加，这是因为当路基过高时，路基自重增加，故而路基两侧地基易失稳侧移。
基于以上调查资料分析，潮湿地区路基高度建议取0.8～2m。
2.3路基高度与路基功能相关关系分析
2.3.1满足防沙埋、风蚀等要求的路基高度
1、风蚀
风蚀是风沙区公路沙害最为普遍的形式。对已建类似环境中某三段公路进行观测记录，并绘制出路基高度与风蚀深度的关系曲线见图2.4。
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图2.4 路基高度与风蚀关系曲线
由图2.4分析可知：
（1）路基高度较低时，风蚀较轻；路基高度较高时，风蚀较严重。且随着路基高度的增加，风蚀深度几乎程线性增长。
（2）路基高度在0.3～2.0m之间时，风蚀深度增加了约10cm，路基高度在2.0～3.5m之间时，风蚀深度增加了约12.5cm；可见随高度的增加，高度越高，风蚀深度增加越快。
（3）在风蚀严重的地区，路基高度应控制在0～0.3m之间。
2、沙埋
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图2.5 路基高度与沙埋关系曲线
有学者将公路分成沙埋和未埋两种情况，并在归纳了不同路基高度（路基高度在0～3.5m之间）下沙埋程度等情况的基础上，绘制出路基高度与沙埋百分率关系曲线图，如图2.5所示。结果显示，当路基高度在40～60cm、120～160cm时，被埋几率约为60～70%，明显较其他高度路基沙埋程度轻。
从以上分析得到以下结论［5］：
（1）内蒙古西北地区公路路基高度不应小于30cm，也不宜高于200cm；
（2）不同沙丘类型应有不同的路基高度。
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图2.6
由图2.6可看出：路基高度在小于25cm和大于180cm的这两个范围，被埋几乎为100%；在25～180cm之间沙埋的百分率较小，路基高度可选择在30～120cm之间。
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图2.7
由图2.7可中看出：路基高度在40～240cm之间沙埋的百分率较小。在半固定沙丘地区，由于沙源比流动沙丘少，路基高度可选在50～200cm之间。
图2.8
由图2.8可看出：路基高度在40～90cm之间沙埋的百分率为75%；在140～180cm之间的被埋百分率为50%左右。由于流动沙丘沙源丰富，因此路基高度选在140～200cm之间较合适。
通过分析“路基高度与路段沙埋百分率曲线”和各种沙丘类型下的不同路基高度被埋概率的基础上，结合工程实践，提出不同沙丘类型下内蒙古西北风沙区路基高度推荐值范围，见表2.3。
表2.3 不同沙丘类型下内蒙古西北地区风沙区高等级公路
路基高度推荐值
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2.3.2满足行车安全要求的路基高度
较高填方路基不利于行车安全，一旦发生交通事故，后果将不堪设想。较高填方路基公路与低填方路基公路的交通安全虽没有定量的比较，但从公路使用经验中完全可以肯定，较高填方路基公路交通行车要比低填方路基公路交通行车危险的多。图2.9为较高填方路基发生的交通事故。
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图2.9 货车摔下6m高路基
（1）司乘人员在过高的路基上行车时容易产生心理紧张感。
（2）在较高填方路基上发生事故所造成的伤害要比低填方路基大的多。
但是并不是路基高度越低对交通安全越好，路基填土高度过低容易形成驼峰竖曲线，严重影响行车舒适性，并容易发生交通事故。
“府深城乌兰陶勒盖段～达布察克镇不同高度路基行车事故资料如下［5］：
（1）当路基高度在0～1.0m之间时：
表2.5 事故调查表Ⅰ
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（2）路基高度在1.0～2.0m之间时：
表2.6 事故调查表Ⅱ
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整理资料，列出下表：
表2.7 不同路基高度下的交通事故情况
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综合以上可知，当路基高度在0～1.0m时，轻微事故出现的频率为33.3%，重大事故出现的频率为5.6%，而当路基高度在1.0～2.0m时，轻微事故出现的频率则减小到22.2%，而重大事故出现的频率则激增到22.2%。
由上可见路基高度较高对行车不利，它不仅对驾驶员及乘客有一定的心理影响和压力，而且高路基缺乏安全感，交通事故一般比较严重。基于避免或减少交通事故这一角度考虑，路基高度应尽量放低，以保持在1.0m内为宜。
2.4路基高度与路基强度、稳定性相关关系分析
根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）［8］，水文及水文地质条件不良地段的路基设计最小填土高度不应小于路床处于中湿状态的临界高度。因而，要计算最小填土高度，必须正确确定公路路基干湿类型。路基干湿类型划分可采用以下两种方法：
（1）根据路基土的平均相对含水量或平均稠度划分原有公路路基干湿类型，也就是路基土的分界相对含水量建议表或分界稠度建议表，以实测不利季节路床表面以下80cm深度内土的平均相对含水量或平均稠度来分。
（2）以路基临界高度判别路基干湿类型，对于设计中的新建公路，路基尚未建成，路床范围（80cm）内的平均相对含水量无法测定，因此，不能以平均相对含水量或平均稠度来判断路基的干湿类型。此时，可采用地下水或地表长期积水的水位至路床顶面的距离，与路基临界高度进行比较来判别路基干湿类型。由于高速公路大都采用新建的形式，所以，对于路基干湿类型的判断采用第二种方法。
路基临界高度是指在最不利季节，当路基分别处于干燥、中湿或潮湿状态时，路槽底距地下水位或长期地表积水水位的高度。若以H表示路槽底距地下水位的高度，当路基的高度H变化时，平均含水量 将变化，土的平均稠度也随之改变，路基的干湿随之改变，路基的干湿状态相应地变化。如图2.11所示。
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图2.11 路基临界高度与干湿类型
内蒙古西北地区公路自然区划大致为 区和 区。根据《公路自然区划标准》［9］其特征与指标见表2.8。
表2.8
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根据不同土质和自然区划（ 区、 区）的路基临界高度见表2.9。
表2.9
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注①括号表示没有实测资料，根据规律推算的。
