季節(jié)性凍土地區(qū)鐵路路基凍害及其防治措施

陳彥

摘 要：介紹鐵路路基凍害發(fā)生的基本狀況，分析了凍害的破壞特征和成因，并據(jù)此討論了相關(guān)的凍害整治措施：換填基床土，抬道，無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土及人工鹽化路基土。

關(guān)鍵詞：季節(jié)性凍土;路基凍害不均勻;凍脹防治措施

在分析鐵路沿線地質(zhì)、水文、氣象的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)調(diào)查鐵路沿線路基凍害的現(xiàn)狀特征，研究路基凍害形成的原因、機(jī)理，針對(duì)不同類型的路基凍害，提出防治路基凍害的具體措施。

1 路基凍害的形成機(jī)理

1.1 產(chǎn)生條件

（1）路基基床面不平整易積水;（2）路基土質(zhì)的表層為非均質(zhì);（3）地表水或地下水對(duì)土體的不均勻浸濕;（4）氣溫的影響和土體的導(dǎo)熱不均勻;（5）路基中的不連續(xù)點(diǎn)的影響;（6）土的種類及其含水量等。

1.2 形成原因

路基基床表面不平整造成基床表面積水，因水分浸入基床表層，土層含水量增大超過(guò)了起始凍脹含水量時(shí)，表層里的水結(jié)冰，體積膨脹的同時(shí)水分又向凍結(jié)峰面補(bǔ)給，水分比凍前增加較大，即形成凍害。由于路基基床面不平整而產(chǎn)生的凍害一般不超過(guò)60mm，多在25mm左右，凍害形成的深度因道碴陷槽或道碴囊的深度不同而不等。路基土來(lái)源不同，且在填筑時(shí)土層薄厚和夯實(shí)也不同;路基土體雖然是自然形成的。但土的覆蓋堆積厚度及層次也不完全相同。凍土中的未凍水沿著溫度降低的方向遷移，在溫度高的土體范圍內(nèi)，因?yàn)槲磧鏊繙p少而破壞了該土體范圍內(nèi)冰水之間的熱力平衡，導(dǎo)致了未凍水向冰方向的水分遷移，使未凍土的含水量低于初始含水量，而凍土的含水量高于初始含水量。這說(shuō)明土體中的水分正在重新分布，水分從未凍土中向凍土中遷移。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的土體試驗(yàn)證實(shí)，水分遷移量與土的天然含水量有關(guān)，含水量越大，遷移量越大。

1.3 凍脹過(guò)程

凍脹主要與三個(gè)過(guò)程有關(guān)：（1）冰透鏡體與土顆粒外圍水膜間的動(dòng)力過(guò)程，即土中水的相變及抽吸過(guò)程;（2）從地下水位到水膜間水的輸運(yùn)過(guò)程;（3）水相變時(shí)的潛熱傳遞過(guò)程，因此可以說(shuō)凍脹的實(shí)質(zhì)就是凍土中水分遷移引起的宏觀表現(xiàn)。

1.4 凍害的特征

管內(nèi)地區(qū)年平均氣溫約6℃左右，季節(jié)凍結(jié)深度為126～278cm。春季來(lái)臨，季節(jié)性凍土的熱平衡狀態(tài)將發(fā)生變化，路基土將發(fā)生從上部向下部的融化。這樣路基面層下的土層處于飽和狀態(tài)，溶解的水被土層阻擋，這部分水停留在未解凍的土層上。而溶解的土層，土的密度減小，土基的承載力明顯降低，當(dāng)列車通過(guò)時(shí)，路軌下表面的拉應(yīng)力增大，土基表面的垂直變形增加，當(dāng)超過(guò)其極限值時(shí)，其融化土層在土體重力和外部荷載作用力下產(chǎn)生局部沉陷。春融期凍害段的基床土有的發(fā)生下沉，導(dǎo)致道床下沉，軌道狀態(tài)不良，幾何尺寸變化頻繁，需要不斷進(jìn)行緊急整修。

