嚴寒地區(qū)客運專線路基凍脹影響因素及防治技術(shù)

石剛強，張先軍

(1.哈大鐵路客運專線有限責(zé)任公司，沈陽 110002;2.蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000)

在我國，無論西北還是東北的季節(jié)凍土地區(qū)，由于路基經(jīng)受周期性凍融循環(huán)作用，鐵路路基的凍害都比較普遍。凍害除了直接引起的路基面變形外，還造成土體強度的弱化，導(dǎo)致路基產(chǎn)生不均勻變形，破壞軌道的平順性，線路養(yǎng)護維修工作量十分繁重，并對安全行車帶來了嚴重危害［1］。

哈大鐵路客運專線是我國在嚴寒地區(qū)［2］設(shè)計、建造的第一條客運專線，沿線冬季寒冷漫長，最冷月平均氣溫在 -13.5℃ ～ -17.5℃，極端最低氣溫達-36.5℃，沿線季節(jié)性凍土層厚度由南向北為1.48～2.05 m，每年從10月底開始凍結(jié)，次年5月—6月全部融化。全線鋪設(shè)的無砟軌道對路基工后沉降的要求非常嚴格，允許的工后沉降不大于15 mm，差異沉降不大于5 mm［3］?？瓦\專線路基是土工結(jié)構(gòu)物和承受軌道結(jié)構(gòu)重量、列車荷載的基礎(chǔ)，路基工程穩(wěn)定性是能否實現(xiàn)高速、平穩(wěn)、安全行車的最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，對于無砟軌道來講，凍脹早已超出允許范圍，這就需要通過研究路基凍脹產(chǎn)生的機理和主要影響因素，采取綜合防治技術(shù)，避免凍脹的發(fā)生。

1 路基凍脹機理及主要影響因素［4］

1.1 路基凍脹機理

路基發(fā)生凍脹的機理，主要是由于土層在凍結(jié)時，周圍未凍區(qū)土中的水分向凍結(jié)區(qū)遷移、積聚所致。由于負溫作用，路基開始凍結(jié)時，水分由下層向凍結(jié)鋒面集聚，形成冰晶體、冰夾層。隨著路基下部和路肩土體中水分向路基中部集聚，使路面下部形成較厚的聚冰層，排擠土顆粒引起土體積增大，致使路基土產(chǎn)生凍脹，使路基面拱脹不平或產(chǎn)生裂縫。

1.2 影響路基凍脹的主要因素

一般來說，影響路基凍脹因素主要有適宜的土質(zhì)、足夠的負溫總量和土中水源補給。適宜的土質(zhì)是內(nèi)因，負溫和水分是外因，當三個條件都具備時，路基就不可避免地發(fā)生凍脹。土質(zhì)包括土的顆粒組成、礦物成分和鹽的含量;水分可分為地下水、地表水和大氣降水;溫度可分為土的凍結(jié)溫度、凍結(jié)速率等。對鐵路路基來說，當土中礦物成分、鹽的含量不變時，影響路基凍脹的主要因素是土體顆粒粒徑、土體密度、水分和溫度。

1.2.1 土體顆粒粒徑對路基凍脹的影響

土的粒徑與級配對土體的凍脹性影響十分顯著，當顆粒粒徑由大變小時，其比表面積由小變大，與水的作用和土在凍結(jié)過程中水分遷移的能力也隨著加大。土中細顆粒(黏粒)的含量越大，其比表面能與結(jié)合水含量越高，相應(yīng)的土與水之間的作用就越激烈，當土的滲透系數(shù)和毛細水上升高度適宜時，凍脹就會很大，因此認為顆粒粒徑＜0.075 mm組成的黏性土具有較強的凍脹性。對于粗粒土來說，在凍結(jié)過程中不會發(fā)生凍脹或凍脹量很小，當夾有一定的細粒就會改變其凍脹性質(zhì)，細粒含量＜15%時屬于不凍脹土。

1.2.2 土體密度對路基凍脹的影響

土體密度對凍脹的影響呈指數(shù)曲線變化，密度較小時，凍脹量隨土體的密度增加而增大，并在密度達到某一界限值時凍脹量達到峰值;超過這一限值后，凍脹量又隨著密度增加而減小，甚至不發(fā)生凍脹。前者是由于土體密度的增加，土中的水分并沒有改變，只是縮小了土體的孔隙，有利于土體凍結(jié)時水分的遷移和積聚，所以凍脹量增大，但當土的密度繼續(xù)增加時，土體達到飽和，在兩相體系中，土的密度增加使得土體的含水率與水分遷移量下降，所以后者出現(xiàn)凍脹量隨密度的增加而下降的趨勢。由此，在嚴寒地區(qū)筑路，壓實密度嚴格按設(shè)計要求進行非常重要。

