严寒地区客运专线路基冻胀影响因素及防治技术

2011-03-17石刚强张先军

铁道建筑 2011年6期

石刚强，张先军

(1.哈大铁路客运专线有限责任公司，沈阳 110002;2.兰州大学土木工程与力学学院，兰州 730000)

在我国，无论西北还是东北的季节冻土地区，由于路基经受周期性冻融循环作用，铁路路基的冻害都比较普遍。冻害除了直接引起的路基面变形外，还造成土体强度的弱化，导致路基产生不均匀变形，破坏轨道的平顺性，线路养护维修工作量十分繁重，并对安全行车带来了严重危害［1］。

哈大铁路客运专线是我国在严寒地区［2］设计、建造的第一条客运专线，沿线冬季寒冷漫长，最冷月平均气温在 -13.5℃ ～ -17.5℃，极端最低气温达-36.5℃，沿线季节性冻土层厚度由南向北为1.48～2.05 m，每年从10月底开始冻结，次年5月—6月全部融化。全线铺设的无砟轨道对路基工后沉降的要求非常严格，允许的工后沉降不大于15 mm，差异沉降不大于5 mm［3］。客运专线路基是土工结构物和承受轨道结构重量、列车荷载的基础，路基工程稳定性是能否实现高速、平稳、安全行车的最为关键的环节之一，对于无砟轨道来讲，冻胀早已超出允许范围，这就需要通过研究路基冻胀产生的机理和主要影响因素，采取综合防治技术，避免冻胀的发生。

1 路基冻胀机理及主要影响因素［4］

1.1 路基冻胀机理

路基发生冻胀的机理，主要是由于土层在冻结时，周围未冻区土中的水分向冻结区迁移、积聚所致。由于负温作用，路基开始冻结时，水分由下层向冻结锋面集聚，形成冰晶体、冰夹层。随着路基下部和路肩土体中水分向路基中部集聚，使路面下部形成较厚的聚冰层，排挤土颗粒引起土体积增大，致使路基土产生冻胀，使路基面拱胀不平或产生裂缝。

1.2 影响路基冻胀的主要因素

一般来说，影响路基冻胀因素主要有适宜的土质、足够的负温总量和土中水源补给。适宜的土质是内因，负温和水分是外因，当三个条件都具备时，路基就不可避免地发生冻胀。土质包括土的颗粒组成、矿物成分和盐的含量;水分可分为地下水、地表水和大气降水;温度可分为土的冻结温度、冻结速率等。对铁路路基来说，当土中矿物成分、盐的含量不变时，影响路基冻胀的主要因素是土体颗粒粒径、土体密度、水分和温度。

1.2.1 土体颗粒粒径对路基冻胀的影响

土的粒径与级配对土体的冻胀性影响十分显著，当颗粒粒径由大变小时，其比表面积由小变大，与水的作用和土在冻结过程中水分迁移的能力也随着加大。土中细颗粒(黏粒)的含量越大，其比表面能与结合水含量越高，相应的土与水之间的作用就越激烈，当土的渗透系数和毛细水上升高度适宜时，冻胀就会很大，因此认为颗粒粒径＜0.075 mm组成的黏性土具有较强的冻胀性。对于粗粒土来说，在冻结过程中不会发生冻胀或冻胀量很小，当夹有一定的细粒就会改变其冻胀性质，细粒含量＜15%时属于不冻胀土。

1.2.2 土体密度对路基冻胀的影响

土体密度对冻胀的影响呈指数曲线变化，密度较小时，冻胀量随土体的密度增加而增大，并在密度达到某一界限值时冻胀量达到峰值;超过这一限值后，冻胀量又随着密度增加而减小，甚至不发生冻胀。前者是由于土体密度的增加，土中的水分并没有改变，只是缩小了土体的孔隙，有利于土体冻结时水分的迁移和积聚，所以冻胀量增大，但当土的密度继续增加时，土体达到饱和，在两相体系中，土的密度增加使得土体的含水率与水分迁移量下降，所以后者出现冻胀量随密度的增加而下降的趋势。由此，在严寒地区筑路，压实密度严格按设计要求进行非常重要。