2 路基凍害的分類

2.1 凍脹

凍脹是指由于土的凍結(jié)作用而造成的體積膨脹現(xiàn)象，這是季節(jié)性凍土區(qū)常常遇見的鐵路病害。凍脹可分為原位凍脹和分凝凍脹兩類，原位凍脹是指凍結(jié)鋒面前進(jìn)過(guò)程和已凍土繼續(xù)降溫過(guò)程中，正凍土中的孔隙水或已凍土中的未凍水原位凍結(jié)，造成體積增大9%;而當(dāng)土體凍結(jié)以后，由于土顆粒表面能的作用，土中始終存在未凍結(jié)的薄膜水。在溫度梯度的誘導(dǎo)下，薄膜水會(huì)從溫度高處向溫度低處遷移，正是由于水的抽吸作用使水分集聚在前進(jìn)的凍結(jié)鋒面后方并凍結(jié)，分凝成冰透鏡體，這一過(guò)程稱為分凝凍脹，分凝凍脹過(guò)程造成體積增大1.09倍。通過(guò)對(duì)發(fā)生病害處路肩挖探、鏟探及釬探，發(fā)生凍害處的鐵路路基土質(zhì)以粉土為主，局部為粉質(zhì)黏土、黏土。天然含水量為12.5%一33.5%，土層凍脹等級(jí)及類別為Ⅱ～V級(jí)強(qiáng)凍脹。大部分鐵路路基凍害是該類型凍脹，出現(xiàn)不均勻脹高，軌道道釘和扣件難以保持軌距，嚴(yán)重影響行車安全。凍脹本身不僅引起基床破壞，還可引起橋梁、涵洞基礎(chǔ)的凍害。

2.2 融沉

季節(jié)性凍土融化時(shí)，冰晶和冰膜融化成水，土層在重力和上覆荷載的作用下，路基及基床會(huì)產(chǎn)生不同程度的沉降，即融沉。融沉一般有兩個(gè)特性：其一，由于自然引力和人為因素及土體各方面的差異，融沉在空間上具有不連續(xù)性，厚度上具有不均勻性。有的路段在以較慢的速度連續(xù)下沉一段時(shí)間，有的路段突發(fā)大量地沉陷，并使周圍部分土體隆起。這是因?yàn)閮雎坊寥诨筇幱陲柡蜖顟B(tài)，其承載力幾乎為零，在外部荷載作用下，基床瞬間產(chǎn)生大幅度沉陷并有大量積水冒出。其二，融沉多發(fā)生在低路堤地段。由于路堤高度、坡向、填料類別、保溫設(shè)施，以及施工季節(jié)和施工后形成的地表特征、水文特征及凍土介質(zhì)特征等因素的綜合影響，土體中各土層的散熱和吸熱有極大差異。當(dāng)基底土層的散熱超過(guò)吸熱時(shí)，地溫上升，凍土融化，人為上限下降，路堤就會(huì)產(chǎn)生融沉病害。路堤越低，意味著在從上界流向地中的傳熱過(guò)程中，熱阻減小。路堤自身的儲(chǔ)熱能力變小，不利于熱穩(wěn)定，從而易導(dǎo)致路基發(fā)生融沉。

2.3 翻漿冒泥

由于獨(dú)特的地質(zhì)、地理環(huán)境，導(dǎo)致在某些路段凍結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，解凍緩慢，加之大量的積雪融化后雪水下滲，這樣就在解凍層和未解凍層之間形成自由水。這部分自由水不能及時(shí)排出，造成土基軟弱，強(qiáng)度急劇降低，在列車荷載作用下，路基面發(fā)生鼓包、唧泥現(xiàn)象，即為翻漿。這種凍害主要發(fā)生在河漫灘地貌單元、山前沖洪積平原、坡地的下坡部位、冬前路溝積滿水的地段。翻漿冒泥導(dǎo)致道床下沉，軌道狀態(tài)不良，幾何尺寸變化頻繁，需要不斷進(jìn)行緊急整修。翻漿冒泥引起鋼軌水平差較大，導(dǎo)致鋼筋混凝土軌枕產(chǎn)生縱橫裂紋。無(wú)論冬季的線路凍害或是春融期的翻漿冒泥的威脅，都是需要及時(shí)進(jìn)行整治的重點(diǎn)。