路基设计时，为满足使路基具有足够的强度、整体稳定性和水温稳定性，应尽量满足路基最小临界高度的要求，满足路基干湿类型的要求使路基处于干燥或中湿的状态。也就是说路基的干湿类型要求是影响路基填土高度的一个重要因素。路基高度越高，离地下水位越远，路基的干湿状态也就越好，这就意味着，设计时以路基干燥状态设计，则路基的高度最高，以中湿状态设计次之，潮湿或过湿状态设计则路基填土高度会相对较低。
1、潮湿地区最小填土高度
如图2.12所示，
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令 表示土基处于中湿地下水的临界高度，而
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是路床顶面与原地面之间的高度，再设最高地下水位的标高是
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，原地面标高是
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，如果以
表示路面的厚度。
从下图看出：
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，则
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，可得
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所以：最小填土高度为
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（2-1）
式中：
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即此区域的地下水埋深，根据表2.9取1.5m；
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土基处于中湿地下水的临界高度，根据表2.10取1.6m；
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路面厚度，取一般值0.7m。
故
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。
因此内蒙古西北地区处在潮湿区时，路基填土的最小高度需达到0.8m，才能使路基具有足够的强度、整体稳定性和水稳定性。
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2.12 最小填土高度的计算模式
2、干旱地区路基填土最小高度
《公路路基设计手册》［10］和其他资料都建议，为便于排水，干燥路基最小填土高度一般为：砂性土0.3～0.5m、粉性土0.5～0.8m、粘性土0.4～0.7m。这就是说，内蒙古西北干旱地区，由临界高度来判断已经是属于干燥状态了，那么此时最小填土高度就由当地的土质决定取值。
故内蒙古西北干旱地区路基最小填土高度可控制在0.3～0.5m。
2.5路基高度与工程造价相关关系分析
工程造价的影响因素很多，包括路面材料及厚度、排水构造物、道路等级、地基处理、路基高度等。道路等级一旦确立后，在同一环境，相同段落的路面材料及厚度、排水构造物、地基处理基本都是相同时，路基高度则是影响工程造价的敏感因素。通过分析路基高度对工程造价的影响，寻找出选择路基高度的经济点的临界高度。
为便于分析，引用“经济指数”的概念。选定一个最小的路基高度作为基点，
将其经济指数定为1，采用百分数表示，即100%；再将高于最小路基高度的工程造价与选定的最小的路基高度的工程造价进行比较，得到相应高度的经济指数。
即：
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（2-2）
式中：
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根据类似环境中某些已建公路进行经济指数的分析，分析时选定1km单位路段长度。选择有代表性的四种路基边坡分别进行分析，即：1：1.5、1：2.0、1：3.0、1：5.0。采用砂性土回填路基，砂性土填筑高度分别取0.5m、1.0 m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m、4.5m、5.0m进行计算，其计算汇总见表2.10［6］。
表2.10 经济指数计算汇总
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根据表2.10的分析数据，绘制路基高度与经济指数的关系图如图2.13所示。
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图2.13 路基高度与经济指数的关系图
根据图2.13分析可知：
（1）路基宽与路基高度相同时，经济指数随路基边坡宽度的增加而增加。
（2）路基高度在2.0m时，为经济点的临界高度。当路基高度小于2.0m时，经济指数相对较缓。当路基高度大于2.0m时，经济指数增加的速度较快。因此建议路基的合理高度在0～2.0m之间。
2.6路基合理高度推荐
内蒙古西北地区路基合理高度的确定，必须针对此区域路基所在区域的气候、土质、地质等条件特点进行综合分析，确定设计原则，划分不同的范围，根据土质强度、稳定性、盐胀翻浆、防止沙埋、风蚀、等各方面的要求，确定路基合理高度范围。
（1）戈壁平原区：土质以棕红、灰褐色的砾石、砂砾石土为主，工程地质条件良好。路基合理高度应以降低造价、少占耕地，提高安全性为主要控制原则，同时考虑与景观的协调。一般保持在0.3～1.0m为宜。
（2）风积沙区：以固定、半固定沙丘、平沙地及新月形沙丘链为主。砂性土强度高，路基合理高度主要考虑风沙流特性，路基太高工程量大并且风沙流易受阻，路基太低容易造成沙埋。综合以上因素，提出此地区的合理高度为［9］：在固定沙丘区，路基控制高度在1.0～1.6m为宜，在半固定沙丘区，路基高度在1.0～1.8m为宜，在流动沙丘区，路基高度控制在1.0～2m为宜。
（3）冲湖积平原区：该处主要以冲积、洪积粉细沙、粉质粘土层为主，地势平缓，地下水源丰富，土壤盐渍化严重，其高度应结合土基强度、土质盐渍化程度、地下水毛细作用高度等因素综合确定。
（4）低山丘陵区：此处主要出露二叠系、侏罗系、白垩系等碎屑沉积岩，丘坡大都基岩裸露，工程地质条件较好。此处的合理路基高度应以降低造价，减小高填深挖路基的高度以加强路基的整体稳定性为主要控制原则，建议路基高度保持在0.5～1.0m为宜。
经以上分析，推荐内蒙古西北不同地区路基合理高度如下表2.11所示：
表2.11 内蒙古西北干旱不同条件下的路基合理高度推荐值
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