摘要
我国铁路发展迅速，正在向重载和高速发展，随着列车的提速，越来越多的既有线出现了病害情况，如路基病害。路基的病害有多种，如翻浆冒泥、路基下沉、路基冻害等。
我国国土面积较大，冻土面积也大，在寒区修建的铁路因环境恶劣，出现了许多冻害，路基冻害主要有冻胀（主要为不均匀冻胀）、融沉和冻融翻浆。水、温度、土质是路基产生冻害的三因素，治理路基冻害，可采取隔水、换土和隔温等措施。本文通过阐述路基冻害产生的机理来采取不同的治理措施治理，具体措施有排水设施（如排水沟）、保温隔温设施（保温护道、片石通风路基结构、热棒路基结构）和换土措施，在青藏铁路上就采用了热棒路基。又多年冻土地区不良地质较多，如冰锥、冰丘，可通过冻结沟或积冰坑防止冻害发生。冻土地区的环境保护也是至关重要的，它能够减少路基冻害的发生和延长路基的使用寿命。
本设计针对冻土区路基病害的提供了一些治理措施，能有效的保证路基的稳定，不受破坏，可供同类工程借鉴。
关键词:路基冻害冻胀温度治理措施
目录
第1章绪论 (1)
1.1 我国铁路发展现状及存在问题 (1)
1.2 季节性冻土的分布及路基主要冻害 (2)
1.3 国内外研究现状 (3)
1.3.1 国外路基冻害研究现状 (3)
1.3.2 我国路基冻害研究现状 (4)
第2章路基冻害种类 (5)
2.1 按外部表现特征分类 (5)
2.2 按负温总量分类 (5)
2.3 按产生部位分类 (5)
2.3.1 道床冻害形成原因 (6)
2.3.2 表层病害形成的主要原因 (6)
2.3.3 深层冻害的形成 (7)
第3章路基冻害的表现形式及其产生机理 (8)
3.1 融沉病害 (8)
3.2 冻胀病害 (8)
3.3 冰害 (10)
3.4 冻融翻浆 (10)
3.5 铁路路基次生灾害 (11)
第4章路基冻害防治措施 (13)
4.1 水作用的机理及治理原则 (13)
4.1.1 水作用机理 (13)
4.1.2 治理原则 (14)
4.2 排水系统 (14)
4.2.1地表排水系统 (14)
4.2.2 地下排水系统 (18)
4.2.3 其它排水系统及方法 (22)
4.3 温度对路基冻害的影响及治理措施 (26)
4.3.1 温度与路基冻害的关系 (26)
4.3.2 温度在路基中的传播方式及治理路径 (27)
4.3.3 温度治理措施 (27)
4.4 其他路基病害及治理措施 (34)
4.4.1 冰锥、冰丘地段的路基整治 (34)
4.4.2 路堑边坡失稳及治理 (36)
第5章多年冻土地区的环境保护 (37)
5.1 既有线运营中的环境保护 (37)
5.2 多年冻土区环境监测和管理 (37)
第6章结论与展望 (39)
6.1 结论 (39)
6.2 展望 (40)
参考文献 (41)
致谢 (42)
附录A 外文资料翻译 .......................................................................... 错误!未定义书签。
A.1 英文 ......................................................................................... 错误!未定义书签。
A.2 译文 ......................................................................................... 错误!未定义书签。
第1章绪论
1.1 我国铁路发展现状及存在问题
世界铁路已有180多年的历史，1803年英国人特里维西克试制了第一台行驶于轨道上的蒸汽机车，1825年英国在大林顿到斯科托顿之间修建了世界上第一条铁路，长21km。我国第一条铁路是1865年英国商人社兰德在北京宣武门外修建的窄轨铁路约0.5km试行小火车。我国铁路建设在新中国成立后有很大的发展。在路网建设、线路状况、技术装备和运输效率上，都有极大的成就。在崇山峻岭的西南地区，修建了成渝、宝成、黔桂、川黔、贵昆、湘黔、湘渝、阳安、来睦（来宾-睦南关）、黎湛、内宜、达成、南昆等干线，构成了大西南的铁路网骨架。在解放前根本没有铁路的西北地区，建成了天兰、兰新、兰青、青藏（西宁—格尔木—拉萨）、南疆、包兰、干武、宝中、北疆等干线。在华北地区，建成了丰沙、京承、京原、京通、京秦、太焦、邯长、新荷、侯西等干线，以及纵贯南北的京九干线，首都北京已形成九条干线引入的大型枢纽。在东南沿海，建成了焦枝、枝柳、汉丹、武大、大沙、合九等干线；在东北地区，修建了沟海、通让等联络线、汤林、牙林、长林、嫩林、林碧等林线，以及霍林河、伊敏河等煤矿支线。截止到2004年底，我国铁路营运里程突破7万余km，居是世界第三；其中复线2.5万多km，复线率约为40%，电气化铁路里程1.8万km，电气化率约30%，内燃化铁路里程4万多km，占营业里程的63.6%[1]。此外，各省区建成的地方铁路还有6218.4km。我国《中长期铁路规划网》的发展目标是，到2020年，全国铁路营业里程达到10万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电化率均达到50%，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。到2010年，随着我国铁路“十一五”建设计划的即将完成，铁路网营业里程达到8.5万公里左右，其中客运专线5000公里，复线3.5万公里，电气化铁路3.5万公里。