3 凍脹病害的整治措施及其原理

3.1 換填基床土

國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)踐表明，用較純凈的砂礫或中、粗砂換填季節(jié)性凍土，是削減地基土凍害的理想方法之一。山前的坡洪積碎石土及全風(fēng)化碎石土，以及在河流、河谷地區(qū)的中粗砂等，都是豐富的抗凍建材。在平面和縱斷面受到限制的情況下，如岔區(qū)路基凍害及特大橋、大橋兩端的路基凍害主要采用換填整治的方法。充分利用成組更換道岔這一有利時(shí)機(jī)，利用封鎖施工的方案對(duì)岔區(qū)凍害予以整治，適當(dāng)延長(zhǎng)封鎖時(shí)間，將道床下部分粉土、粉質(zhì)黏土、黏土進(jìn)行換填，換填厚度約80—160cm，以增加道床的整體排水性。換填非凍脹土并進(jìn)行壓實(shí)處理，鋪底碴后，將已組裝好的成組道岔推進(jìn)，整修后開通線路。岔區(qū)凍害實(shí)行分線分段換填，有交叉渡線的取消渡線，將正線道岔更換為普通線路。并適當(dāng)增加道床石碴厚度，以便于調(diào)節(jié)由凍脹引起局部小變形。利用封鎖進(jìn)行換填，其優(yōu)點(diǎn)是行車的安全有保障且換填徹底，缺點(diǎn)是封鎖次數(shù)增加，對(duì)運(yùn)輸?shù)挠绊戄^大。另外，還采用扣軌或D型梁架空線路，限速45km/h，對(duì)凍害嚴(yán)重地段進(jìn)行換填。其優(yōu)點(diǎn)是換填徹底，缺點(diǎn)是對(duì)運(yùn)輸影響大，工程造價(jià)高，換填的長(zhǎng)度有限。

3.2 抬道整治路基凍害方案

抬道整治路基凍害方案的適用范圍主要是在平面和縱斷面條件允許情況下的水浸路基的地段和凍害連續(xù)的地段。隨著大型養(yǎng)路機(jī)械的應(yīng)用，使用大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行抬道整治路基病害是確保行車安全，減少?gòu)U棄工程，降低工程造價(jià)，工程得以順利實(shí)施的最佳選擇。抬道整治路基病害范圍內(nèi)的橋梁要和線路抬道實(shí)施同步抬高;涵渠在抬道前要進(jìn)行接長(zhǎng)施工。用多于2臺(tái)的搗固車和2臺(tái)穩(wěn)定車，每天封鎖180min，上下行交替封鎖抬道;平均每次封鎖抬道7cm，沉落0.2cm，保持6.8cm，整治上、下行累計(jì)長(zhǎng)度在4000m的一處路基凍害，累計(jì)需要封鎖時(shí)間約40h，抬道高度約可達(dá)1.2m。線路每日封鎖前到開通后列車速度為45km/h。

3.3 無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土保溫法

地基采用石灰穩(wěn)定土、石灰粉煤灰穩(wěn)定土等無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土的整治方案。在已有的對(duì)東北地區(qū)季節(jié)性凍土比較封閉和開敞系統(tǒng)中的原狀土、擾動(dòng)土、石灰穩(wěn)定土凍結(jié)試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)石灰穩(wěn)定土是抑制路基凍害的有效措施。抑制凍害的最佳石灰含量約12%～15%。處于內(nèi)蒙古地區(qū)較多的火力發(fā)電廠有充足的粉煤灰、石灰等無(wú)機(jī)料。另外，采用這些無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土能夠使地基土具有良好的力學(xué)性能。其抗壓、抗彎強(qiáng)度較高，而且強(qiáng)度與模量隨齡期不斷增長(zhǎng)，水穩(wěn)定好，外力作用下變形小等，能很好的防止鐵路凍害，現(xiàn)正處在試驗(yàn)探索階段。

3.4 人工鹽化路基土

溶于水中的鹽類能使水溶液的冰點(diǎn)低于淡水，而且濃度越大，冰點(diǎn)越低。主要有挖軌枕槽鋪鹽，打孔注鹽，稀釋注入和土鹽拌和等幾種施工方法。打孔注鹽的深度至凍結(jié)深度的80%，鹽化處理后的土應(yīng)夯實(shí)，減少鹽的流失。鹽化處理易于施工，成本較低，但只能減小凍脹，不能根除凍害，應(yīng)與其他辦法結(jié)合使用，或在低溫極值較高的病害輕微段使用，并要根據(jù)線路的具體地質(zhì)條件綜合考慮，以防出現(xiàn)新的路基鹽漬化病害。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)歷年來(lái)對(duì)路基凍害的整治，管內(nèi)比較大且成段連續(xù)的凍害已得到了較好的整治。從目前情況來(lái)看，整治效果良好，為保證運(yùn)輸安全起到了應(yīng)有的作用。

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