季节冻土区铁路路基冻胀研究进展

张少欣

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

路基冻胀问题在季节性冻土区日趋突出，路基冻胀具有普遍性、不确定性和难以避免的特点，特别是在严寒地区，非常容易出现铁路冻胀问题，这已然成为全世界都面临着的一个主要问题。现阶段尚无成熟的生产和经营管理的经验可以借鉴，这些将严重影响着铁路行车安全和运输效率，高速铁路在严寒气候条件下可能出现的变形破坏，监测数据的有效管理成为路基冻胀变形分析中铁道部的迫切需求[1]。结合季节冻土区高速铁路工程实际，综合季节性冻土的冻胀性、融沉性等特性，构建一套监测系统对铁路进行路基冻胀监测，对季节冻土区高速铁路路基冻胀监测系统及冻胀规律研究具有重大意义，有利于深入了解深季节性冻土地区高速铁路研究、铁路建设及安全运营[2]。

1 概况

冻土是指零摄氏度以下，土壤以及岩石中已经有冰的存在，按照冻土的实际冻结时间作为依据可以将其划分为多年冻土，季节性冻土以及瞬时冻土这三大类。冻土按其冻结时间长短可分为三类：瞬时冻土、季节性冻土、多年冻土。季节性冻土是一种含冰晶的特殊土水体系，只在地表以下几米范围内，在具有一定温度的外界环境中并受温度变化的影响，冻结状态持两年或两年以上的土。我国季节性冻土区面积大约513.7 万km2，占国土面积的53.5%[3]。

2 保温法防铁路路基冻胀研究

在铺设保温层的路段中，由于在该处直接添加了热阻，这样便会直接导致实际热交换量值的大小、强度都出现变弱现象，这样便会让保温层下部的土层幅值出现降低现象，进而导致冻结深度变得越来越小，降低冻胀发生的频率。保温法在抑制路基冻胀方面发挥着非常有效的作用，现如今在抑制冻胀方面已经获得了非常广泛的应用，特别是在这几年之中，在解决防冻胀破坏的问题方面充当着非常重要的角色。20世纪50年代，挪威、芬兰等国就已开始尝试采用树皮、草炭等作为冻土路基的保温层材料。七十年代初，日本、美国等发达国家把聚苯乙烯泡沫板来当作路基保温材料[4]。经过Lauren a的研究最终证实，在综合进行成本效益分析、成本效果分析及防冻胀效果分析，在进行保温时可采用砂砾石或砂加塑料膜，这是解决冻胀问题较有效的方法。实践证明，提高保温隔热功能，可以起到消除或减弱地基土冻胀状态的实际存储时间、存续面积的效果，并且可以有效降低路基冻胀给道路带来的重大伤害，通过同混凝土构件之间的相互结合可以使二者处在共同工作状态下，最终起到挡土防渗的双重作用。对槽排水加强路面结构加设防冻层，铺设隔温层等进行了可行性研究，明确多年冻土区路基的设计原则。胡宇通过对冻土路基的冻胀融沉特性进行了综述分析，并且以EPS保温板作为研究点对其抗冻害特征展开了一系列的恒定分析工作。

3 对填料法展开进一步改良工作

在冻土区对填料法展开改良工作具体是指把冻土帷幕其范围土壤的冻胀敏感性土的地基改良成冻胀不敏感的地基土。在很多研究领域中都得到了令人惊喜的应用。日本严寒地方中北海道路堑和低填浅挖路基，当回填材料为易引起冻胀的土时，换填冻胀性土层，来消除或减轻地基土的冻土。德国在道砟道床和周期的冻融循环作用下的土路基中间采用设置保护层的方式来起到对冻胀进行抑制的效果，该保护层是由可以自由排水的各种碎石构成，这些碎石都具备不黏性，因此可以共同组成一个可以不连通的保护层，该保护层也被称作为防冻保护层，简称FSS。另外也可以选择进行隔热层的铺设工作，需要注意一定要保证隔热层的组成材料在导热系数以及性能方面都非常差。现如今伴随着我国路基冻胀研究工作的发展，各国学者也纷纷意识到冻胀研究工作的重要性，并且已经有很多国内学者开始对换填施工法用到的相关方法以及理论展开大量并且详细的研究。其中陈肖柏学者便在1979年提出可以用砂砾石来将黏性土替换掉，从而起到让铁路路基的冻胀量得到一定程度的减轻这一效果。以张立新学者为代表的众多学者则对冻胀状态下石灰土的物理特性展开了分析，为冻胀特性实验的展开提供大量的数据参考。叶阳升等学者则对路基防冻层的实际设置原则展开了一系列的研究，并且对路基填料的冻胀标准展开了分类工作，为人们更好的研究抑制路基冻胀提供一些思路。谷宪明的研究成果的最终呈现，在对由可能出现冻胀情况的地段，以及在高寒和多年冻土地区的次高级路面，高级路面，可以有效避免不均匀冻胀现象的发生。在对防冻层的厚度（其中包括露面结构层）展开设置工作时，需要确保其厚度不低于标准的规定，如果出现保护层比防冻最小总厚度还小的情况时，需要对水稳定性非常强并且抗冻性能也非常好的材料展开应用，即进行防冻层的设置来完成补足工作。张冬青学者则明确指出，在对换填方案展开使用的过程中需要考虑到众多影响因素，其中最需要人们重点考虑的一项因素便是材料的自身强度，在季节冰土区，对换填材料展开选择工作时不单单需要符合道路上部在负载方面对地基变形以及强度承载方面提出的要求，同时还需要兼顾季节冻土区铁路路基冻胀问题，避免路基损害现象的发生。

4 改良水分条件效果研究

陈肖柏等学者在对隔离主体以及防渗主体展开选择工作时最终采用了土工膜，借助土工膜来对甘肃酒泉地区的地基展开处理，通过对最终计算结果进行分析可以得出结论，该方法在对抑制冻胀效果进行分析方面具备一定的科学性，因此该方法的综合评价结果也是正确的。侯红串等人则在陈肖柏的研究基础上对土工膜展开了进一步研究，在土工膜的力学以及物理学都处在非常低并且温度也比较低的情况下对其展开分析，对增塑剂的添加工作来对最终效果展开探讨，即让土工织物和土工膜按照一定比例相结合来形成一种化学稳定性，耐寒性以及耐热性都更好的复合土工膜。霍凯成等报道提出采用复合土工膜整治道路，整体上隔离外界水源，并引导到一体式排水沟内进行排放，当年冬季路基实际含水量为历年最低，以防治由于路基冻结、融化引起的病害问题。

5 结语

土体冻胀融沉问题研究很早便有，随着高速铁路的发展，尤其是欠发达城市的影响显得尤为重要。德国、法国、日本等已有成熟的预防控制措施，我国在理论与实践的探索中积累了一些经验，特别是哈齐、哈大、京哈高铁沈哈段等高铁线路的平稳运行。冻胀的发生离不开大气负温的影响，土粒中水分冻结、细粒土和水。所以，控制冻胀的重要三个方面是保温、改良填料和改良水分，需要我们加强高速铁路路基冻胀综合监测，同时进行模拟，并开展模型试验，验证数值模拟结果的有效性，获取更全面的季节性冻土的冻胀因素及其分类，促进对科学本质的理解，特殊问题特殊对待，才能更高效地解决问题，指导拟建工程项目进行施工准备和正常进行。