季节性冻土地区铁路路基冻害及其防治措施

张立立

摘要：季节性冻土是指冬季冻结、春季开始融化的土，该类土在我国东北、华北及西北等地区分布很广，以往这些地区的普速铁路路基或多或少存在冻胀、融沉问题。冻融逐年反复会使路基面出现翻浆冒泥、道砟囊等病害。由于这些冻涨或融沉具有不均匀性，往往导致钢轨顶面沿纵向出现忽高忽低的不均匀变形，使左右两根钢轨产生差异变形，严重影响行车安全。本文主要是对季节性冻土地区铁路路基的冻害情况进行了介绍，并提出了相应的防治策略。

关键词：季节性；冻土地区；铁路路基

引言

一直以来，冻裂、裂缝等质量危害都是冻土地区公路路基的一种质量通病，不仅大大降低了公路建设服务质量，还给后期修筑施工造成了很多的不便，致使公路无法正常运行。因此，考虑到冻土路基的特性，进一步提高公路结构的稳定性，加强对公路路基的保温养护是非常重要的，同时相关建设单位还应该加大对节能环保型保温材料的应用，以免破坏到周围生态环境，促使道路建设的社会效益与生态效益得以充分体现。

一、季节性冻土地区铁路路基冻害部位分类

（一）、表层冻害

表层冻害特点是：一般隆起高度为10mm～40mm；在呼和浩特铁路局管内地区一般从11月上旬开始，最晚到12月中旬停止发展，来年4月中旬～5月上旬回落完。表层冻害危害主要表现在：可引起路肩纵向高低变形、开裂，造成基床表层土体强度降低，从而引起道碴沉陷，导致轨道纵向高低变形；引起坡面隆起变形、开裂，导致土体强度降低。

（二）、深层冻害

路基深层冻害产生的时间较晚，在冻期的后半期产生，呼和浩特铁路局管内地区一般在12月中旬以后，直到冻期末冻害才能停止。深层冻害的产生大多是因地下水的关系，如果没有地下水，即使土质有所差异，下部呈现脱水现象，也无多少冻胀。

二、温度对季节性冻土地区铁路路基的影响

通常情况下，在受到气温变化的影响下，冻土路基一般产生升温速率的主要原因体现在两个方面，一方面是冻土中参与的冰和水的相变潜热数量，另一方面则是地基土层的导热系数。如果冻土地基中含有较高的冰量时，当温度发生变化，将会产生大量的冰水相变。所以，含冰量高的冻土地基温度对于气温改变的感应相对迟缓。这样一来，若是在气温胜率相同的情况下，一旦冻土地基处于剧烈相变的地区，其地基温度变化随之产生更多数量的冰水相变。因此，这种高含冰量的冻土地基的速率不高。相反，当冻土地基处于平稳区段时，低温发生变化，相变热量减少，此时导热系数将会成为主要影响因素，使得含冰量较高的冻土地基速率加快，同时季节性的冻土地基正是因为这一点，才会导致年平均温度急剧上升。

三、季节性冻土地区铁路路基冻害的防治措施

（一）、工程概况

某高速铁路的最高设计时速为350km，线路全长903.94km，路基长度231.245km，其中无砟轨道路基长181.97km。无砟轨道路基中，路堤长111.95km，路堑长70.02km。沿线绝大部分穿越寒冷地区？严寒地区，冻结指数整体较大。年平均气温4.4～10.9℃，极端最高气温39.8℃，极端最低气温-39.9℃，年平均降雨量481.8～682.7mm，土体最大冻结深度93～205cm，每年10月开始冻结，次年4～5月开始融化。沿线地层岩性主要有黏性土？粉土？黄土？砂及卵砾石土？泥夹砂岩？砾岩？安山岩？花岗岩等，沿线地下水主要有地表水？孔隙水？裂隙水和巖溶水。

