季节性冻土区铁路路基冻害研究现状

朱志有，王磊，刘振奇，李雄锐

（中国建筑土木建设有限公司 西南分公司，重庆 404100）

0 引言

我国多年冻土面积约2.060×106km2，占陆地面积的21.5%；季节性冻土面积约5.137×106km2，占陆地面积的53.5%［1-2］。在冻结状态下，冻土强度较大、压缩模量高，具有弹性体的工程性质特征；当温度升高时，其冻结状态逐渐消失，土体强度急剧下降，并产生冻土蠕变和流变现象［3］。在“交通强国”“东北老工业基地振兴”“西部大开发”等新时代战略驱动下，我国冻土区铁路网进一步完善。但是，冻土地区特有的地理位置、气候特征及地质条件等因素，导致了基础设施建设过程中的诸多问题，铁路路基冻害就是其中一项较严重的问题。

由于季节性冻土区冬季温度低、夏季温度高，土体常年处于冻融循环过程中，导致该类土体在不同季节其结构受力存在极大差异。同时，土体冻融循环还可能造成土体出现塌陷及鼓包现象，导致季节性冻土区常出现路基冻害。造成路基冻害的因素较多，近年来，越来越多的专家、学者围绕季节性冻土区铁路路基冻害原因及防治措施开展了深入、系统的研究，以确保铁路路基工程的性能稳定与耐久。

1 铁路路基冻害成因

在对铁路路基冻害防治及预防措施进行研究前，应对铁路路基冻害影响因素及产生原因进行分析。土体冻胀伴随热传递、水分迁移和受力变化，是一个复杂的相变过程。当土体温度随大气温度降至冻结温度以下，土体中自由水、结合水先后冻结成冰晶体，在分子引力和渗透吸力作用下，未冻结区域弱结合水向水膜较薄的冻结区移动并逐渐冻结，形成更大的冰晶体和冰层，即产生土体冻胀。不同类型路基冻胀过程均遵循该原理，但不同类型路基冻胀形成机理具有不同的特点。现阶段，对于路基冻害的研究主要分为3个部分：（1）一般土体路基冻害；（2）涵顶及桥涵过渡段路基冻害；（3）石质路基冻害及岩石冻胀。

1.1 土体路基冻害

马红绛［4］结合兰新铁路的地理位置、气候特征等实际情况，从土质、水、温度等方面对兰新铁路路基冻胀的影响规律进行了分析。夏琼等［5］以兰新铁路某段海拔2 100 m路基冻害为依托，通过室内试验及现场试验监测对路基冻胀特征、土质等展开试验研究，结果表明80%冻胀量发生在路基面以下60 cm范围内。张先军［6］以哈大铁路路基冻害调查结果为依托，从温度、填土细颗粒含量及水分等方面对路基冻害进行研究，结果表明路基体自身水分是引起路基冻害的最主要因素。葛建锐等［7］采用正交试验的方法，针对东北黑龙江北安二龙山农场灌渠土进行冻胀分析，结果表明平均冻胀温度及土体初始含水率是引起冻胀的最主要因素。

田亚护等［8］分别对包兰铁路、京包铁路进行铁路路基土级配试验及现场变形监测，结果表明造成路基冻害最主要原因是路基填土级配不良；3年后，田亚护等［9］采用有限元数值方法对路基设有隔热层的哈齐客运专线和新建客运专线温度场进行对比分析，并对路基粗颗粒土进行室内冻胀试验，结果表明粗颗粒土的持水性及冻胀率与细颗粒含量成正相关。Liu等［10］考虑封闭系统冻结阶段压实能量影响，在不同压实能量条件下，进行不同细颗粒含量和水分含量的冻胀试验，研究压实能量与冻胀比关系，结果表明冻胀比随细粒含量增加先增大后减小。赵洪勇等［11］分别设置不同的细颗粒含量、含水率和温度对某客运专线路基填料进行冻胀试验，结果表明填料冻胀率随含水率、细颗粒含量的增加而增大。王青志等［12］在研究级配碎石冻胀率时，分别在不同含水率、温度、细颗粒含量等条件下进行室内冻胀正交试验，同时采用灰色关联度法对冻胀正交试验结果进行验证，结果表明2种方法所得结论一致，认为土体含水率是引起冻胀的最主要因素。令狐勇生等［13］以寒区某高速铁路为依托，在该路段取部分路基填料，针对填料的温度、含水率及细颗粒含量对路基冻害进行分析，结果表明该段路基中含水率较高且未进行疏排，细颗粒含量较高、地区温度低、持续时间长等因素共同作用导致了路基冻害。

