季节性冻土地区铁路路基冻害及其防治措施

陈彦

摘 要：介绍铁路路基冻害发生的基本状况，分析了冻害的破坏特征和成因，并据此讨论了相关的冻害整治措施：换填基床土，抬道，无机结合料稳定土及人工盐化路基土。

关键词：季节性冻土;路基冻害不均匀;冻胀防治措施

在分析铁路沿线地质、水文、气象的基础上，重点调查铁路沿线路基冻害的现状特征，研究路基冻害形成的原因、机理，针对不同类型的路基冻害，提出防治路基冻害的具体措施。

1 路基冻害的形成机理

1.1 产生条件

（1）路基基床面不平整易积水;（2）路基土质的表层为非均质;（3）地表水或地下水对土体的不均匀浸湿;（4）气温的影响和土体的导热不均匀;（5）路基中的不连续点的影响;（6）土的种类及其含水量等。

1.2 形成原因

路基基床表面不平整造成基床表面积水，因水分浸入基床表层，土层含水量增大超过了起始冻胀含水量时，表层里的水结冰，体积膨胀的同时水分又向冻结峰面补给，水分比凍前增加较大，即形成冻害。由于路基基床面不平整而产生的冻害一般不超过60mm，多在25mm左右，冻害形成的深度因道碴陷槽或道碴囊的深度不同而不等。路基土来源不同，且在填筑时土层薄厚和夯实也不同;路基土体虽然是自然形成的。但土的覆盖堆积厚度及层次也不完全相同。冻土中的未冻水沿着温度降低的方向迁移，在温度高的土体范围内，因为未冻水含量减少而破坏了该土体范围内冰水之间的热力平衡，导致了未冻水向冰方向的水分迁移，使未冻土的含水量低于初始含水量，而冻土的含水量高于初始含水量。这说明土体中的水分正在重新分布，水分从未冻土中向冻土中迁移。根据中国科学院兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室的土体试验证实，水分迁移量与土的天然含水量有关，含水量越大，迁移量越大。

1.3 冻胀过程

冻胀主要与三个过程有关：（1）冰透镜体与土颗粒外围水膜间的动力过程，即土中水的相变及抽吸过程;（2）从地下水位到水膜间水的输运过程;（3）水相变时的潜热传递过程，因此可以说冻胀的实质就是冻土中水分迁移引起的宏观表现。

1.4 冻害的特征

管内地区年平均气温约6℃左右，季节冻结深度为126～278cm。春季来临，季节性冻土的热平衡状态将发生变化，路基土将发生从上部向下部的融化。这样路基面层下的土层处于饱和状态，溶解的水被土层阻挡，这部分水停留在未解冻的土层上。而溶解的土层，土的密度减小，土基的承载力明显降低，当列车通过时，路轨下表面的拉应力增大，土基表面的垂直变形增加，当超过其极限值时，其融化土层在土体重力和外部荷载作用力下产生局部沉陷。春融期冻害段的基床土有的发生下沉，导致道床下沉，轨道状态不良，几何尺寸变化频繁，需要不断进行紧急整修。

2 路基冻害的分类

2.1 冻胀

冻胀是指由于土的冻结作用而造成的体积膨胀现象，这是季节性冻土区常常遇见的铁路病害。冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀两类，原位冻胀是指冻结锋面前进过程和已冻土继续降温过程中，正冻土中的孔隙水或已冻土中的未冻水原位冻结，造成体积增大9%;而当土体冻结以后，由于土颗粒表面能的作用，土中始终存在未冻结的薄膜水。在温度梯度的诱导下，薄膜水会从温度高处向温度低处迁移，正是由于水的抽吸作用使水分集聚在前进的冻结锋面后方并冻结，分凝成冰透镜体，这一过程称为分凝冻胀，分凝冻胀过程造成体积增大1.09倍。通过对发生病害处路肩挖探、铲探及钎探，发生冻害处的铁路路基土质以粉土为主，局部为粉质黏土、黏土。天然含水量为12.5%一33.5%，土层冻胀等级及类别为Ⅱ～V级强冻胀。大部分铁路路基冻害是该类型冻胀，出现不均匀胀高，轨道道钉和扣件难以保持轨距，严重影响行车安全。冻胀本身不仅引起基床破坏，还可引起桥梁、涵洞基础的冻害。

2.2 融沉

季节性冻土融化时，冰晶和冰膜融化成水，土层在重力和上覆荷载的作用下，路基及基床会产生不同程度的沉降，即融沉。融沉一般有两个特性：其一，由于自然引力和人为因素及土体各方面的差异，融沉在空间上具有不连续性，厚度上具有不均匀性。有的路段在以较慢的速度连续下沉一段时间，有的路段突发大量地沉陷，并使周围部分土体隆起。这是因为冻路基土融化后处于饱和状态，其承载力几乎为零，在外部荷载作用下，基床瞬间产生大幅度沉陷并有大量积水冒出。其二，融沉多发生在低路堤地段。由于路堤高度、坡向、填料类别、保温设施，以及施工季节和施工后形成的地表特征、水文特征及冻土介质特征等因素的综合影响，土体中各土层的散热和吸热有极大差异。当基底土层的散热超过吸热时，地温上升，冻土融化，人为上限下降，路堤就会产生融沉病害。路堤越低，意味着在从上界流向地中的传热过程中，热阻减小。路堤自身的储热能力变小，不利于热稳定，从而易导致路基发生融沉。

