季節(jié)性凍土地區(qū)鐵路路基凍害及其防治措施

張立立

摘要：季節(jié)性凍土是指冬季凍結(jié)、春季開始融化的土，該類土在我國東北、華北及西北等地區(qū)分布很廣，以往這些地區(qū)的普速鐵路路基或多或少存在凍脹、融沉問題。凍融逐年反復(fù)會(huì)使路基面出現(xiàn)翻漿冒泥、道砟囊等病害。由于這些凍漲或融沉具有不均勻性，往往導(dǎo)致鋼軌頂面沿縱向出現(xiàn)忽高忽低的不均勻變形，使左右兩根鋼軌產(chǎn)生差異變形，嚴(yán)重影響行車安全。本文主要是對(duì)季節(jié)性凍土地區(qū)鐵路路基的凍害情況進(jìn)行了介紹，并提出了相應(yīng)的防治策略。

關(guān)鍵詞：季節(jié)性；凍土地區(qū)；鐵路路基

引言

一直以來，凍裂、裂縫等質(zhì)量危害都是凍土地區(qū)公路路基的一種質(zhì)量通病，不僅大大降低了公路建設(shè)服務(wù)質(zhì)量，還給后期修筑施工造成了很多的不便，致使公路無法正常運(yùn)行。因此，考慮到凍土路基的特性，進(jìn)一步提高公路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，加強(qiáng)對(duì)公路路基的保溫養(yǎng)護(hù)是非常重要的，同時(shí)相關(guān)建設(shè)單位還應(yīng)該加大對(duì)節(jié)能環(huán)保型保溫材料的應(yīng)用，以免破壞到周圍生態(tài)環(huán)境，促使道路建設(shè)的社會(huì)效益與生態(tài)效益得以充分體現(xiàn)。

一、季節(jié)性凍土地區(qū)鐵路路基凍害部位分類

（一）、表層凍害

表層凍害特點(diǎn)是：一般隆起高度為10mm～40mm；在呼和浩特鐵路局管內(nèi)地區(qū)一般從11月上旬開始，最晚到12月中旬停止發(fā)展，來年4月中旬～5月上旬回落完。表層凍害危害主要表現(xiàn)在：可引起路肩縱向高低變形、開裂，造成基床表層土體強(qiáng)度降低，從而引起道碴沉陷，導(dǎo)致軌道縱向高低變形；引起坡面隆起變形、開裂，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低。

（二）、深層凍害

路基深層凍害產(chǎn)生的時(shí)間較晚，在凍期的后半期產(chǎn)生，呼和浩特鐵路局管內(nèi)地區(qū)一般在12月中旬以后，直到凍期末凍害才能停止。深層凍害的產(chǎn)生大多是因地下水的關(guān)系，如果沒有地下水，即使土質(zhì)有所差異，下部呈現(xiàn)脫水現(xiàn)象，也無多少凍脹。

二、溫度對(duì)季節(jié)性凍土地區(qū)鐵路路基的影響

通常情況下，在受到氣溫變化的影響下，凍土路基一般產(chǎn)生升溫速率的主要原因體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是凍土中參與的冰和水的相變潛熱數(shù)量，另一方面則是地基土層的導(dǎo)熱系數(shù)。如果凍土地基中含有較高的冰量時(shí)，當(dāng)溫度發(fā)生變化，將會(huì)產(chǎn)生大量的冰水相變。所以，含冰量高的凍土地基溫度對(duì)于氣溫改變的感應(yīng)相對(duì)遲緩。這樣一來，若是在氣溫勝率相同的情況下，一旦凍土地基處于劇烈相變的地區(qū)，其地基溫度變化隨之產(chǎn)生更多數(shù)量的冰水相變。因此，這種高含冰量的凍土地基的速率不高。相反，當(dāng)凍土地基處于平穩(wěn)區(qū)段時(shí)，低溫發(fā)生變化，相變熱量減少，此時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)將會(huì)成為主要影響因素，使得含冰量較高的凍土地基速率加快，同時(shí)季節(jié)性的凍土地基正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，才會(huì)導(dǎo)致年平均溫度急劇上升。

三、季節(jié)性凍土地區(qū)鐵路路基凍害的防治措施

（一）、工程概況

某高速鐵路的最高設(shè)計(jì)時(shí)速為350km，線路全長903.94km，路基長度231.245km，其中無砟軌道路基長181.97km。無砟軌道路基中，路堤長111.95km，路塹長70.02km。沿線絕大部分穿越寒冷地區(qū)？嚴(yán)寒地區(qū)，凍結(jié)指數(shù)整體較大。年平均氣溫4.4～10.9℃，極端最高氣溫39.8℃，極端最低氣溫-39.9℃，年平均降雨量481.8～682.7mm，土體最大凍結(jié)深度93～205cm，每年10月開始凍結(jié)，次年4～5月開始融化。沿線地層巖性主要有黏性土？粉土？黃土？砂及卵礫石土？泥夾砂巖？礫巖？安山巖？花崗巖等，沿線地下水主要有地表水？孔隙水？裂隙水和巖溶水。