张远芳等［14］取天山达坂乔尔玛至那拉提沿线冻土作为样本，根据灰色系统理论，在分析冻土冻胀系数的基础上建立灰色关联模型，分析得出含水率、有机质、含盐率等是影响冻胀系数的最主要因素，为了验证结果准确性，采用正交试验方法进行相关试验，所得结果与灰色关联度法一致。倪铁山［15］以京哈铁路吉林段路基冻害为背景，通过野外冻害调查及冻胀试验，针对水、温度、含盐量等因素对冻胀影响规律进行分析，将土体含水率、含盐量作为重点，研究其对路基冻害的影响。巩丽丽等［16］以青海湖冻土区典型分布的粉质黏土为试验材料，通过正交试验法、灰色关联度法对各因素对冻胀影响的主次关系进行综合分析，结果表明影响冻胀因素由主到次依次为：温度、含盐量、含水率等。

1.2 涵顶及桥涵过渡段路基冻害

在铁路路基工程中，涵顶及桥涵过渡段路基极易出现路基冻害，两者产生冻害原理类似［17］，因此，仅对涵顶过渡段路基冻害进行分析。涵顶上部土体位于道砟层和涵洞混凝土盖板之间，道砟层和混凝土盖板较薄、导热系数较大，冷量较易传递至涵顶土体使其产生双向冻结，且冻结速度和深度均大幅增加。尤其当涵顶填土较薄时，整个涵顶填土均发生冻结，但涵顶前后两端临空面填土层受到3个方向的冻结，冻胀量远大于中间路基冻胀量，导致涵顶路基在横向产生不均匀变形，影响铁路运营安全。涵顶及涵侧路基冻结原理见图1。

图1 涵顶及涵侧路基冻害原理

梁恒祥［17］以乌奎城际铁路路基冻害为背景，分别采用室内试验、数值模型理论分析、现场试验等方法，结合当地的地质、气候、水文特点对路基冻害的分布及影响因素进行研究分析，结果表明路基冻害绝大部分出现在涵顶路基段、桥涵与路基相邻过渡段，将冻胀敏感性土作为路基填料、土体含水率较高、地区气候严寒等因素是引起路基冻害的主要影响因素。汤晓光［18］以秦沈客专、丹大铁路等有砟轨道路基冻害为背景，通过现场调查及冻胀监测试验等方式，对路基冻害与路基所采用结构形式的相关性进行分析，结果表明虽然铁路在设计时便有针对性地对路基冻害进行防冻设计，但在运营过程中仍不可避免地出现冻害，最严重路基冻害出现在涵顶及桥涵路基过渡段。曹密等［19］以丹大铁路典型地段路基冻害为背景，采用现场取样调查及数值模型理论分析方法，针对涵顶及桥涵路基过渡段路基冻害的主要原因进行研究分析，结果表明路基基床底层填料细颗粒含量较高是引起路基冻害的最主要原因，同时涵顶路基存在双向冻结现象。

1.3 石质路基冻害及岩石冻胀

几十年来，众多学者通过数值模型理论分析、现场调查试验、室内试验等多种研究方法对铁路工程填土路基冻害展开研究，取得了丰硕成果，但石质路基冻害及岩石冻胀研究相对滞后，很多研究仍停留在试验探索阶段。

杨更社［20］分析了国内外冻融循环作用下岩石力学问题的研究现状，对岩石冻胀现有研究的不足及展望进行了总结。工程岩体冻融损伤的最主要原因是岩土中水分冻融作用，刘泉声等［21］认为应以水冰相变为切入点展开冻岩损伤机制研究，同时立足细观尺度，充分考虑冻融循环作用与裂隙扩展的相互影响，进而拓展至冻融作用对岩体裂隙网络发展的影响。马荣田等［22］以季节性冻土区哈大铁路路基冻害为背景，通过现场挖探试验和室内试验对石质路基冻害成因进行分析，结果表明基岩冻胀是石质路基冻害产生的主要原因；对基岩冻胀主要影响因素进行研究，结果表明地下水、温度及岩体自身渗透性等是引起基岩冻胀的最直接原因。

