高寒地区铁路路基冻胀特性及防治措施研究

郗建军 何晓文 吴玉哲 杨颜华

摘要：随着我国交通运输行业的快速发展，高寒地区铁路建设正在大规模进行，然而路基冻胀却成了铁路建设及运营的难题之一，为研究高寒地区铁路路基冻胀病害及其防治措施，以某高寒铁路路基典型断面作为研究对象，在已有对路基冻胀研究的基础之上，根据路基现场监测变形，结合具体工程特点，对高寒地区铁路路基冻胀机理进一步探析。结果表明，铁路路基冻胀与水分、温度、颗粒含量、压实度有着密切关联，其冻胀率与水分、颗粒含量呈正相关，与温度、压实度呈负相关，由此提出一种路基排湿、通风的技术方法，这一技术方法可为研究高寒地区高速铁路路基冻害治理提供参考。

关键词：高寒地区;铁路路基;冻胀特性;防治措施

中图分类号：YU433             文献标志码：A

0引言

随着全国经济的快速发展，我国正在高寒地区展开大规模的铁路建设，而高寒地区土体的冻胀现象对铁路建设及运营产生了严重影响[1]，因此研究并解决高寒地区高速铁路路基病害问题具有重要价值。

目前，对高寒地区铁路路基冻胀变形研究方式主要有理论分析与现场监测，相关学者针对不同工程实例进行了一些研究工作。俞文兵、赖远明、张学富等人[2-3]根据青藏高原地区的工程地质、水文条件、气候环境、路基填料等特征，利用室内冻胀试验研究铁路路基在修筑以后的温度场发展变化情况; Hoekstra和Miller[4-5]通过粗略的室内冻结试验，对土体发生冻胀时水分迁移规律进行了探析;类似的，一些学者从理论角度出发，对冻土进行了理论研究。朱志武等[6-10]对冻土路基多场耦合本构关系及理论模型进行了研究。马巍、王大雁等[11]对土冻结过程中的水分迁移、冻土力学特征及流变性进行了深入的理论与试验研究。

为了给高寒地区铁路路基建设及冻胀变形病害治理提供技术理论参考。本论述根据路基现场监测变形，结合已有的冻胀研究基础，分析了在考虑受温度、水分、颗粒含量影响下铁路路基的变形特征，通过封闭系统下冻胀试验确定了路基的变形规律，并提出相关治理措施。

1工程概况及现场监测

1.1工程概况

该线路主要经过了渭北、陇东黄土台塬及梁峁沟壑区、毛乌素沙漠西南边缘和银川黄河冲积平原等区域，地势呈两边低、中间高，受不同地貌、地质、气象气候、水文等诸多因素影响，沿线水文地质条件差别较大，地下水的分布及特征较为复杂，地下水主要为第四系松散层孔隙水及基岩裂隙水。冻胀段路基属于半干旱大陆性气候，春迟夏短，秋早冬长，昼夜温差大，四季分明，年平均气温9.2℃～13.9℃，雨季主要集中在7～9月，局部暴雨多，常引起洪灾，年平均降水量409.5～546.5 mm，年最大降水量848.9 mm，降水量自南向北递减，年平均蒸发量1490.2～1565.8 mm;年平均风速1.6～2.4 m/s，最大风速38 m/s。

1.2现场监测

高寒地区铁路路基，在寒冬季节会产生冻胀现象，此类现象会导致路基发生不均匀变形，由于路基变形的传递作用，会导致轨道结构发生变形，同时会对路基行车平顺性造成影响。利用轨道几何状态检测仪对 K298+700～K299+140段进行监测，具体如图1所示。

经整理可以得到路基冻胀变形监测数据，其中2020年12月数据如图2所示。

由图2可以看出，整体变形沿路基长度呈波浪形式，结合路基的变形形式[12]，可以认为该段路基变形曲线为正（余）弦曲线，此种变形曲线在研究路基冻胀及不平顺性方面得到了广泛应用。此段路基变形最大冻胀量为10.0 mm，最小冻胀量为5.0 mm，平均冻胀量为 6.0～7.0 mm，在0～50 m及200～250 m两段内，冻胀量基本在0～6.0 mm范围内波动，在50～150 m整体大于冻胀量平均值，在150～200 m及250～300 m局部位置出现峰值，为典型的冻胀正（余）弦曲线。