由于我国铁路建设较早，设计时速较低，对铁路的技术要求不高。在这几万里长的线路上，由于列车荷载的反复作用、自然条件、线路条件等原因，线路上产生了各种各样的病害，这些病害影响了线路的质量状态，甚至危及铁路的行车安全。
既有线常见病害有[2]:钢轨的病害:轨头核伤、钢轨磨耗、轨腰螺栓孔裂纹、钢轨接头伤损等；轨枕病害（轨枕失效）:明显折断、纵向断裂、横裂（或斜裂）接近环
状裂纹、挡肩破损、严重掉块、承轨槽压溃、钢筋（或钢丝）外露；道床病害:脏污、折断；路基病害:路基翻浆冒泥、路基下沉（基床下沉、地基下沉、边坡外臌）、基床外挤、路基冻害、边坡溜塌、风化剥削、滑坡、不良地质和水文条件造成的路基破坏。
路基是线路的基础，路基病害严重影响了线路的正常使用。又我国冻土面积较大，在冻土区修建了许都铁路，随着青藏铁路的建设竣工，冻土区铁路病害更值得我们关注。
既有线路基冻害现状调差[3]:通辽枢纽为既有通辽一霍林河铁路的起点。既有线以路基为主，路基占线路全长的97%。沿线为填方，平均高度4m～8m。既有线路基经过多年运营，大部分路段较为稳定，据沈阳局通辽工务段2006年秋检资料、路基病害资料、2006年～2007年冻害资料，结合调查访问，现状路基病害主要类型有:一般冻害150 m／6处、边坡溜坍5035 m／6处。引起路基病害的最主要原因为冻胀和融沉问题，经常造成路基边坡开裂、发生溜坍等，直接影响了既有线的正常运营，且每年需花费较大的工程费用进行病害治理。因此对冻土区既有线铁路路基进行全面考察处理，寻求合理有效的处置措施，以提高铁路的运营能力，就显得尤为重要。
1.2 季节性冻土的分布及路基主要冻害
在我国，季节性冻土的分布很广，普遍分布于长江流域以北十余个省市，约513.7万平方公里，占国土面积的55%左右。其大体分布情况（如图1.1所示）
多年冻土区
多年冻土占20%
季节冻土占55%
图1-1 我国各类冻土分布图
在冻土地区修建各种工程构筑物，困难重重。许多公路、铁路、桥涵、房屋、管道、渠道和人工冻结井壁等各类工程建筑物会遭到严重冻胀破坏，且量大面广，有的开裂、有的倾斜、有的甚至倒塌。铁路路基冻害主要有冻胀（主要为不均匀冻胀）、融沉、冰害、翻浆等。
1.3 国内外研究现状
人们很早就认识到路基冻害对道路的破坏作用。为了减小冰冻破坏，延长道路的使用寿命，改善道路的使用性能，不少道路工作者一直在进行着对冰冻作用的本质研究。自上世纪开始，人们逐渐对影响路基冰冻破坏作用的因素有了认识。认为路基冻害是由于在冰冻过程中积累了大量的水分造成的；冰冻过程中水分向冻结区的迁移是在各种梯度作用下完成的。目前，俄罗斯的西伯利亚、美国的阿拉斯加、中国的大兴安岭和青藏高原等地广泛分布有冻土环境。各地的冻土本身的性质没什么不同，但由于各地冻土年均气温、地表植被等生物条件的不同，因此，世界各地的冻土研究发展过程是不同的。冻土问题是目前世界性的难题，世界上几个冻土大国，如俄罗斯、美国、加拿大、中国等都在为解决冻土难题而进行着不懈的努力。
1.3.1 国外路基冻害研究现状
1885年俄国工程师斯图金伯格提出了冻土水分迁移假说[4]，将冻胀形成与土的毛细管作用相联系。根据这个假说，水转变为冰时体积增大，结果在入冻带里形成微裂隙造成入冻土里水分迁移，土中水沿毛细管由下层向上迁移。他的这种思想在勃格达诺夫著作中得到发展（1912）。1916-1930年由美国学者泰伯研究出结晶力作用下迁移理论，使水分迁移理论向前跨出了一大步。他揭示了由于在冰的表面存在着吸附水膜，它具有很大的拉力强度，所以水分向增长起来的冰晶迁移。泰伯认为，虽然水是沿着毛细管迁移，但它还是在结晶力下移动的。
美国学者贝斯考认识到吸附水在结冰迁移过程中的意义。通过观察冰的形成得出结论，在自然条件下，土的分散性和毛细管作用具有重大作用。贝斯考进行了专门的试验，提出了冰析出和冻胀的土颗粒“临界尺寸”概念[4]。因为在水分迁移过程中土的分散性是通过毛细管作用表现出来。贝斯考选用毛细管水上升高度作为冻胀性的指标。将地下水、土颗粒性质、毛细管性质综合起来评价土的冻胀情况。
随着理论研究的深入，人们对土的冻胀机理有了更进一步的认识。更多的研究者对此进行了研究，提出了众多的水分迁移理论，对未冻土和已冻土中的水分结构和性
质有了更清楚的了解和认识。从而对工程冻害的治理提供了有力的理论依据。
据俄罗斯1994年调查，20世纪70年代建成的第2条西伯利亚铁路，线路病害率达27%。运营近百年历史的第1条西伯利亚铁路，1996年调查的线路病害率达45%。截止1978年，加拿大哈尔逊湾铁路800 km中有700余处沉降地段，年沉降量约100～150mm，有38座木制桥出现不同程度的冻拔变形，但应用波纹管圆涵使用良好，这些工程病害主要在不连续多年冻土区。国外寒区施工中也尝试了各种不同的工程措施，如块石路堤和抛石护坡、通风管、热桩和保温材料等。
1.3.2 我国路基冻害研究现状