2 铁路路基冻害防治措施

我国冻土区铁路包括一些在建的复杂艰险山区铁路，以及青藏铁路、丹大铁路等既有铁路。随着我国铁路网逐渐完善，为保证列车运营安全，对铁路路基冻害防治措施展开研究十分必要。近年来，已有较多针对路基冻害防治的相关研究，在铁路路基冻害防治中积累了经验、取得了一定的工程实践效果。

2.1 在建铁路

通过铁路路基冻害防治方法研究及其工程实践成果经验，现阶段通常采用控制路基填料、路基隔排水、路基换填及优化路基结构形式等措施，对在建铁路路基冻害进行预防。

2.1.1 控制路基填料

叶阳升等［23］在分析路基冻害影响因素基础上，提出铁路路基填料冻胀性分类方案，建议在冻土区设置细粒含量<15%的砾类、碎石类等不冻胀土路基防冻层。熊治文等［24］为改良级配碎石渗透性和冻胀特性，分别将水泥、石灰、粉煤灰等无机材料加入粗颗粒填料进行试验，结果表明掺入水泥能够最大程度减小级配碎石的渗透系数和冻胀率。牛富俊等［25］为分析粗细颗粒混合填料的微冻胀，对兰新浩门区段4个不同填料深度的路基断面进行含水量、温度、变形量现场监测，结果表明细颗粒含量对路基冻胀率有较大影响，将细颗粒含量控制在15%以内为宜。

2.1.2 路基隔排水

现阶段铁路路基排水法主要为地表排水及地下水引导；隔水法主要采用在路基土体内设置隔水层，直接减弱甚至阻止隔水层上下水分交换。以上2种方法都是以减小路基土体含水量的方式防治路基冻害。刘彬等［26］对无砟轨道路基工程防排水体系构成及参数展开研究，根据我国工程实况初步提出无砟轨道路基防排水架构及技术特征，并指出路基填料水稳性检测标准、地下排水结构维修及路基防排水工程系统优化等关键问题需进行深入研究。

多年工程实践表明，合理选择路基隔排水方法，不仅能起到良好的冻害防治效果，还能节约工程成本。但若不结合工程实际地质条件、水文条件等因素进行考虑，可能造成冻害防治效果大打折扣，甚至对工程造成危害［27］。

2.1.3 路基土换填

路基土换填法具有施工简便、适用范围广等优点。路基冻害防治效果取决于换填深度，换填深度随着地区、路基冻胀变形的有效控制范围等因素有所不同。苏群［28］在研究中指出，换填深度超过冻土深度1/3时成本较高。根据现有研究成果，换填粗颗粒能减小路基冻胀量，但对土体中水分迁移的防治效果不明显［29］，粗颗粒填土含水率在冻融循环作用下逐渐提高，可能发生翻浆现象［30-31］。因此，采用换填法的路基冻害防治措施在适用范围及有效性等方面还需进行深入研究。

2.1.4 优化路基结构形式

马荣田等［22］以哈大铁路路基冻害为背景，首次提出优化路基结构形式防治路基冻害的方法。在此之前，已有学者利用类似原理对路基冻害进行防治，认为合理选取路堤高度能有效控制路基冻害［32-33］。在进行岛状冻土地基处理时，王兴等［34］提出生石灰桩这一新型结构概念，并进行相应室内试验，结果表明该新型桩基础能对多年冻土进行有效融化。程佳等［35］将石灰桩应用于工程实际，现场试验表明，石灰桩能有效融化桩周围冻土，石灰桩及地基土主要发生竖向变形，且石灰桩的应用能消除冻土融化引起的路基沉降变形。Tai等［36］基于水的流动和传热理论建立了非饱和土冻土层的水-热耦合微分方程，实现冻土温度场和水分场的耦合，并结合冰含量的模拟计算将水热耦合模型与水动力冻胀模型进行对比，建议高速铁路施工中采用“碎石+保温+沥青”的路基，以减少路基冻胀破坏。