2 室内试验

2.1试验设计

土体的冻胀现象主要受水分、温度、细颗粒土含量、压实度的影响，在土-水-气三相系统中，温度变化会促使水分在空间重新分布，水分在空间的含量变化也会影响土体热性能参数的变化，细颗粒土含量也会影响土体水分的吸附，同样压实度也会影响土体冻胀工程的空隙填充，多因素共同的微观作用形成了土体冻胀的宏观表现。

本次试验采用正交试验，选取水分、温度、细颗粒土含量、压实度四个因素，各因素设定三个水平，具体设定见表1所列。

室内试验所采用仪器主要包括可程式恒温恒湿试验箱、千分表、击实仪、玻璃钢透明试样盒及保温材料等;土样取自典型路基冻胀路段，首先对土样进行基本土工试验，然后进行土样拌制并分层装入试样盒中，使其达到密实状态，再插入温湿传感器并在试件底部及侧面包裹保温材料，最后盖好试件盖静置试件12h，待试件达到均匀状态将其放入冻融循环箱内，设置温度梯度，每隔2h读取并记录温湿传感器数据。各类土质分别制作兩组试件，一组试件制作三个相同试件。土体颗粒级配曲线如图3所示，土体试样如图4所示。

由图3可以读出 d10、d30、d60各值大小，由此可计算出土体的不均匀系数 Cu 和曲率系数 Cc（Cu=2.30，Cc=0.98），依据《铁路路基设计规范》（TB10001—2016）规定：当不均系数大于等于5，曲率系数在1至3之间时为良好级配，不同时满足上述两条件为不良级配。由此判断该土体级配为不良级配。

2.2结果分析

2.2.1直观分析

高寒地区铁路路基冻胀与含水率、温度、细颗粒含量、压实度等因素有着密切关联，根据试验数据，可以整理出在含水率、温度、细颗粒含量、压实度四个因素影响下填料冻胀率的变化趋势图，如图5所示。

由图5可以看出，冻胀率与水分、温度、细颗粒含量、压实度有着密切关联，其冻胀率与水分、颗粒含量呈正相关，与温度、压实度呈负相关。

由图5（a）可以看出，冻胀率随含水率增加而增大，在含水率为8%时冻胀率为1.45%，此时出现冻胀率变化节点，当含水率小于8%时，冻胀率基本呈直线趋势增大，当含水率大于8%时，冻胀率变化曲线呈凸曲线，冻胀率变化率逐渐减小，由此可以得出，含水率小于8%时，含水率对冻胀率的影响较为敏感，含水率大于8%时，含水率对冻胀率的影响逐渐减弱。

由图5（b）可以看出，冻胀率随温度的降低而增大，两者关系呈负相关，且冻胀率变化曲线大致为直线，在温度为-15℃前后，冻胀率变化率基本保持不变。

由图5（c）可以看出，冻胀率随细颗粒土含量的增加而增大，两者关系呈正相关，且冻胀率变化率呈逐渐减小趋势，在细粒土含量小于9%时，冻胀率变化率为8.3%，在细颗粒土含量大于9%时，冻胀率变化率为6.7%。

由图5（d）可以看出，冻胀率随压实度的增大而减小，两者关系呈负相关，在压实度为85%时冻胀率为3.96%，此时出现冻胀率变化节点，当压实度小于85%时，冻胀率基本呈直线趋势减小，当压实度大于85%时，冻胀率变化曲线呈凹曲线，冻胀率变化率逐渐减小。由此可以得出，压实度小于85%时，压实度对冻胀率的影响较为敏感，压实度大于85%时，压实度对冻胀率的影响逐渐减弱。