我国早在20世纪60年代就开始对冻土进行了许多科学、综合性的考察研究。五十年代初期，道路建筑事业迅速发展，由于技术标准低，没有采用有效的防冻抗冻措施，致使道路的冻胀翻浆破坏大量出现，严重阻碍交通运输事业的发展，这时，人们才注意到研究路基土冰冻性质的重要性。五十年代和六十年代，人们主要是通过对野外道路实际情况的调查，分析产生路基冻害破坏的原因，因地制宜地采取冻害防治措施，并取得了一定的成效。在这一时期内，人们还着重研究了石灰土、粉煤灰土等混合土的抗冻性问题，并利用混合土作为防冻张路基或建筑物的基础。这些研究对当时改善运输条件，减少道路冻胀与翻浆起到了很大的作用。随着实验技术的发展和工程建筑事业的需要，对土基冰冻性质的研究走上了野外现场试验与室内模拟试验并行的发展道路。
随着在青藏高原地区修建的青藏铁路等工程的竣工，我国的冻土研究进入世界领先水平，在世界上首次提出解决冻土上的问题的指导思想，即主动降温、减少传入地基土的热量，保证多年冻土的热稳定性，从而保证修筑在上面的工程质量的稳定性。在工程措施方面，根据冻土状况的不同采取不同的工程措施。在稳定的冻土地段，采取以对流交换热为主要作用机理的片石路基结构、碎石护坡结构，同时采用无源重力式热虹吸技术的工程应用——热棒路基结构，而这些工程措施都是在世界冻土区道路建设上第一次大规模成功运用。对于极不稳定的多年冻土地段，我国采取“以桥代路”的工程结构，青藏铁路“以桥代路”桥梁长度达120多公里。
青藏铁路是目前世界上海拔最高的铁路，沿线常年平均气温在零摄氏度以下，空气中的含氧量仅为平原地区的一半。铁路穿越海拔4000米以上的地段为960公里，其中翻越唐古拉山最高点海拔达到5072米。青藏铁路的修建给我们提供了大量的预防和治理冻土路基病害的资料，从而使我国冻土研究进入世界先进行列。
第2章路基冻害种类
引起路基冻害的主要因素有:路基土、温度、水分、路基基床结构、荷载等。其中土质是内因，水分是条件，温度是媒介，荷载是激发。土质、水、温度是形成路基病害的3个自然因素，只有三者同时其作用才能形成病害。路基冻害从不同的角度有不同的分类方法[5]。
2.1 按外部表现特征分类
1）冻峰由于路基基床在较短距离内的冻胀高度大于相邻地段的均匀冻胀高度所形成的冻胀，其最大凸起达30mm。
2）冻谷由于路基基床在较短距离内的冻胀高度小于相邻地段的均匀冻胀高度所形成的冻胀，其最大凹陷达160mm。
3）冻阶由于路基基床两相邻地段均匀冻胀高度不同，在该高度交换点处所形成的冻害，最大相差达80mm。
4）单侧冻胀在线路同一横断面上左、右股钢轨下，由于基床的冻胀高度不同所形成的冻害。这种冻害常伴随以上三种冻害之一同时产生。
5）交错冻害由于线路纵、横断面上路基基床的相邻地段及线路左、右股钢轨下基床的冻胀高度不同所形成的冻害。
2.2 按负温总量分类
1）当负温总量小于400～500C、道床厚度为50cm时，冻害产生在道床中，路基则几乎不产生冻害。
2）当负温总量为800～1500C且遇冻胀敏捷的土质及较好的水文地质条件时，其冻胀可达120～150mm的冻害。
3）当负温总量为1500～3000C时，冻胀量可达200～250mm的冻胀。
2.3 按产生部位分类
1）道床冻害，即产生在路基基床面之间上的道床里。
2）表层冻害，产生的部位在路基土体临界冻结深度的上半部分，当冻结深度为2m时，一般为从基床面向下至0.8或1.0m范围之内。
3）深层冻害，产生的部位在立即土体临界冻结深度的下半部为，当冻结深度为
2m左右时，一般为基床面以下0.8或1.0m到临界冻结深度下缘。
第一种分类方法仅反映了冻害的外部表现形态，第二种分类方法仅反映了一个气温与时间的概念。低三种分类法，即明确了冻害产生的部位又反映了产生冻害的情况，所以可以根据冻胀量大小预测冻害产生的原因。因此，第三种分类法较第一种和第二种分类法更为全面。下面着重介绍道床冻害、表层病害和深层病害形成的原因。
2.3.1 道床冻害形成原因
主要有以下几个方面[3]:
1）道砟不洁，道砟材料不符合技术标准。
2）由风吹或雨水冲洗，或因机车运行时带起的泥土，落入道床中，致使粉、粘土量超过限度。
3）道砟在使用过程中遭受到列车运行中或公务养路维修机械破坏。
4）因更换枕木等原因，道床厚度不足，在列车荷载作用下造成道砟压入路基基床面，从而形成贮水沟或囊。
5）由于粉尘质粘土含量的增多，造成毛细水的上升，重力水滞留或地表水向道床中浸透及渗透。
2.3.2 表层病害形成的主要原因
主要有几个方面[6]:
1）路基基床面不平整，造成基床面积大，因水分渗到基床表面，使土层含水量增大，超过了起始冻胀含水量，在表层中水结冰，体积膨胀的同时，水分又向冰洁锋面补给，水分比冻前增加较大，形成了冻害。
2）路基土体的表层为非均质。由于路基地质来源不同，且在填筑时，土层的厚薄和夯填密实不同；路堑的土体虽然自然形成，但是土和覆盖堆积厚度及层次也是不完全相同的。由于这些土质、结构、层次等条件的不同，在冻期，水分迁移、聚积时，其聚流量也不尽相同。产生的冻胀量也不等，从而形成冻害。
3）地表水和地下水对路基本体的不均匀浸湿。路基基床面不平整积水，因而各处抽吸的水多少不同，冻胀量不同，形成冻害。路基两侧的积水，由于积水的水位及深度、范围不同，因而形成冻害。上层潜水的裂隙水及侧沟积水，由于地形，水分的多少，都对路基土体影响及路基土体导热不均匀形成的冻害。气温影响土体的冻结，主要是随地形、地质、日照及植物的不同其热交换不同，同时对土中的冻结率的影响也不同，在土冻结时，由于表层土温及冻结速率的不同，其水分迁移的聚流量和冻胀量不相同，产生了冻害。
