季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基凍脹研究進(jìn)展

張少欣

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

路基凍脹問題在季節(jié)性凍土區(qū)日趨突出，路基凍脹具有普遍性、不確定性和難以避免的特點(diǎn)，特別是在嚴(yán)寒地區(qū)，非常容易出現(xiàn)鐵路凍脹問題，這已然成為全世界都面臨著的一個主要問題?，F(xiàn)階段尚無成熟的生產(chǎn)和經(jīng)營管理的經(jīng)驗可以借鑒，這些將嚴(yán)重影響著鐵路行車安全和運(yùn)輸效率，高速鐵路在嚴(yán)寒氣候條件下可能出現(xiàn)的變形破壞，監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效管理成為路基凍脹變形分析中鐵道部的迫切需求[1]。結(jié)合季節(jié)凍土區(qū)高速鐵路工程實(shí)際，綜合季節(jié)性凍土的凍脹性、融沉性等特性，構(gòu)建一套監(jiān)測系統(tǒng)對鐵路進(jìn)行路基凍脹監(jiān)測，對季節(jié)凍土區(qū)高速鐵路路基凍脹監(jiān)測系統(tǒng)及凍脹規(guī)律研究具有重大意義，有利于深入了解深季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路研究、鐵路建設(shè)及安全運(yùn)營[2]。

1 概況

凍土是指零攝氏度以下，土壤以及巖石中已經(jīng)有冰的存在，按照凍土的實(shí)際凍結(jié)時間作為依據(jù)可以將其劃分為多年凍土，季節(jié)性凍土以及瞬時凍土這三大類。凍土按其凍結(jié)時間長短可分為三類：瞬時凍土、季節(jié)性凍土、多年凍土。季節(jié)性凍土是一種含冰晶的特殊土水體系，只在地表以下幾米范圍內(nèi)，在具有一定溫度的外界環(huán)境中并受溫度變化的影響，凍結(jié)狀態(tài)持兩年或兩年以上的土。我國季節(jié)性凍土區(qū)面積大約513.7 萬km2，占國土面積的53.5%[3]。

2 保溫法防鐵路路基凍脹研究

在鋪設(shè)保溫層的路段中，由于在該處直接添加了熱阻，這樣便會直接導(dǎo)致實(shí)際熱交換量值的大小、強(qiáng)度都出現(xiàn)變?nèi)醅F(xiàn)象，這樣便會讓保溫層下部的土層幅值出現(xiàn)降低現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致凍結(jié)深度變得越來越小，降低凍脹發(fā)生的頻率。保溫法在抑制路基凍脹方面發(fā)揮著非常有效的作用，現(xiàn)如今在抑制凍脹方面已經(jīng)獲得了非常廣泛的應(yīng)用，特別是在這幾年之中，在解決防凍脹破壞的問題方面充當(dāng)著非常重要的角色。20世紀(jì)50年代，挪威、芬蘭等國就已開始嘗試采用樹皮、草炭等作為凍土路基的保溫層材料。七十年代初，日本、美國等發(fā)達(dá)國家把聚苯乙烯泡沫板來當(dāng)作路基保溫材料[4]。經(jīng)過Lauren a的研究最終證實(shí)，在綜合進(jìn)行成本效益分析、成本效果分析及防凍脹效果分析，在進(jìn)行保溫時可采用砂礫石或砂加塑料膜，這是解決凍脹問題較有效的方法。實(shí)踐證明，提高保溫隔熱功能，可以起到消除或減弱地基土凍脹狀態(tài)的實(shí)際存儲時間、存續(xù)面積的效果，并且可以有效降低路基凍脹給道路帶來的重大傷害，通過同混凝土構(gòu)件之間的相互結(jié)合可以使二者處在共同工作狀態(tài)下，最終起到擋土防滲的雙重作用。對槽排水加強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)加設(shè)防凍層，鋪設(shè)隔溫層等進(jìn)行了可行性研究，明確多年凍土區(qū)路基的設(shè)計原則。胡宇通過對凍土路基的凍脹融沉特性進(jìn)行了綜述分析，并且以EPS保溫板作為研究點(diǎn)對其抗凍害特征展開了一系列的恒定分析工作。