（二）、施工阶段

对于路基填筑高度小于1.5m的季节性冻土路段，视为零填路段，其路床范围采用级配碎石材料换填，并在路面底部增设防渗土工布以防止地下水影响路面稳定。零填路段的路基边沟采用浅碟形边沟，下设高强土工材料或2～4cm碎砾石作为纵向渗沟的形式进行排水。同时还应视地形情况酌情加深排水沟，以降低地下水位。根据地形情况，纵向渗沟每隔50～100m设置一道横向渗沟，将地下水引出路基之外。

（三）、结果监测

1、冻胀小幅波动阶段

11月13日进入冻胀波动阶段，冻胀波动范围基本在1mm以内，持续3周时间，冻深范围较浅。

2、冻胀快速增长阶段

12月5日随气温快速持续下降，冻胀变形进入快速增长阶段，冻深也逐渐向下发展，至12月11日冻深达72cm。该测点的两布一膜埋深60cm，冻胀发生在基床表层，冻结指数达到-191.4℃·d。

3、冻胀稳定发展阶段

随冻深逐步向下发展穿过两布一膜进入基床底层，表层与基床底层的冻胀变形逐渐分开，基床表层的冻胀变形基本稳定不变，冻胀变形的增幅主要为基床深层产生的冻胀变形，冻胀变形增长速度变缓，进入冻胀变形稳定发展阶段。本阶段持续到3月4日，冻深在2月15日达到最大值190cm。期间随气温降低，在1月30日时冻深达到166.4cm，1月31日至2月1日气温有一次显著地升温过程，气温最高达到8.5℃，此时冻深也减小到144cm。2月25日以后，气温开始出现回升趋势，冻深开始逐渐减小，最大冻结指数达到-1515℃·d。

4、波动融沉阶段

3月4日以后，平均气温回升至0℃以上，深层冻结线迅速上移，基床表层出现融沉现象。随气温回升，融沉变形增大。

三、预防铁路基的冻害措施

（一）、加强路基的排水设施

采用基床表层顶部设置纤维混凝土封水层，两侧支承层边缘至路肩为向外4%的排水坡，双线之间做成向内4%的排水坡；无砟路基地段线间排水采用在底座间设置横向排水通道的方式。

为保证排水通道畅通，设置渗水盲沟，将路基本体中的水引入盲沟中，通过盲沟将水排到检查井中，最后将水通过渗水管井导入地下。

渗水盲沟设置于左侧护道下部，盲沟右侧1m翼缘搭在筏板或桩帽边上，埋深不满足最大冻深+0.25时，在其左侧及上侧铺设一层XPS保温板，厚0.1m。

渗沟沟底纵坡原则上同线路纵坡，困难地段不小于2‰。渗沟底宽1.2m，垂直开挖，渗沟内充填洗净碎石，下设C25混凝土基础，厚0.2m，基础底部设置4%排水坡，其上设315mmPVC带孔双壁波纹渗水管，在渗沟左侧及上侧采用一层不透水土工布包裹，右侧及下侧采用一层透水土工布反滤层包裹。

（二）、冻结深度范围采用抗冻填料

普通细粒土填料的水稳性差、最优含水率大、孔隙率小，土中的水结冰时体积要增大9%，势必引起冻胀问题。因此抗冻填料应选用水稳性好、孔隙率较大的粗颗粒填料，并对以下因素进行严格控制：

1）抗冻安全填料应具有一定的孔隙，孔隙中少量的水结冰时其冻胀不明显，而且解冻后土的状态不变。

2）粗颗粒填料的孔隙大小与不均匀系数U成反比，因此当细颗粒含量较大时，其不均匀系数U不宜偏大。

3）尽量减少填料中的细粒含量和含水率，以留出足够多的孔隙满足水的体积增大时占用。

结束语

季节性冻土在严寒地区铁路建设中控制的重难点，针对不同地质情况和冻胀的主要影响因素开展相应的防治冻胀措施。通过强填料控制、部分地段采用混凝土基床、加强防排水措施、加强路基面排水、路基轨道扣件预调高、路基土体保温、设置防冻分割层，渗水井、加强路基面排水等措施减少路基土冻胀病害的影响因素，从而保证路基土体的稳定性，使轨道的平顺性更好。

参考文献

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