2.3.3 深层冻害的形成
路基深层冻害的产生的时间较晚[3]，在冻期的后半期产生，东北地区在12月中旬以后，至到冻期末冻害才停止。深层冻害的产生大多是因地下水的关系，因为如果没有地下水，虽然土质有所差异，但下部呈现脱水现象，所以已无多少冻胀了。若地下水充分，冻期时水分迁移的聚流量大，引起冻胀差异，一次深层冻害的冻害可高达300mm，是较为严重的。
第3章路基冻害的表现形式及其产生机理
路基冻害主要发生在多年冻土地区，因为多年冻土地区特殊的地理环境，形成了许多不良的地质现象，如地下冰、冰锥、冰丘、热融坍滑、热融沉陷、热融湖（塘）和冻土沼泽等。路基的冻害表现在路基上有不同的形式，多年冻土地区的主要冻害有融沉、冻胀、冰害、冻融翻浆等[7]。
3.1 融沉病害
融沉是多年冻土地区路基主要病害之一。一般多发生在含冰量大的粘性土地段，当路基基底的多年冻土上部或路堑边坡上分布有较厚的地下冰时，由于地下冰层埋藏较浅，在施工及运营过程中各种人为因素的影响下，改变了多年冻土的热平衡状态，使多年冻土层局部融化，上覆土层在土体自重和外力作用下产生沉陷，造成路基的严重变形，具体表现:路基下沉、路堤向阳侧路肩及边坡开裂、下滑、路堑边坡溜坍等。
融沉的特点:1突然地大量下称；2周期性的持续下降。
融沉的形式有:1危剧沉落型，主要发生在有厚层地下冰地段；2缓慢沉落型，主要发生在富冰或饱冰多年冻土地区。
（据1964年铁三院实地调查，在位于大兴安岭西坡的牙林线根河工务段管内，就有严重下沉地段225处，总延长18.952km。有的地段在融化季节几天就需抬道一次，严重地段如潮乌段K0+070～+200及K0+380～+400路基连年下沉，1961年和1962年下降量分别达到1.5m及1.8m，线路坡道标志沉至地面。1963年在长60m范围内卸混碴7车，经捣固后仍不见路基形状。因路基下沉抬道，全段每年用砂石达3万余立方米，花费人工2万多工日。）
3.2 冻胀病害
冻胀病害（图3-1所示）是寒区铁路特有的主要病害之一，在季节冻结深度较大的地区及多年冻土地区均有发生，尤以多年冻土地区最为严重。由于地基土及填筑土中的水冻结时体积膨胀产生不均匀的冻胀造成了线路超限。根据铁路部门有关标准，左右两股路轨之间或每股路轨在10 m以内的变形差不能超过4 mm，一旦超过这个规定，视为超限，有可能发生火车脱轨、翻车等事故。
图3-1 路基土冻结时产生不均匀冻胀
路基的冻胀病害是与气温、土质及水源条件密切相关的，主要发生在气候严寒、季节冻结深度较大的地区和多年冻土地区。其土质以细颗粒的粘性土为主，往往富含水分。工程上主要发生在土质的浅路堑和修筑在塔头沼泽积水地段的较低路堤上。分析冻胀产生的原因主要有以下几个方面:
1)路基基床表面不平整，积水冻结膨胀形成冻胀病害。其最大量很少超过50 mm，一般最多在30 mm～40 mm，多在25 mm以下。形成时间从10月中旬，到11月末便趋于稳定，一般产生在路基基床表面往下30 mm～50 mm左右。
2)碎石或混砂道床垫层不洁，污染严重，混入泥土较多，遇积水产生冻胀。当含泥量为20%～50%时，冻胀量可达10 mm～20 mm左右，道床冻胀在时间上从10月中旬～11月上旬基本稳定。
3)地表水或地下水(或浅层水)对路基土的不均匀浸湿。
4)路堤填土不均匀及路堑基底土质差异，因土的性质及结构不同，从而形成不同的冻胀病害。
5)路基不同朝向形成的不均匀冻胀，如线路走向为东西向时，路基有明显的向阳和背阳坡，使路基填土的冬季含水量和冻结深度发生差异，其结果是出现单侧冻胀。
（如牙林线91km处冰锥冰丘地段，与1956年一季度线路中心突然冻起1.3m，长达50m，曾采取紧急措施防水落道。以后虽经整治，但有时仍有比较严重的冻胀隆起，危及行车安全。又如1973年2月下旬就曾在线路延长10m范围内，钢轨面突然鼓起200mm，致使线路的水平、高低、方向等出现严重超载。牙林线阿乌呢至满归间438km附近，由于受线路右侧约10m处出现的冰丘影响，1973年5约25日线路突然发生水平超限100mm，高低超限42mm，并有严重超限的三角坑。现场除进行人工爆破、防水落道外，曾一度定开满归开往齐齐哈尔的旅客列车，后改为慢行通过；京包、包兰线呼局管界内，属季节性冻土区，年平均气温在7℃以上，历年最低气温低于零下30℃，冻胀病害十分显著。据呼局05年3月份统计的野外冻害调查及现场观测资料，京包、包兰线呼局管界内冻胀量在20mm以上就多达124处，延展米达
5000多米，冻胀量在20mm以下更是达到了近30公里。对铁路运行安全带来严重威胁，严重制约着列车速度的提升[8]。）
3.3 冰害
冰害主要是指在路堤上方出露地表的泉水，或开挖路堑后地下水自边坡流出，在隆冬季节随流随冻，形成积冰掩埋路基面或边坡挂冰，堑内积冰等冰害。是发生在寒冷及严寒地区特有的路基病害，在严寒的多年冻土的去则尤为严重。对于路堑内的工程来讲，路堑地段较路堤地段冰害要多，尤其发生在浅层地下冰发育的低填浅挖及零断面地段的冰害，危及程度更大。对有一定填土高度的路堤，危害程度相对较小。