1.2.3 水分對路基凍脹的影響

土中的水分是引起土體凍脹的必要條件，土體中存有水分并非都會凍脹，只有當土體孔隙中全部擠滿冰晶，并使土粒移位后，土體才發(fā)生凍脹。土體開始凍脹時的含水率稱為起始凍脹含水率，如用凍脹率來表示土的凍脹程度，凍脹率等于零時的含水率即為起始凍脹含水率。影響路基凍脹量的另一種水分是地下水的補給，地下水位距凍結(jié)進程線的距離直接關(guān)系到凍脹值的大小，當?shù)叵滤癫剌^淺，水分通過毛細管作用，直接補充凍結(jié)層的水分，增加了土的凍脹量，當路基采取措施隔斷地下水的補給時，會有效地控制土的凍脹。

1.2.4 溫度對路基凍脹的影響

土的凍結(jié)和融化主要是受環(huán)境溫度的影響，土的凍結(jié)過程實際上是土中凍結(jié)溫度下降的過程，也是土體凍脹增加的過程。土的凍脹決定于土的起始凍結(jié)溫度、土的凍脹溫度和土的凍結(jié)速率。冬季氣溫下降到0℃以下時，土中的水分并未凍結(jié)，當土體的凍脹溫度低于凍結(jié)溫度時，隨著溫度的繼續(xù)下降，土中水分不斷凍結(jié)，未凍水減少，含冰量增加，土體的凍脹劇烈增長;當溫度下降到某一值后，土的體積凍脹開始變得緩慢，直至趨于平穩(wěn)，凍脹終止，此時的凍脹量則為土的最終凍脹量。在相同含水率下，當凍結(jié)負溫總量較大、凍結(jié)速率緩慢、溫度梯度較大時，土中水分有較充分的時間遷移，引起的凍脹量也就大。

2 路基凍脹防治技術(shù)

根據(jù)對影響路基凍脹主要因素的分析，路基凍脹主要涉及地基處理、路基填料選擇、防凍層結(jié)構(gòu)設(shè)計、防排水措施及防凍脹處理，需要從路基的設(shè)計、施工、養(yǎng)護等各環(huán)節(jié)采取科學(xué)合理的路基凍脹防治技術(shù)，以確保無砟軌道路基的長期穩(wěn)定和安全運營。

2.1 地基凍脹防治技術(shù)

2.1.1 地基防凍脹處理

相對于一般地區(qū)而言，嚴寒地區(qū)松軟土地基具有季節(jié)性凍土的特性，表現(xiàn)在地基強度受凍融循環(huán)的影響衰減嚴重等方面。因此，在地質(zhì)情況不良地段，需要采取CFG樁、水泥攪拌樁復(fù)合地基、樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)等地基加固措施;在地質(zhì)情況較好地段，采取強夯、沖擊碾壓措施處理地基。考慮到季節(jié)性凍脹影響，在碎石土、砂、卵、礫石土等粗粒土地基及低含水量與低飽和度黏性土(硬塑以上)和粉質(zhì)土地基，當?shù)叵滤晃挥诘孛?.0 m以下時可采用強夯措施;粗顆粒土及黏性土地基，當?shù)叵滤宦裆钗挥诘孛?.5 m以下時，如塑性指數(shù)＜17，可采用沖擊壓實處理。

2.1.2 路塹、低路堤地基換填

采用換填法是指挖除凍害地段的凍脹性土，換以物理力學(xué)性質(zhì)較好的非凍脹性土，以消除地基土的凍脹。低矮路堤填土高度小于季節(jié)最大凍深，或路塹挖方地段基床范圍內(nèi)為凍脹性土或風(fēng)化巖時，結(jié)合地基土層的凍脹性質(zhì)，對凍脹范圍土層進行挖除，換填非凍脹性A、B組填料。同時，為防止地下水滲入路基引起凍脹，于路基基底(路塹為基床表層以下)和換填底部鋪設(shè)一層防滲復(fù)合土工膜。