2.3 翻浆冒泥

由于独特的地质、地理环境，导致在某些路段冻结时间长，解冻缓慢，加之大量的积雪融化后雪水下渗，这样就在解冻层和未解冻层之间形成自由水。这部分自由水不能及时排出，造成土基软弱，强度急剧降低，在列车荷载作用下，路基面发生鼓包、唧泥现象，即为翻浆。这种冻害主要发生在河漫滩地貌单元、山前冲洪积平原、坡地的下坡部位、冬前路沟积满水的地段。翻浆冒泥导致道床下沉，轨道状态不良，几何尺寸变化频繁，需要不断进行紧急整修。翻浆冒泥引起钢轨水平差较大，导致钢筋混凝土轨枕产生纵横裂纹。无论冬季的线路冻害或是春融期的翻浆冒泥的威胁，都是需要及时进行整治的重点。

3 冻胀病害的整治措施及其原理

3.1 换填基床土

国内外的工程实践表明，用较纯净的砂砾或中、粗砂换填季节性冻土，是削减地基土冻害的理想方法之一。山前的坡洪积碎石土及全风化碎石土，以及在河流、河谷地区的中粗砂等，都是丰富的抗冻建材。在平面和纵断面受到限制的情况下，如岔区路基冻害及特大桥、大桥两端的路基冻害主要采用换填整治的方法。充分利用成组更换道岔这一有利时机，利用封锁施工的方案对岔区冻害予以整治，适当延长封锁时间，将道床下部分粉土、粉质黏土、黏土进行换填，换填厚度约80—160cm，以增加道床的整体排水性。换填非冻胀土并进行压实处理，铺底碴后，将已组装好的成组道岔推进，整修后开通线路。岔区冻害实行分线分段换填，有交叉渡线的取消渡线，将正线道岔更换为普通线路。并适当增加道床石碴厚度，以便于调节由冻胀引起局部小变形。利用封锁进行换填，其优点是行车的安全有保障且换填彻底，缺点是封锁次数增加，对运输的影响较大。另外，还采用扣轨或D型梁架空线路，限速45km/h，对冻害严重地段进行换填。其优点是换填彻底，缺点是对运输影响大，工程造价高，换填的长度有限。

3.2 抬道整治路基冻害方案

抬道整治路基冻害方案的适用范围主要是在平面和纵断面条件允许情况下的水浸路基的地段和冻害连续的地段。随着大型养路机械的应用，使用大型养路机械进行抬道整治路基病害是确保行车安全，减少废弃工程，降低工程造价，工程得以顺利实施的最佳选择。抬道整治路基病害范围内的桥梁要和线路抬道实施同步抬高;涵渠在抬道前要进行接长施工。用多于2台的捣固车和2台稳定车，每天封锁180min，上下行交替封锁抬道;平均每次封锁抬道7cm，沉落0.2cm，保持6.8cm，整治上、下行累计长度在4000m的一处路基冻害，累计需要封锁时间约40h，抬道高度约可达1.2m。线路每日封锁前到开通后列车速度为45km/h。

3.3 无机结合料稳定土保温法

地基采用石灰稳定土、石灰粉煤灰稳定土等无机结合料稳定土的整治方案。在已有的對东北地区季节性冻土比较封闭和开敞系统中的原状土、扰动土、石灰稳定土冻结试验中，发现石灰稳定土是抑制路基冻害的有效措施。抑制冻害的最佳石灰含量约12%～15%。处于内蒙古地区较多的火力发电厂有充足的粉煤灰、石灰等无机料。另外，采用这些无机结合料稳定土能够使地基土具有良好的力学性能。其抗压、抗弯强度较高，而且强度与模量随龄期不断增长，水稳定好，外力作用下变形小等，能很好的防止铁路冻害，现正处在试验探索阶段。

3.4 人工盐化路基土

溶于水中的盐类能使水溶液的冰点低于淡水，而且浓度越大，冰点越低。主要有挖轨枕槽铺盐，打孔注盐，稀释注入和土盐拌和等几种施工方法。打孔注盐的深度至冻结深度的80%，盐化处理后的土应夯实，减少盐的流失。盐化处理易于施工，成本较低，但只能减小冻胀，不能根除冻害，应与其他办法结合使用，或在低温极值较高的病害轻微段使用，并要根据线路的具体地质条件综合考虑，以防出现新的路基盐渍化病害。

结语

通过历年来对路基冻害的整治，管内比较大且成段连续的冻害已得到了较好的整治。从目前情况来看，整治效果良好，为保证运输安全起到了应有的作用。

参考文献

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