1.2.3 水分对路基冻胀的影响

土中的水分是引起土体冻胀的必要条件，土体中存有水分并非都会冻胀，只有当土体孔隙中全部挤满冰晶，并使土粒移位后，土体才发生冻胀。土体开始冻胀时的含水率称为起始冻胀含水率，如用冻胀率来表示土的冻胀程度，冻胀率等于零时的含水率即为起始冻胀含水率。影响路基冻胀量的另一种水分是地下水的补给，地下水位距冻结进程线的距离直接关系到冻胀值的大小，当地下水埋藏较浅，水分通过毛细管作用，直接补充冻结层的水分，增加了土的冻胀量，当路基采取措施隔断地下水的补给时，会有效地控制土的冻胀。

1.2.4 温度对路基冻胀的影响

土的冻结和融化主要是受环境温度的影响，土的冻结过程实际上是土中冻结温度下降的过程，也是土体冻胀增加的过程。土的冻胀决定于土的起始冻结温度、土的冻胀温度和土的冻结速率。冬季气温下降到0℃以下时，土中的水分并未冻结，当土体的冻胀温度低于冻结温度时，随着温度的继续下降，土中水分不断冻结，未冻水减少，含冰量增加，土体的冻胀剧烈增长;当温度下降到某一值后，土的体积冻胀开始变得缓慢，直至趋于平稳，冻胀终止，此时的冻胀量则为土的最终冻胀量。在相同含水率下，当冻结负温总量较大、冻结速率缓慢、温度梯度较大时，土中水分有较充分的时间迁移，引起的冻胀量也就大。

2 路基冻胀防治技术

根据对影响路基冻胀主要因素的分析，路基冻胀主要涉及地基处理、路基填料选择、防冻层结构设计、防排水措施及防冻胀处理，需要从路基的设计、施工、养护等各环节采取科学合理的路基冻胀防治技术，以确保无砟轨道路基的长期稳定和安全运营。

2.1 地基冻胀防治技术

2.1.1 地基防冻胀处理

相对于一般地区而言，严寒地区松软土地基具有季节性冻土的特性，表现在地基强度受冻融循环的影响衰减严重等方面。因此，在地质情况不良地段，需要采取CFG桩、水泥搅拌桩复合地基、桩网结构等地基加固措施;在地质情况较好地段，采取强夯、冲击碾压措施处理地基。考虑到季节性冻胀影响，在碎石土、砂、卵、砾石土等粗粒土地基及低含水量与低饱和度黏性土(硬塑以上)和粉质土地基，当地下水位位于地面2.0 m以下时可采用强夯措施;粗颗粒土及黏性土地基，当地下水位埋深位于地面1.5 m以下时，如塑性指数＜17，可采用冲击压实处理。

2.1.2 路堑、低路堤地基换填

采用换填法是指挖除冻害地段的冻胀性土，换以物理力学性质较好的非冻胀性土，以消除地基土的冻胀。低矮路堤填土高度小于季节最大冻深，或路堑挖方地段基床范围内为冻胀性土或风化岩时，结合地基土层的冻胀性质，对冻胀范围土层进行挖除，换填非冻胀性A、B组填料。同时，为防止地下水渗入路基引起冻胀，于路基基底(路堑为基床表层以下)和换填底部铺设一层防渗复合土工膜。

2.1.3 路基防冻胀护道

为防止冻胀破坏路堤边坡坡脚，当填土高度大于季节最大冻深时，且地基土为冻胀性土时，于路堤坡脚处设防冻胀护道，高度和宽度不小于冻结深度，消除冻胀力对路堤边坡稳定性的影响。

2.2 路基防冻胀结构设计技术

2.2.1 路基填料选择和压实标准

1)基床表层级配碎石。级配碎石粒径、级配及材料性能在符合《客运专线基床表层级配碎石暂行技术条件》要求的基础上，同时应限定细颗粒含量，满足颗粒粒径d≤0.075 mm含量不大于5%，压实后颗粒粒径d≤0.075 mm含量不大于7%(重量比)，避免冻胀发生。

2)路基填料选择。防冻层选用0.075 mm细粒含量＜15%，平均冻胀率 η≤1且级配良好的非冻胀性A、B组填料。基床底层采用A、B组填料，粒径宜控制在6 cm以内;基床以下路基优先选用A、B组填料。

3)填料在满足设计和验标压实标准的基础上，参照其它客专经验，应增加 Ev2/Ev1指标的检测。

2.2.2 设置隔断层

在基床表层下部设置两布一膜不透水土工布隔断层，可提供横向排水通道，有效阻隔地表水渗入基床底层。但在土工布上下各铺10 cm厚中粗砂，根据现场填筑试验结果，不能达到压实质量结果。根据多次试验研究，在对防冻层顶面找平、复压收光表面后，直接铺两布一膜不透水土工布，其上铺一层5 cm厚中粗砂，再填级配碎石，满足表层级配碎石压实要求，同时为提高基床表层刚度，级配碎石厚度相应增厚15 cm。