2.1.3 路基防凍脹護道

為防止凍脹破壞路堤邊坡坡腳，當填土高度大于季節(jié)最大凍深時，且地基土為凍脹性土?xí)r，于路堤坡腳處設(shè)防凍脹護道，高度和寬度不小于凍結(jié)深度，消除凍脹力對路堤邊坡穩(wěn)定性的影響。

2.2 路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)

2.2.1 路基填料選擇和壓實標準

1)基床表層級配碎石。級配碎石粒徑、級配及材料性能在符合《客運專線基床表層級配碎石暫行技術(shù)條件》要求的基礎(chǔ)上，同時應(yīng)限定細顆粒含量，滿足顆粒粒徑d≤0.075 mm含量不大于5%，壓實后顆粒粒徑d≤0.075 mm含量不大于7%(重量比)，避免凍脹發(fā)生。

2)路基填料選擇。防凍層選用0.075 mm細粒含量＜15%，平均凍脹率 η≤1且級配良好的非凍脹性A、B組填料?；驳讓硬捎肁、B組填料，粒徑宜控制在6 cm以內(nèi);基床以下路基優(yōu)先選用A、B組填料。

3)填料在滿足設(shè)計和驗標壓實標準的基礎(chǔ)上，參照其它客專經(jīng)驗，應(yīng)增加 Ev2/Ev1指標的檢測。

2.2.2 設(shè)置隔斷層

在基床表層下部設(shè)置兩布一膜不透水土工布隔斷層，可提供橫向排水通道，有效阻隔地表水滲入基床底層。但在土工布上下各鋪10 cm厚中粗砂，根據(jù)現(xiàn)場填筑試驗結(jié)果，不能達到壓實質(zhì)量結(jié)果。根據(jù)多次試驗研究，在對防凍層頂面找平、復(fù)壓收光表面后，直接鋪兩布一膜不透水土工布，其上鋪一層5 cm厚中粗砂，再填級配碎石，滿足表層級配碎石壓實要求，同時為提高基床表層剛度，級配碎石厚度相應(yīng)增厚15 cm。

2.2.3 設(shè)置防凍層

在最大季節(jié)凍深范圍內(nèi)采用非凍脹性填料填筑，屬于完全防凍?；脖韺?.30 m厚鋼筋混凝土支撐層是抗凍安全的，其下0.55 m厚級配碎石材料也是屬于完全抗凍的。在基床底層頂部1 m范圍內(nèi)設(shè)置路基防凍層，用非凍脹性 A、B組填料填筑，可以防治路基凍脹的產(chǎn)生。

2.2.4 鋪設(shè)保溫隔熱層

將保溫隔熱材料鋪設(shè)在路基表層或路基內(nèi)，以減小路基凍結(jié)深度或使路基不凍結(jié)，從而防止凍脹。但目前用于國內(nèi)工程的保溫材料，其隔熱特性、耐久性、吸水性可以滿足無砟軌道的要求，但剛度和抗壓強度尚不能滿足無砟軌道的要求，在無砟軌道地段的應(yīng)用需進一步進行研究。

2.2.5 過渡段處理技術(shù)

無砟軌道路堤與橋臺、路堤與橫向結(jié)構(gòu)物連接處由于路基剛度差異較大，因此必須設(shè)置一定長度的過渡段，使軌道的剛度逐漸變化，并最大限度地減少差異沉降。過渡段填料采用摻加3%～5%水泥的穩(wěn)定級配碎石，在保證剛度的基礎(chǔ)上，可有效防止凍害的產(chǎn)生。此外，根據(jù)對嚴寒地區(qū)既有鐵路路基凍害的調(diào)查，由于雙向通風(fēng)效應(yīng)的影響，涵洞頂部路基凍害比較突出，因此要加強涵洞頂部的防凍脹處理措施，涵洞頂部凍結(jié)范圍內(nèi)路基宜采用摻水泥的級配碎石或優(yōu)質(zhì)A、B組填料填筑。

2.3 路基排水防凍脹處理技術(shù)