（二）、施工階段

對(duì)于路基填筑高度小于1.5m的季節(jié)性凍土路段，視為零填路段，其路床范圍采用級(jí)配碎石材料換填，并在路面底部增設(shè)防滲土工布以防止地下水影響路面穩(wěn)定。零填路段的路基邊溝采用淺碟形邊溝，下設(shè)高強(qiáng)土工材料或2～4cm碎礫石作為縱向滲溝的形式進(jìn)行排水。同時(shí)還應(yīng)視地形情況酌情加深排水溝，以降低地下水位。根據(jù)地形情況，縱向滲溝每隔50～100m設(shè)置一道橫向滲溝，將地下水引出路基之外。

（三）、結(jié)果監(jiān)測(cè)

1、凍脹小幅波動(dòng)階段

11月13日進(jìn)入凍脹波動(dòng)階段，凍脹波動(dòng)范圍基本在1mm以內(nèi)，持續(xù)3周時(shí)間，凍深范圍較淺。

2、凍脹快速增長階段

12月5日隨氣溫快速持續(xù)下降，凍脹變形進(jìn)入快速增長階段，凍深也逐漸向下發(fā)展，至12月11日凍深達(dá)72cm。該測(cè)點(diǎn)的兩布一膜埋深60cm，凍脹發(fā)生在基床表層，凍結(jié)指數(shù)達(dá)到-191.4℃·d。

3、凍脹穩(wěn)定發(fā)展階段

隨凍深逐步向下發(fā)展穿過兩布一膜進(jìn)入基床底層，表層與基床底層的凍脹變形逐漸分開，基床表層的凍脹變形基本穩(wěn)定不變，凍脹變形的增幅主要為基床深層產(chǎn)生的凍脹變形，凍脹變形增長速度變緩，進(jìn)入凍脹變形穩(wěn)定發(fā)展階段。本階段持續(xù)到3月4日，凍深在2月15日達(dá)到最大值190cm。期間隨氣溫降低，在1月30日時(shí)凍深達(dá)到166.4cm，1月31日至2月1日氣溫有一次顯著地升溫過程，氣溫最高達(dá)到8.5℃，此時(shí)凍深也減小到144cm。2月25日以后，氣溫開始出現(xiàn)回升趨勢(shì)，凍深開始逐漸減小，最大凍結(jié)指數(shù)達(dá)到-1515℃·d。

4、波動(dòng)融沉階段

3月4日以后，平均氣溫回升至0℃以上，深層凍結(jié)線迅速上移，基床表層出現(xiàn)融沉現(xiàn)象。隨氣溫回升，融沉變形增大。

三、預(yù)防鐵路基的凍害措施

（一）、加強(qiáng)路基的排水設(shè)施

采用基床表層頂部設(shè)置纖維混凝土封水層，兩側(cè)支承層邊緣至路肩為向外4%的排水坡，雙線之間做成向內(nèi)4%的排水坡；無砟路基地段線間排水采用在底座間設(shè)置橫向排水通道的方式。

為保證排水通道暢通，設(shè)置滲水盲溝，將路基本體中的水引入盲溝中，通過盲溝將水排到檢查井中，最后將水通過滲水管井導(dǎo)入地下。

滲水盲溝設(shè)置于左側(cè)護(hù)道下部，盲溝右側(cè)1m翼緣搭在筏板或樁帽邊上，埋深不滿足最大凍深+0.25時(shí)，在其左側(cè)及上側(cè)鋪設(shè)一層XPS保溫板，厚0.1m。

滲溝溝底縱坡原則上同線路縱坡，困難地段不小于2‰。滲溝底寬1.2m，垂直開挖，滲溝內(nèi)充填洗凈碎石，下設(shè)C25混凝土基礎(chǔ)，厚0.2m，基礎(chǔ)底部設(shè)置4%排水坡，其上設(shè)315mmPVC帶孔雙壁波紋滲水管，在滲溝左側(cè)及上側(cè)采用一層不透水土工布包裹，右側(cè)及下側(cè)采用一層透水土工布反濾層包裹。

（二）、凍結(jié)深度范圍采用抗凍填料

普通細(xì)粒土填料的水穩(wěn)性差、最優(yōu)含水率大、孔隙率小，土中的水結(jié)冰時(shí)體積要增大9%，勢(shì)必引起凍脹問題。因此抗凍填料應(yīng)選用水穩(wěn)性好、孔隙率較大的粗顆粒填料，并對(duì)以下因素進(jìn)行嚴(yán)格控制：

1）抗凍安全填料應(yīng)具有一定的孔隙，孔隙中少量的水結(jié)冰時(shí)其凍脹不明顯，而且解凍后土的狀態(tài)不變。

2）粗顆粒填料的孔隙大小與不均勻系數(shù)U成反比，因此當(dāng)細(xì)顆粒含量較大時(shí)，其不均勻系數(shù)U不宜偏大。

3）盡量減少填料中的細(xì)粒含量和含水率，以留出足夠多的孔隙滿足水的體積增大時(shí)占用。

結(jié)束語

季節(jié)性凍土在嚴(yán)寒地區(qū)鐵路建設(shè)中控制的重難點(diǎn)，針對(duì)不同地質(zhì)情況和凍脹的主要影響因素開展相應(yīng)的防治凍脹措施。通過強(qiáng)填料控制、部分地段采用混凝土基床、加強(qiáng)防排水措施、加強(qiáng)路基面排水、路基軌道扣件預(yù)調(diào)高、路基土體保溫、設(shè)置防凍分割層，滲水井、加強(qiáng)路基面排水等措施減少路基土凍脹病害的影響因素，從而保證路基土體的穩(wěn)定性，使軌道的平順性更好。

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