3 對填料法展開進(jìn)一步改良工作

在凍土區(qū)對填料法展開改良工作具體是指把凍土帷幕其范圍土壤的凍脹敏感性土的地基改良成凍脹不敏感的地基土。在很多研究領(lǐng)域中都得到了令人驚喜的應(yīng)用。日本嚴(yán)寒地方中北海道路塹和低填淺挖路基，當(dāng)回填材料為易引起凍脹的土?xí)r，換填凍脹性土層，來消除或減輕地基土的凍土。德國在道砟道床和周期的凍融循環(huán)作用下的土路基中間采用設(shè)置保護(hù)層的方式來起到對凍脹進(jìn)行抑制的效果，該保護(hù)層是由可以自由排水的各種碎石構(gòu)成，這些碎石都具備不黏性，因此可以共同組成一個可以不連通的保護(hù)層，該保護(hù)層也被稱作為防凍保護(hù)層，簡稱FSS。另外也可以選擇進(jìn)行隔熱層的鋪設(shè)工作，需要注意一定要保證隔熱層的組成材料在導(dǎo)熱系數(shù)以及性能方面都非常差。現(xiàn)如今伴隨著我國路基凍脹研究工作的發(fā)展，各國學(xué)者也紛紛意識到凍脹研究工作的重要性，并且已經(jīng)有很多國內(nèi)學(xué)者開始對換填施工法用到的相關(guān)方法以及理論展開大量并且詳細(xì)的研究。其中陳肖柏學(xué)者便在1979年提出可以用砂礫石來將黏性土替換掉，從而起到讓鐵路路基的凍脹量得到一定程度的減輕這一效果。以張立新學(xué)者為代表的眾多學(xué)者則對凍脹狀態(tài)下石灰土的物理特性展開了分析，為凍脹特性實(shí)驗的展開提供大量的數(shù)據(jù)參考。葉陽升等學(xué)者則對路基防凍層的實(shí)際設(shè)置原則展開了一系列的研究，并且對路基填料的凍脹標(biāo)準(zhǔn)展開了分類工作，為人們更好的研究抑制路基凍脹提供一些思路。谷憲明的研究成果的最終呈現(xiàn)，在對由可能出現(xiàn)凍脹情況的地段，以及在高寒和多年凍土地區(qū)的次高級路面，高級路面，可以有效避免不均勻凍脹現(xiàn)象的發(fā)生。在對防凍層的厚度（其中包括露面結(jié)構(gòu)層）展開設(shè)置工作時，需要確保其厚度不低于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，如果出現(xiàn)保護(hù)層比防凍最小總厚度還小的情況時，需要對水穩(wěn)定性非常強(qiáng)并且抗凍性能也非常好的材料展開應(yīng)用，即進(jìn)行防凍層的設(shè)置來完成補(bǔ)足工作。張冬青學(xué)者則明確指出，在對換填方案展開使用的過程中需要考慮到眾多影響因素，其中最需要人們重點(diǎn)考慮的一項因素便是材料的自身強(qiáng)度，在季節(jié)冰土區(qū)，對換填材料展開選擇工作時不單單需要符合道路上部在負(fù)載方面對地基變形以及強(qiáng)度承載方面提出的要求，同時還需要兼顧季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基凍脹問題，避免路基損害現(xiàn)象的發(fā)生。

4 改良水分條件效果研究

陳肖柏等學(xué)者在對隔離主體以及防滲主體展開選擇工作時最終采用了土工膜，借助土工膜來對甘肅酒泉地區(qū)的地基展開處理，通過對最終計算結(jié)果進(jìn)行分析可以得出結(jié)論，該方法在對抑制凍脹效果進(jìn)行分析方面具備一定的科學(xué)性，因此該方法的綜合評價結(jié)果也是正確的。侯紅串等人則在陳肖柏的研究基礎(chǔ)上對土工膜展開了進(jìn)一步研究，在土工膜的力學(xué)以及物理學(xué)都處在非常低并且溫度也比較低的情況下對其展開分析，對增塑劑的添加工作來對最終效果展開探討，即讓土工織物和土工膜按照一定比例相結(jié)合來形成一種化學(xué)穩(wěn)定性，耐寒性以及耐熱性都更好的復(fù)合土工膜?；魟P成等報道提出采用復(fù)合土工膜整治道路，整體上隔離外界水源，并引導(dǎo)到一體式排水溝內(nèi)進(jìn)行排放，當(dāng)年冬季路基實(shí)際含水量為歷年最低，以防治由于路基凍結(jié)、融化引起的病害問題。

5 結(jié)語

土體凍脹融沉問題研究很早便有，隨著高速鐵路的發(fā)展，尤其是欠發(fā)達(dá)城市的影響顯得尤為重要。德國、法國、日本等已有成熟的預(yù)防控制措施，我國在理論與實(shí)踐的探索中積累了一些經(jīng)驗，特別是哈齊、哈大、京哈高鐵沈哈段等高鐵線路的平穩(wěn)運(yùn)行。凍脹的發(fā)生離不開大氣負(fù)溫的影響，土粒中水分凍結(jié)、細(xì)粒土和水。所以，控制凍脹的重要三個方面是保溫、改良填料和改良水分，需要我們加強(qiáng)高速鐵路路基凍脹綜合監(jiān)測，同時進(jìn)行模擬，并開展模型試驗，驗證數(shù)值模擬結(jié)果的有效性，獲取更全面的季節(jié)性凍土的凍脹因素及其分類，促進(jìn)對科學(xué)本質(zhì)的理解，特殊問題特殊對待，才能更高效地解決問題，指導(dǎo)擬建工程項目進(jìn)行施工準(zhǔn)備和正常進(jìn)行。