（例如牙林线依加段140km洪积扇上的一处路堑，1962年春，堑内普遍积冰，致使线路无法通车。白阿线K311、牙林线K437，博林线K52等处，由于积冰掩埋路面，都曾发生脱轨事故。牙林线的青年龄、十年、八里沟、小二坑等4处深路堑，堑内冬季积冰。去其中尤以青年龄路堑最为严重，1964年冬季（临管期间），40天内积冰量即达24000立方米，较长时间内路堑不能交付运营。牙林线阿满段K1158附近，山坡草皮下潜流水在冬季白天流，晚上冻，10~11约积冰量最严重，只得设专人看守。曾发生积冰越过轨面，造成机车脱轨事件。）
3.4 冻融翻浆
“冻融翻浆”（图3-2所示）是寒冷地区路基基床在冻融循环作用下所产生的一种特有的翻浆现象[9]。冻融翻浆的变形时间虽然较短，但在运营铁路线上，往往同一时间、同一地点连片发生，直接危及行车安全。如烟双专用线在1996年春季，一次性发生冻融翻浆17处，长465m，造成基床松软、路肩挤出、道中心与碴肩冒泥，不得不插封锁线路。
图3-2 路基土融化时未化冻土隔水层形成翻浆
翻浆形成原因如下:
1）气候
秋末初冬，形成较大的温差梯度。由于土中薄膜水具有自高温向低温转移的特性，较大的地温差，将使深部的土中水向基床上聚集，结成扁冰体。初冬气候温和，降温缓慢，使冻结线在基床上层滞留时间较长，造成水分向上聚集的有利条件。春寒较长，晚春气温急剧回升，基床上部土融化较快，大量的融冻水分无法排出，又来不及蒸发，形成流塑状泥浆。
2）水源
秋末多雨，冻结前土基原始含水量大。台地区域上层滞水或丘陵区域的层间水丰富，地下水位偏高。土层冻结具“开系统”条件，地下水位在冻层附近。地表排水系统不畅，积水较多，或路基有道碴槽积水，向基床渗透聚集。最后，侧沟积雪较多，春融期又遇降水，造成融冻层湿度恶化。
3）土质
具有较强的毛细作用和渗透性较差的细粒土，薄膜水聚流性能强烈。如B、C、D基床填料中的粉质土和粘性土，在适当条件下，均会产生强烈的聚流现象。
4）动荷载的作用
列车动荷载通过松软基床时，动应力将远远超过基床承载力，特别由于翻浆基床的存在，加剧了列车的冲击作用，成为翻浆冒泥的直接原因。
3.5 铁路路基次生灾害
在路基稳定性方面，也时常面临着各种冻融灾害问题，即不良冻土现象。它包括以冻结过程为主的冻胀丘、冰锥、冰丘等，以热融过程为主的热融湖塘、热融洼地、融冻泥流、融冻滑塌、边坡滑塌、路堤纵向裂缝等[10]。这些现象大都是工程构筑物修建后破坏了原有的水热平衡条件而产生的。这些与冻融过程有关的不良地质现象，当它们威胁到铁路安全运营和工程稳定性时，就演变为破坏铁路路基稳定性的冻融灾害。这种工程灾害主要与地下冰、冻融过程和冻土温度有关。特别是在高含冰量、高温多年冻土的斜坡地带，微弱的工程热扰动可能就会引起冻土区斜坡稳定性变化。对于斜坡地段出现的冰锥、冰丘，对工程的危害非常之大，常会导致铁路运营出现问题。对于路基附近出现的冰锥、冰丘，常会引起路基产生冻胀问题，也应对其给予极大的重视。例如:
1）边坡滑塌，主要是热融滑塌，当冻融作用路堤边坡时，土体的平衡状态改变，产生滑塌。主要原因包括:挖方边坡未采取保护措施，导致边坡的融化加快；排水措
施不合理形成积水或水流加速引起路基冻土融化；以及路堤下路基冻土融。
2）路堤纵向裂缝，是由于路堤的不均匀受力而产生变形，产生原因一般是挖方段地基底部发生条带状融化，或路基不均匀冻胀引起上伏路堤纵向裂缝。
3）冰锥，又称涎流冰，指水在地表冻结而成的地面冰体。主要是由于路堤阻隔了正常的水系而造成水多次流出地面而形成的。
4）冻胀丘，指土的不均匀冻胀作用形成的丘状地形，由于融化层冻结过程中冻结层上水处于承压状态，同时水分发生迁移产生聚冰层，随冻结面向下发展，当冻结层上水的压力大于上覆土层强度时发生隆起而形成的。
这些次生灾害在我国多年冻土区的青藏公路上经常可以发现，在以往对灾害的治理中花费了许多人力资源和经费，总结以往经验和教训，可为当前的铁路建设打下基础。对于这样一些地表敏感性极强的多年冻土地带，工程勘测、设计、施工及养护维修都应引起极大的重视。
第4章路基冻害防治措施
路基冻害是在水、温度、土质的不利组合下形成的。其中土质是内因，水分是条件，温度是媒介，荷载是激发。土质、水、温度是形成路基病害的3个自然因素，只有三者同时其作用才能形成病害。所以，路基冻害的治理可以从这三个方面入手。
4.1 水作用的机理及治理原则
4.1.1 水作用机理
在一定的土质、温度条件下，土中水分的多寡是引起土体冻胀性强弱的基本因素之一，路基中的水的来源主要有地表水、地下水、路基填料中的水等。土中水分在冻结时有迁移现象，即当温度降至土体冻结温度以下时，土中的自由水线冻结成冰粒，温度继续降低，冰粒会吸引土粒表面的薄膜水参与冻结，这样就形成水向低温迁移的现象。具体表现为:当孔隙中的水产生结晶，冰晶体便在这冷区中形成。冻结期间，当通过地表进入土中的冷能与孔隙水结冰而放出的潜热以及下卧未冻土中传来的地热相平衡时，冻结锋面便相对的稳定在某个位置，靠着土颗粒及冰结晶的吸附力把附近的水分子吸附到自身表面，构成一层水膜，新的冰晶又首先从这里产生。这样，在冻结锋面上的冰晶体就不断地增长。土颗粒为了恢复水膜中的吸力和压力的平衡，就要从邻近处，即非冻结土体中的土颗粒束缚水膜，把水分子拉过来，以补充迁移走的水量。