2.2 既有铁路

在不影响既有铁路正常运营的条件下，路基填料性能、路基面施作保温措施及路基结构形式等均难以改变。因此，现阶段主要采用路基疏排水、填料注浆改性和地温控制等措施对既有铁路路基冻害进行整治。

2.2.1 路基疏排水

高以健等［37］采用新型土工合成材料的软式透水管对兰新铁路路基冻害进行治理，现场试验及监测结果表明，该材料能有效排除路基体水分，对路基冻害的抑制效果显著。杨有海等［38］以部分在冬季低温作用下发生冻害的路基为研究背景，建议采取设置隔水墙、排水沟、蒸发池等措施对路基水分进行控制。郭锐［39］对土工膜封闭路基表面、疏干孔、施作渗水墙进行路基冻害整治的可行性展开研究，结果表明采用渗水墙结合疏干孔群的工程措施对路基冻害的整治效果显著。李星等［40］以疏干排水孔治理大准铁路路基冻害为依托，利用有限元软件对疏干排水孔在既有铁路冻害治理中的布设方式展开研究，分别对排水孔间距、孔径、布置角度、排水孔长度等关键因素展开计算分析。马红绛［4］结合兰新铁路的实际运营状况，提出从隔排水、清筛道床2个方面对路基冻害进行整治，该方法在减缓铁路路基冻害方面效果显著。

2.2.2 填料注浆改性

路基填料本身具有高持水性，在进行疏排水措施后其自身仍可能会产生较大冻胀，因此，有学者提出采用路基填料改性措施对路基冻害进行整治。倪铁山等［41］将注盐法应用于长白铁路，路基冻害整治效果良好。王彦虎等［42］在注浆、注盐法等路基冻害整治技术基础上，提出钻孔埋管注盐法，现场试验监测表明，采用钻孔埋管注盐法路基整治技术能明显降低路基冻胀量，而采用高渗透化学注浆技术能降低填料的自然持水率，从而降低填料的冻胀特性［39］。

2.2.3 地温控制

对于部分既有铁路，通过安装疏排水等措施控制含水率进而控制路基冻害的方式并不可行。现有大多数基于热性能的冻害控制措施以及填料注浆改性技术，也对铁路系统的正常运行产生影响［43］。在前述措施不能有效控制铁路路基冻害时，有必要从地温控制角度对路基冻害进行控制。地温控制措施分为被动地温控制措施和主动地温控制措施，但是针对两者的划分，国内外并不一致。魏智等［44］以冻结过程的人为可控制性和是否提供能量消耗对两者进行划分，认为合理利用自然力量，以积极的思想、被动方法控制冻胀更有效。Zhang等［43］建立了能反映路基实际性能且含加热孔路基的三维模型，并对其进行数值模拟，最终提出一种基于主动地温控制的冻害改善方案。当温度低于0℃时，电源接通并通过加热孔使路基温度保持在0℃以上以消除路基冻害。相比被动地温控制措施的无需人为控制、能耗低、维护费用低等特点，主动地温控制措施可人为控制，甚至引入智能化设备自主控制，能更高效地控制铁路路基冻害，但运营过程中需要对其进行定期检查维护，维修费用较高。

3 结束语

（1）现有研究成果表明，在铁路路基冻融循环过程中，水分迁移机理还没有统一定论，水分迁移和融沉翻浆仍需深入研究。

（2）现有研究很少针对气温骤变或反复升降温时路面温度场的变化情况进行分析［45］。在全球气候变暖、极端气候事件频发的背景下，维持铁路工程路基长期稳定性的措施仍有待研究。

（3）现有文献大多针对东北、新疆、青海等地的路基冻害成因进行分析，并不具备普适性。随着西部大开发等新时代战略的驱动引领，有必要针对西部复杂艰险山区所独有的地质条件、气候特征、水文特点等展开路基防冻害研究。

（4）铁路路基冻害防治已逐渐向综合防治方向发展，但在实际工程中运用较少，路基冻害综合防治措施的实用性及有效性仍需进一步研究及认识。

（5）涵顶及桥涵路基过渡段冻害发生频繁，现阶段还没有针对涵顶及桥涵路基过渡段冻害防治措施，针对该部位的冻害防治措施亟需展开深入研究。