季节冻土区高速铁路路基冻胀特性研究

颜庆宇

（中铁建贵州建设有限公司，贵阳 550000）

1 引言

冻土是一种低于0℃且含有冰的土岩【1】。根据冻土存在时间的长短可分为多年冻土和季节冻土。随着铁路事业的高速发展，越来越多的铁路线穿越季节冻土区，当温度降到负温后，由冻胀变形引起的一系列问题将严重影响铁路行车安全，同时，也是铁路修建、运营和维护保养时面临的一大难题。尤其对于高速铁路，针对铁路轨道稳定性和平稳性要求更高，需严格控制路基冻胀量。

2 冻胀特点

我国铁路线路长、跨度广，涵盖多种气候及地质条件，季节冻土路基冻胀特点也有所差异。季节性冻土区的铁路路基冻胀一般涉及3 个阶段：快速冻胀、稳定冻胀、冻胀回落，时间一般从11 月初到次年3 月中旬。从冻胀量大小来看，一般情况下路堑＞路堤＞过渡段。东北等寒区由于冻期长、昼夜温差大、冻结指数大等原因，冻胀性大于华北、华中等地区且易发生不均匀冻胀，影响整体行车的安全性。

3 冻胀主要影响因素

3.1 土质

土颗粒的大小是影响路基冻胀的主要特征，粗粒土与水的结合能力较弱，实验表明，当粒径小于0.05mm 的土粒质量小于或等于总土粒质量的6%时，此时的土为非冻胀性土，当大于总土重的6%时为冻胀性土【2】。冻胀敏感性土容易产生冻胀，土体中细粒含量占比越大，土的冻胀敏感性越大，土体的冻胀率随着土体中细颗粒占比的增加而增大。粒径为0.002~0.05mm 时具有最大冻胀率，当土体颗粒小于0.002mm 时，冻胀率逐渐减小。土体的种类不同，冻胀性不同，一般情况下粉质土＞黏土＞粗砂＞砂砾土。根据矿物成分，土体冻胀性大小为：高岭土＞伊利水云母土＞蒙脱土。

土的冻胀量与土体密度也有一定关系，密度较小时，土颗粒之间可膨胀的空间越大，颗粒之间产生的位移越小，从而冻胀量越小。随密度的增加，冻胀量逐渐增加，当达到某一值时，冻胀量将达到最大值，接下来随密度的增加，土颗粒之间孔隙越来越小，约束水分迁移，冻胀量逐渐减小。

3.2 含水量

水分迁移对热量传递和冻结锋面的形成有重大影响，季节冻土区，当路基土体的温度下降至0℃以下，土体中的水分逐渐形成冰透镜体，进一步引起土颗粒之间的相对位移，造成土体膨胀。同时，在热力学影响下，土体中的未冻水移动至冻结锋面，进而致使冻结锋面下移，冻深增大，直到达到最大值。土体冻胀根据冻胀机理可分为原位冻胀和分凝冻胀，原位冻胀是孔隙水在冻结锋面上形成分凝冰，体积增大9%，分凝冻胀是水分迁移在冻结锋面后面，体积增大109%。同时，当土体处于封闭系统中时，土体冻胀主要取决于初始含水量。此外，路基土体中的含水量还受地下水位高低的影响，当路基处于封闭系统中时，路基的冻胀受土体中含水率的影响，产生原位冻结；当有地下水补给时，冻结期内冰透镜体不断增大。

3.3 温度

温度是土体冻胀变形的直接因素，当气温刚开始降低时，路基表层会出现反复冻融现象，当气温迅速降低到0℃以下并长期在0℃以下时，冻结深度和冻胀量会迅速增长，当温度降低到-20℃后，随着温度的降低，冻胀量将缓慢增长直到冻胀增长量达到稳定的动态平衡状态【3】。在气温开始逐渐回升到达0℃时达到最大冻结温度，超过0℃后随着温度的升高，路基表层开始逐渐向下融化，冻结线开始向上移动，双向融化，直到路基全部融化。冻结深度随着逐日积温负温的增大而增大。