这就产生了向冻结锋面迁移的水分子流，以保持冰晶体增长成冰透镜体时能够得到源源不断的水分补给。在冰晶体增长引起土颗粒间距扩展与土粒位移过程中，外界水流侵入且结晶，产生“冰劈”作用[11]，使冻土体分成层理，形成厚度不等的冰透镜体。当冰晶分凝作用远比土颗粒的薄膜水向冻结锋面迁移大时，导致下卧有效水分补给区的土体含水量减小，冻结线前缘的土体产生收缩。由于冻结锋面上得不到水分补给而破坏了其热平衡状态，随着土体温度继续下降，冻结线就继续下移。在到达土体中含水量较多、水分补给充裕地带，又出现新的热平衡状态，冻结线又缓慢地停止移动，冰晶分凝作用又活跃了起来，形成新的冰透镜体。这样，冻结线时而快，时而慢地向着土体深部推进。每阶段都是一直到土的结构、散热速率、向上迁移的土中水分子流束和限制压力之间平衡遭到破坏时，冰透镜体的生长停止，冻结线向前延伸。这样，冻结过程便形成冻土中冰透镜体成层分布的规律。由于冻土中负温度是逐渐降低的。尽管冻结锋面已经向深部推进，但在已冻结土中未冻水膜外界面的水仍具有自
由活动性。随着冻土中温度下降，在冻结锋面后面的冰透镜体就靠着这部分未冻水供给，继续缓慢地扩大。当孔隙水发生结晶并在冻结锋面附近形成冰透镜体和冰夹层时，土体的冻胀就由此而产生。这是土中的水分及从地下水面处迁移来的水分结晶作用的结果。冻结锋面上形成的冰透镜体和已冻结土体内未冻水结晶形成的分凝冰体所产生的冻胀增量构成了土体的最大冻胀量。
当温度生高时，土中冻结部位就会融化，形成沉降。土中水反复冻融，路基就会形成冻融翻浆。另外水还会使路基产生边坡堆塌、冰害、路堑边坡失稳等多种病害。这将严重影响铁路的运营。
4.1.2 治理原则
针对冻害产生的原因，采用综合治理措施。因此治理水因素以截排地表水、地下水、降低路基土体的含水量为原则，使路基土体长期保持通风、干燥。
4.2 排水系统
排水措施具体包括:基床排水——通过基床整形（平整基床及路肩）、挖除道碴陷槽、路肩换渗水性土壤、加设横向盲沟、纵向盲沟、横向排水管等排水；地表排水——通过修建侧沟、天沟、排水沟、排水槽、截水沟等，尽一切可能使地表排水畅通，并将大量地表水由桥梁及涵洞排走；排除地下水——通过截水明沟、渗水暗沟（截水渗沟、边坡渗沟、支撑渗沟）、渗水隧洞等排水；隔水——利用塑料薄膜、聚苯乙烯薄板、聚氯乙烯软板材料制成的隔水层或树脂类注入等方式隔断毛细水的上升厦隔断冬季土冻结时所产生的水分向上迁移。
4.2.1地表排水系统
排水是治理冻胀最常用也是必不可少的一种措施。路基排水设计的任务是针对不同水源，设置相应的排水措施，把影响路基强度和稳定性的水排到路基范围以外的适当地点，将土基湿度降低到一定范围，保持路基处于干燥或者中湿的状态。排水设施有排水沟、侧沟、截水沟（天沟）、急流槽和缓流井等[2]。排水设施能够排除路基两侧积水、渗透、最大程度的减轻路基土体在冻融过程中的各种物理力学性质的变化。但是设置地表排水系统会破坏原有的自然地表，如果不准确掌握地质条件，就可能改变和破坏多年冻土的生存状态，反而引起新的病害。
排水设备的作用是排除路基本体范围内的地面水及自田野方向流向路基的水，并将水导引至铁路过水建筑物或自然沟渠中排走。由于汇水面积一般不大，流量不多，
故除特殊情况外均不作个别水力计算，直接采用规范规定的断面尺寸和有关规定（纵坡和加固等）。
排水设计应首先作好排水规划，规划排水设施平面布置的原则是使地面水尽快通过水沟汇集排除，水沟应尽可能设在距路基本体较近位置，使流向路基的水和降落在路基内的雨雪水均可由此排除。水沟的长度应取短，但如地形起伏，为减小工程量，可按最大纵坡顺地形绕行。水沟的拍水能力，在不允许满溢的情况下，如路堑的水沟、滑坡地区水沟，若流量较大，应作水力计算检算。
1）排水沟
用以排除路堤范围内的地面水。当地面较平坦时，设于路堤两岸，当地面较陡时，应设于迎水一侧（图4-1所示）。当有取土坑时，可用取土坑代替排水沟。排水沟应设在路堤天然护道内。开挖排水沟会破坏冻土影响路堤。根据大量的既有线调查资料表明，开挖排水沟对两侧沟边多年冻土的并影响不大，一般进3～5m左右。而且排水沟水流对水沟两边的影响亦很小。因此，从70年代起排水沟至路堤坡脚（含护道）的距离改为不小于5m。对埋藏较浅的厚层地下冰地段定为距坡脚10m。
图4-1纵向排水沟
排水沟长采用梯形断面（图4-2所示）。根据需要，有时也采用矩形断面。为避免水流冲刷或淤积，水沟纵坡最大不得超过8‰，最小不得小于2‰，困难地段不得小于1‰。水沟纵坡大于8‰的地段，应对水沟的沟身进行加固，防治冲刷破坏。在水沟纵坡变化段、水沟弯曲段尤应注意。
2）侧沟（图4-3所示）。在路堑地段用以排除路基面和路堑边坡面的地面水，设于路基两侧或一侧（半路堑）。
3）天沟（图4-3所示）。用于排除山坡迎水方向流向路堑的地下水。
4）跌水（图4-4所示）主槽底部呈台阶状的急流槽，其结构可有单级和多级两类，每级高差为0.2～2.0m，利用台阶跌水消能。一般应作铺砌防护。
图4-4 跌水
5）急流井
沟底纵坡较陡的水沟，可设计成两段较缓坡的水沟用缓流井连接起来。两段水沟的落水差最大可达15m（图4-5所示）。
图4-5 急流井
6）急流槽
是用片石、混凝土材料筑成的衔接两段高程较大的排水设施。主槽纵坡大，水流急，出口设有消力池、消能槛等消能装置，沟底纵坡可达1:2。设在路堑坡上的急流槽又叫吊沟（图4-6所示）。