2.3.1 路基面防排水

鋪設(shè)纖維混凝土防水層。地表水滲入路基，經(jīng)過凍脹和融沉，將引發(fā)路基病害。路基面上軌道板兩側(cè)及之間鋪設(shè)混凝土防水層，將水流從兩側(cè)引排出路基范圍，可有效防止地表降水的下滲，保證大氣降水的順利排出。路基面排水層使用C25纖維混凝土，可減少由于溫差和收縮產(chǎn)生裂縫的不足，滿足瀝青混凝土在無砟軌道鋪設(shè)后大型攤鋪和碾壓設(shè)備無法進場施工情況下的質(zhì)量要求。

改進線間排水方式。為減少路基凍害，經(jīng)專家建議，取消原設(shè)計線間設(shè)集水井、線下埋管排水方式，改為采用混凝土底座預(yù)埋排水管方式，避免路基本體通過管道排水易引起管道周邊路基凍脹的危害，使路基表面的降水通過軌道和路基表面迅速排除。

2.3.2 降低地下水水位

在路塹換填層底部設(shè)置復(fù)合排水網(wǎng)，起到隔水防滲和迅速排泄的作用，同時阻斷地下毛細水的上升。路塹內(nèi)采用路堤式路塹結(jié)構(gòu)形式，降低地下水對路基基床的影響。在地下水埋深較淺地段且路基高度小于季節(jié)凍深地段，路基兩側(cè)設(shè)降排水設(shè)施，使地下水水位降至季節(jié)凍深以下，徹底切斷地下水的補給通道。

2.3.3 加強排水

設(shè)置完善的地表與地下排水措施，保證排水管網(wǎng)暢通，使路基范圍內(nèi)的地表水和地下水順暢引離路基，防止地表水或地下水浸入路基，保持路基土干燥，減少凍結(jié)過程中水分聚流的來源。對路堤坡腳易形成大面積匯水的地段，應(yīng)結(jié)合地形情況，按浸水路堤設(shè)計，增設(shè)防凍脹護道并進行防護。平原及地勢低洼地段，路基積水嚴重?zé)o排水條件時，低路堤易受浸泡，應(yīng)考慮通過調(diào)整線路坡度，抬高路基高度，并設(shè)置防凍脹護道，同時視地形情況，采取防水措施。為防止嚴寒地區(qū)防護、防排水工程受凍融開裂破壞，減少后期工程維修，提高客運專線工程質(zhì)量，護坡骨架圬工等級宜不低于片石混凝土標準，易受地下水浸潤的側(cè)溝和排水溝宜采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)并現(xiàn)場澆筑。

3 防治效果觀測分析

為了進一步觀測路基變形和防凍脹措施效果，2010年在全線布置了7個路基斷面進行變形、含水量、地溫及應(yīng)力的觀測。路基變形監(jiān)測結(jié)果表明，在7個月監(jiān)測期內(nèi)路基累計沉降0.5～0.7 mm，變形趨于穩(wěn)定;從進入冬季11月以后的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，路基沒有發(fā)生明顯的凍脹現(xiàn)象。路基含水量監(jiān)測結(jié)果表明，路基本體的含水量隨時間變化不大，表明路基的防排水措施發(fā)揮了良好作用。

4 結(jié)論及建議

1)嚴寒地區(qū)客運專線無砟軌道必須采取有針對性的措施防止路基凍脹變形的產(chǎn)生。

2)重視路基結(jié)構(gòu)設(shè)計，嚴格控制路基填料細顆粒含量和壓實質(zhì)量，加強路基防、排水工程設(shè)計和施工質(zhì)量監(jiān)控，是防止嚴寒地區(qū)客運專線路基凍脹的重要措施。

3)初步監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，處于嚴寒地區(qū)的哈大鐵路客運專線路基施工完成后變形趨于穩(wěn)定，沒有發(fā)生明顯的凍脹和滲水現(xiàn)象，所采用的防凍層、隔斷層雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計及地基處理、防排水等綜合防凍脹措施發(fā)揮了有效作用。

4)在季節(jié)性凍融循環(huán)影響下，需要進一步對嚴寒地區(qū)路基防凍脹綜合措施的穩(wěn)定性和長期可靠性進行研究。

［1］田亞護，溫立光，劉建坤.季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基變形監(jiān)測及凍害原因分析［J］.鐵道建筑，2010(7):104-107.

［2］鐘敏輝，王少斌.季節(jié)性凍土路基凍脹性分析及治理措施.鐵道建筑［J］.2009(4):96-98.

［3］霍凱成，黃繼業(yè)，羅國榮.路基凍脹機制及凍害防范整治措施探討［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21(7):1099-1103.

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