3.4 荷载

在附加荷载作用下，可以增加土体密实度影响土体水分迁移速率，进而使得外部荷载对土样的冻胀变形产生抑制效果。通过室外试验，研究了外部荷载和地基土的冻胀关系，得出荷载与冻胀量曲线呈指数关系，荷载越大冻胀量越小。田亚护等【4】对包兰线路基土进行冻胀试验，模拟列车荷载作用下的路基冻胀变形情况，在无荷载施加的情况下土体的冻胀率大于有荷载施加情况下的冻胀率，同时，增加外部荷载会使土体的冻胀率减小，附加荷载几乎不影响粉质土的冻胀。

4 防护措施

当路基冻胀变形达到一定程度时会对车辆行驶造成一定的威胁，所以在修建和维护过程中需要采取一些防护措施。

4.1 设置保温层

当温度降到0℃以下时路基才会产生冻胀，在路基中设置保温层可以在一定程度上减弱路基与外界的热交换，控制负温向路基传递，降低冻结深度，减弱冻胀危害。近年来，保温法被广泛应用于路基冻胀防治中，目前常用的保温材料是聚乙烯泡沫材料，根据生产方式不同分为EPS 板和XPS 板。室内模型试验在层厚不同保温板下对路基AB 组填料经过多次冻融循环，试验表明，XPS 保温板隔温效果良好，厚度越大，效果越好。

4.2 改良路基填料

在季节冻土区，路基变形要满足相关规范，高铁路基基床优先使用细粒含量小于5%的A、B 组防冻填料或改良土料。实际工程中有些天然填料不能满足工程要求，所以需要改良路基填料以满足防冻胀要求。许健等【5】以哈大铁路路基A、B组填料为研究对象，室内研究试验表明，路基填料中粉黏粒含量增加，增强土粒之间的毛细作用，冻结时毛细水向冻结锋面迁移增加冻结系数，通过更换A、B 组中填料使其不含粉黏粒，结果证明路基冻胀明显减弱。

4.3 改良水分条件

改良水分条件可以采取防水措施、排水措施和隔水措施。防水措施主要是防止路基表面下水向下渗透，哈大铁路路基表面采取纤维混凝土防水层并对路基和轨道地板接缝处进行封闭处理；地下水补给使路基冻胀严重，设置排水沟、排水侧沟、渗管、排水槽等排水设施，降低地下水水位，控制路床含水量，减少冻区水分富集，从而有效控制路基冻胀。当地下水为浅层地下水时可以设置隔水层防止地下水进入地基。隔水层主要包括透水隔水层与不透水隔水层，透水隔水层的厚度为0.1～0.2m，主要使用粗砂、砾石等；不透水隔水层又包括封闭式与不封闭性，通常使用柏油、沥青、塑料薄膜等材料，厚度为2.5～3.0m。

4.4 人工盐化路基

将盐溶液注入土体后可以减弱土颗粒的表面力和毛细作用，从而抑制土体水分迁移速率，因此降低土体的冻结温度、增大未冻水含量，当温度降低时部分盐从溶液中析出产生结晶。在开放系统下进行单向冻结试验证明，土体变形以冻胀为主，盐胀量几乎不计。

因此，人工盐化路基简单、方便是防治冻胀的措施之一。沈阳铁路局在辽阳、丹东、章党等工务段采取注盐法，有效治理冻害。虽然人工注盐法可以在一定程度上防治路基冻胀危害，但并不能根除，而且土体的抗压强度会随着含盐量的增加而减少，所以应该根据工程要求合理控制用盐量。

4.5 抬道法

在地表水比较丰富的地区，地下水水位高，路基离地下水近时可以通过抬高路基增加与地下水之间的距离，减少地下水对路基的水分补给，控制冻胀量。

5 结语

冻胀是寒区高速铁路修建过程中不可避免的问题。土质、水、温度是影响路基冻胀的主要因素。通过改良路基填料、控制水分条件、设置保温层等方法在一定程度上可以控制和减轻路基冻胀。在接下来的寒区铁路工程建设中，要更加注重土质、水分、温度对冻胀的影响，加强冻胀检测系统研究，总结冻胀规律，为今后寒区高速铁路抗冻胀结构的设计提供借鉴。