图4-6 急流槽
注意:排水沟、侧沟、天沟、边坡平台截水沟等各类排水沟的出口，应将水应将水排至路基以外，以防止水流冲刷路基。路基横坡明显的地段，排水沟天沟可在上方一侧设置。若地面横坡不明显，宜在路基两侧设置。排水沟、侧沟、天沟的横断面，应有足够的过水能力。位于反坡排水地段或小于2‰线路坡道路堑侧沟，其分水点的沟深可减少至0.2m。边坡平台截水沟尺寸，可采用底宽0.4m，深度0.2～0.4m。
7）防渗墙
为防止路基两侧积水渗入路基，在路基坡脚设置隔排水渗墙，以减轻路基外侧积水对线路的影响。尤其是路基两侧积水没有处于同一位置，对路基形成不均匀浸湿，极易发生单冻胀病害，对线路安全运营的威胁更大[7,12]。
防渗墙一般设墙高2.5m，高出路基坡脚1.0m，埋人地下1.50 m，墙宽0.3m，采用C15素混凝土现场浇注，墙两侧设置渗水滤层，滤层共由三层组成，每层厚0.2m，由外往里分别为粗砂、砾石和碎、卵石，滤层底铺设隔水土工布，土工布下设20cm 厚细砂垫层。沿墙长每10 m设伸缩缝一道，缝宽2cm，内填沥青麻筋。它兼具隔渗水及拍水功能，设计中还应注意其底部低排水坡度。（防渗墙大样如图4-7）
寒冷地区路基冻害整治 摘要 青藏铁路格尔木至拉萨段，全长1118公里，其中多年冻土区为632公里。青藏铁路的修建关键问题是,冻土和路基冻害。因此解决冻土与路基冻害对寒冷地区铁路的发展有着尤为重要的意义。 首先，我们总体分析了寒冷地区铁路路基冻害的主要分布地区、类型及形成的原因对铁路运营造成的影响。其次介绍了冻土和冻胀是产生冻害的原因以及冻土的类型地温分区、危害。最后提出了整治各种路基冻害的综合措施和新型材料EPS板。 关键词 冻土（frozen soil) 、路基冻害（frost damage)、EPS材料 序言 第一章路基冻害的影响 路基是轨道的基础,它承受着轨道及机车车辆的静荷载和动荷载,并将荷载向地基深处传递扩散。它必须保持稳定、坚固,这样才能确保铁路高速、高密、高载的良好状态,不出现可能危及线路正常运营的形变。 路基冻害是寒冷地区铁路线路上分布很广,影响铁路安全及正常运营的常见病害,它与寒冷的气候有关,冰冻线能达到相当深度,又涉及到土的特性。在我国东北、西北、西南以及刚刚建成通车的青藏铁路线上都存在这路基冻害,路基冻害因其分布广、时间长、工作量大、影响行车非常严重占首位。哈局、沈局、呼局、兰局等管内大部分都铺设在冻土地带上,路基冻害较为严重。重要表现形式为:在冬季路基土体冻结时,除路基纵断面在短距离地段内产生不均匀冻胀或路基发生冻结裂缝外,还存在这冰锥、冻胀丘、路基融沉及路基边坡滑坍等一些独特的表现形式。冻害发生发展时期,一般从每年10月中旬起至次年7月中旬止完全回落完。对铁路线路影响很大。
每年都会投入大量人力物力来处理路基冻害。根据历年调查统计报告,沈局关内有冻害207处多,其中冻害高50mm~300mm的冻害6处、50mm 以下的冻害198处,冰锥3处。冬季线路冻胀凸起冰锥流水成冰,冰水漫及线路影响行车。为了预防冻害事故的发生,在冬季需派人看守观察组织刨冰,每年仅用于刨冰的工数就达5000多工日。夏季路基融沉病害情况严重,在管内就有200多处严重下沉地段。有的地段融沉很快,几天就的抬道一次,全年累计下沉达200mm~300mm,情况严重的,如潮乌线8km ,在1972年曾发生过5小时内,路基连续融沉达1。4m,造成列车颠覆事故。每年用于路基冻害融沉抬道的砂石料数量就达30000多立方米,使用的劳动里有20000多工日。 可见,路基冻害的存在,不仅增加了维修养护劳动里,影响了正常维护,加大了维修养护的成本,而且使的线路质量下降,使用年限大大缩短,因此如何整治寒冷地区路基冻害减少维修养护工作量,确保行车安全一直受到各级 领导的高度重视。经过多年的研究和实践,总结出了一套防治冻害的措施,实验了多种处理病害的新方法,取得了一系列成果,进一步完善了寒冷地区路基冻害的防治技术,对今后的设计和施工具有重要意义。 第二章冻胀的形成原因 路基冻害是一个物理力学过程，土冻结是由于水热动力变化而产生的应力应变状态。凡温度等于或低于摄氏零度且含有冰的土称为冻土（frozen soil)。冻土冻胀时能够引起铁路线路变形而形成冻害。当以冻胀的土融化时由于融土的透水性和压缩性提高而使其承载力显著下降，当水分过饱和时又会产生路基基床翻浆冒泥等。因此对路基冻土的发展变化规律的研究就非常重要。
寒冷地区路基冻害整治（2006-3） 铁建齐齐哈尔勘测设计院蔡松昆路基冻害是严寒地区影响铁路安全及正常运营的常见病害，它与寒冷的气候有关，冰冻线能达到相当深度，又涉及到土的特性。在哈局管内的各种路基病害中，路基冻害因其分布广、时间长、工作量大、影响行车非常严重而占首位。如何整治路基冻害，减少维修养护工作量，确保行车安全受到各级领导高度重视。 路基表层冻害的防治 一是排水及隔水。其目的在于排除地表水或降低疏导地下水，以及隔断下层水，以消除或减少路基土体的冻胀。具体措施包括：地表排水——通过修建侧沟、天沟、排水沟、排水槽、截水沟等，尽一切可能使地表排水畅通，并将大量地表水由桥梁及涵洞排走；基床排水——通过基床整形（平整基床及路肩）、挖除道碴陷槽、路肩换渗水性土壤、加设横向盲沟、纵向盲沟、横向排水管等排水；排除地下水——通过截水明沟、渗水暗沟（截水渗沟、边坡渗沟、支撑渗沟）、渗水隧洞等排水；隔水——利用塑料薄膜、聚苯乙烯薄板、聚氯乙烯软板材料制成的隔水层或树脂类注入等方式，隔断毛细水的上升及隔断冬季土冻结时所产生的水分向上迁移。 二是改土。其目的是换除路基土体中的不均匀土质或改良土的性质，以消除或减少路基土体的冻胀。 三是隔温。其目的是使冻胀性土脱离冻结层或部分脱离冻结层，从而消除或减少路基土体的冻胀。 路基深层冻害的防治 路基深层冻害产生在路基基床土体的下部。根据均质土体的冻胀情况来看，冻胀强度最大的部位均发生在路基表层，只有当地下水位较接近最大冻结