2.2.3 设置防冻层

在最大季节冻深范围内采用非冻胀性填料填筑，属于完全防冻。基床表层0.30 m厚钢筋混凝土支撑层是抗冻安全的，其下0.55 m厚级配碎石材料也是属于完全抗冻的。在基床底层顶部1 m范围内设置路基防冻层，用非冻胀性 A、B组填料填筑，可以防治路基冻胀的产生。

2.2.4 铺设保温隔热层

将保温隔热材料铺设在路基表层或路基内，以减小路基冻结深度或使路基不冻结，从而防止冻胀。但目前用于国内工程的保温材料，其隔热特性、耐久性、吸水性可以满足无砟轨道的要求，但刚度和抗压强度尚不能满足无砟轨道的要求，在无砟轨道地段的应用需进一步进行研究。

2.2.5 过渡段处理技术

无砟轨道路堤与桥台、路堤与横向结构物连接处由于路基刚度差异较大，因此必须设置一定长度的过渡段，使轨道的刚度逐渐变化，并最大限度地减少差异沉降。过渡段填料采用掺加3%～5%水泥的稳定级配碎石，在保证刚度的基础上，可有效防止冻害的产生。此外，根据对严寒地区既有铁路路基冻害的调查，由于双向通风效应的影响，涵洞顶部路基冻害比较突出，因此要加强涵洞顶部的防冻胀处理措施，涵洞顶部冻结范围内路基宜采用掺水泥的级配碎石或优质A、B组填料填筑。

2.3 路基排水防冻胀处理技术

2.3.1 路基面防排水

铺设纤维混凝土防水层。地表水渗入路基，经过冻胀和融沉，将引发路基病害。路基面上轨道板两侧及之间铺设混凝土防水层，将水流从两侧引排出路基范围，可有效防止地表降水的下渗，保证大气降水的顺利排出。路基面排水层使用C25纤维混凝土，可减少由于温差和收缩产生裂缝的不足，满足沥青混凝土在无砟轨道铺设后大型摊铺和碾压设备无法进场施工情况下的质量要求。

改进线间排水方式。为减少路基冻害，经专家建议，取消原设计线间设集水井、线下埋管排水方式，改为采用混凝土底座预埋排水管方式，避免路基本体通过管道排水易引起管道周边路基冻胀的危害，使路基表面的降水通过轨道和路基表面迅速排除。

2.3.2 降低地下水水位

在路堑换填层底部设置复合排水网，起到隔水防渗和迅速排泄的作用，同时阻断地下毛细水的上升。路堑内采用路堤式路堑结构形式，降低地下水对路基基床的影响。在地下水埋深较浅地段且路基高度小于季节冻深地段，路基两侧设降排水设施，使地下水水位降至季节冻深以下，彻底切断地下水的补给通道。

2.3.3 加强排水

设置完善的地表与地下排水措施，保证排水管网畅通，使路基范围内的地表水和地下水顺畅引离路基，防止地表水或地下水浸入路基，保持路基土干燥，减少冻结过程中水分聚流的来源。对路堤坡脚易形成大面积汇水的地段，应结合地形情况，按浸水路堤设计，增设防冻胀护道并进行防护。平原及地势低洼地段，路基积水严重无排水条件时，低路堤易受浸泡，应考虑通过调整线路坡度，抬高路基高度，并设置防冻胀护道，同时视地形情况，采取防水措施。为防止严寒地区防护、防排水工程受冻融开裂破坏，减少后期工程维修，提高客运专线工程质量，护坡骨架圬工等级宜不低于片石混凝土标准，易受地下水浸润的侧沟和排水沟宜采用钢筋混凝土结构并现场浇筑。

3 防治效果观测分析

为了进一步观测路基变形和防冻胀措施效果，2010年在全线布置了7个路基断面进行变形、含水量、地温及应力的观测。路基变形监测结果表明，在7个月监测期内路基累计沉降0.5～0.7 mm，变形趋于稳定;从进入冬季11月以后的监测数据可以看出，路基没有发生明显的冻胀现象。路基含水量监测结果表明，路基本体的含水量随时间变化不大，表明路基的防排水措施发挥了良好作用。