2.2.2方差分析

单因素下，土体的冻胀规律已经基本清晰，但在多因素交叉影响下，土体的冻胀规律及影响土体冻胀的敏感因素的主次关系仍然需要继续探析，以下是通过多水平多因素正交试验得出的相关结论，见表2～表4所列，其结果可对防治高寒地区铁路路基冻胀病害提供经验及参考依据。

由以上各表可以得出，影响因素含水率、温度、细颗粒含量、压实度对土体的冻胀率影响敏感程度略有差异，结合误差表F值及置信度，水分、温度、细颗粒含量对土体的冻胀率影响非常显著，而压实度对土体的冻胀率影响比较微弱，因此合理控制水分、温度、细颗粒含量对预防路基冻胀病害至关重要。

综合考虑两者不同的分析方法可以得出，冻胀率随含水率、细颗粒含量的增大而呈增大趋势，随着温度、压实度的增大而呈减小趋势，而且含水率、细颗粒含量、温度对土体的冻胀率影响更为显著，压实度对土体的冻胀率影响较小，其中各因素对冻胀率的影响主次关系依次为：含水率、细颗粒含量、温度、压实度。

3冻胀治理措施

高寒地区铁路路基冻胀产生的原因主要是路基水在冬季受低温影响，水分向低温土层方向转移，在温差聚水作用下，水分迅速聚集并逐渐形成聚冰层，而且由于地下毛细作用，使路基表层水分不断增加，结冰后土体膨胀增大，形成冻胀。现阶段处理路基冻胀病害的方法主要有：

（1）换填法，此方法主要将原有路基中的冻胀土从路基中挖出，然后回填稳定性好、透水性好、轻型、强度高的材料，用来消除路基的冻胀;

（2）保温隔热法，此方法在路基中铺设保温材料，隔断路基内部温度与环境温度的热传递，使路基内部的温度受外部环境气温的影响较小而保持不变，同时，铺设的保温材料对阻止路基上部水的渗入和加强路基的整体性有一定效果;

（3）防水排水法，此法主要是隔断外界水分进入路基或排出路基水分的方法。

但由于具体原因，以上方法对路基冻胀控制效果欠佳。因此，在此处提出一种可以有效用于铁路沿线清雪的电动平板台车及应用方法，其大致方法如下：

此种方法主要是通过多维变向可伸缩连接器调节吸雪端头对轨道沿线（包括路基边坡部位）的积雪进行动态监控并实施清理，集雪箱可以在集雪量超过箱体23时对集雪进行压缩并分块，然后送至加热箱进行融化并加热至水蒸气，由排气孔排放至外界环境，台车行进由行走系统及轨道共同承担，根据地段自动伸缩测量积雪厚度，并与传感器连接将数据传至控制芯片，由此可进行端头调节、控制行车速度，吸雪端头可以根据路基宽度、边坡坡率进行长度及宽度的调整且保持原有长宽比不变，多维变向可伸缩连接器的角度调节为转动角度，可分为竖直角度与平面角度，竖直角度与设计平面超高值及路基宽度有关，平面角度可依据路基设计文件中圆曲线半径及曲线长度进行控制，多维变向可伸缩连接器的长度调节主要由套筒、伸缩卡槽、回旋伸缩杆及平面摆动装置构成。整个过程连续可控，以轨道車在轨道行走为基础，根据积雪厚度可调整其行进速度，可以保证清雪彻底，有效避免由于积雪融化水分浸入路基内部而带来的冻胀、滑坡等病害。

4结论

经研究分析，可以得出以下结论：

（1）路基冻胀会传递至轨道结构，引起轨道结构的不均匀变形，其变形大致呈正（余）弦曲线，且局部位置出现冻胀峰值;

（2）由室内冻胀试验分析得出，冻胀率与含水率、温度、细颗粒含量、压实度有着密切关联，其冻胀率与水分、细颗粒含量呈正相关，与温度、压实度呈负相关;

（3）该种路基冻胀防治措施结构形式比较简单，实用性强，特别是在清理轨道积雪方面有良好的效果，同时不会产生环境污染，与消耗巨额施工措施预防冻胀相比，该专利显得更加便捷，经济效益显著，具有很好的应用价值。

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