深度时或在最大冻结深度内时，则最大的冻胀才发生在下部。只有当开式析冰系统时，其下部的冻胀土才产生一定的冻胀，而且冻胀发生在冻结期的后期（约2～3月份）。所以防治深层冻害主要是整治地下水。 多年冻土地区路基的构成，其上部为季节融化层，下部为多年冻土层。所以它除了上部的季节融化层具有季节冻土地区路基冻害的特点外，下部则有多年冻土路基的特殊病害——路基热融沉陷、路基冻融坍塌、路堑边坡热融滑坍及路堤边坡表层滑坍。多年冻土地区路基特殊病害的防治总的概括为两大类：一是在使用中保持土冻结状态的原则（即采用保温措施等），这种原则适用于含冰丰富的冻土或厚层地下冰地带；二是在使用中冻土可以融化或局部融化，或控制融化速度，这一原则一般使用于厚度较薄的冻土层或含冰量局部较大的岛壮冻土地带。 路基冻害成因 牙林线k92+00～k92+845位于岩山—育林区间，为连续并垂直衔接的多年冻土地带，年平均气温-2℃，多年冻土上限为0.9m，线路位于阳坡沟谷地段，地势较平坦，路堤高1.5m，路堑高1.3m，路堤填料为砂粘土。线路右侧有两处积水坑，形成潜流及渗透作用。地表塔头草及灌木丛生，泥炭层厚0.4m，基底冻结上限下降大于1.50m，上限以下为冰土互层（含冰40%）,冬季形成冻害，最大冻高150mm，夏季融后流动路基下沉累计达900mm。下沉时间为7～9月，尤以雨后为大。 地温动态：基底地温明显升高，在路基面以下5m深度范围内，一般较自然地温高2～5℃，多年冻土上限比正常的0.9m下降1.5m，剖面成U型槽，且偏于路基中心的右侧。在基底下地温最低时仍有0～0.3℃的正常温存在。 水温水位动态：凡路基冻害较大及路基严重下沉地段的基底融化槽内均存在自由水，它们由线路右侧的积水坑补给，透过基底，并在基底进行热交换。 上述地质地貌和病害特点可知，基底富冰冻土是路基下沉的内部原因，积水坑水的渗入及积存所引起的热交换作用则是其外部原因。 每年10月份进入冻结阶段，气温逐渐下降到0℃以下，路基土层中的水
铁路路基冻害原因及整治技术探究 摘要: 在高寒地区的铁路路基往往会发生冻害，影响铁路的正常运行。本文就以同煤集团青磁窑铁路专用线路基冻害影响及其整治技术进行一下讲解，分析一下路基冻害形成的原因，针对不同因素造成的冻害，采用的不同的治理措施，希望对今后相关内容的讨论提供一定的参考。 关键词: 路基；冻害；原因分析；防治措施 前言 青磁窑铁路全长9.79km，冻害主要集中在青磁窑专用线2.9km处，该地区干旱少雨，温差较大，最低气温－33.3℃；年平均降雨量为114 ～195 mm，东多西少，大部分集中在7 ～9 月。该铁路的钢轨轨面的最大冻结高度达35 mm，主要是发生在严寒地区的线路段，由于冬季长，这一路段多为冻胀敏感性土；路堤内含水率一般为18 % ～25 %。青磁窑专用线在每年发生线路冻害严重的时间主要集中在12月至次年的2月，严重影响行车安全。因此，应根据不同地段的情况，提出不同的治理措施，消除冻害，确保安全运营。 1 青磁窑线冻害特点调查分析 通过我公司管辖范围内冻害地段的调查可以得出: (1) 经调查，在发生冻害线路段处，排水不良、排水设施损坏、维修养护不及时等问题尤为突出。 (2) 发生冻害地段以粉质粘土和砂粘土为主。 (3) 冻害主要发生在小路堑、低矮路堤、涵洞和路桥过渡地段。 (4) 发生冻害路段的含水率，一般都大于20 %;地下水埋藏较深路段，几乎对冻害无影响；两侧的灌溉农田对冻害影响较大。 (5) 部分涵洞地段由于设计的过水能力不足，导致涵顶有冻害产生。 (6) 部分路段路基下沉，在列车荷载作用下，道碴两侧土垄较高产生冻害。 (7) 冻胀从每年12月底开始，最大冻胀量出现在次年1 月底，2 月为稳定期，3 ～ 4 月开始消融并伴随翻浆冒泥、路基下沉。 2 青磁窑铁路冻害原因分析 形成冻害的因素有: 温度、水分、土质等。线路填料质量较差。由于降水及
新藏公路冻土路基的病害分析与防治 摘要：在多年冻土地区，路基经常发生翻浆、冒泥、沉陷等现象，对公路造成很大的破坏。本文结合新藏公路既有路基病害情况，论述了多年冻土区公路常见病害的产生原因，分析了影响路基冻害的特点及危害，提出了多年冻土地区路基冻害防治措施。 关键词：新藏公路；多年冻土；路基病害；治理 1.引言 国道219线新藏公路k540+000—k651+000沿线分布有连续片状多年冻土，该冻土层构成了区域性较稳定的隔水层，从而使其上部季节性融化层中赋存有冻结层上水（液态），其下的含水层中赋存了冻结层水（固态）。该区域地下水总体可分成冻结层上水和冻结层水，水文地质条件较复杂。由固态地下水构成的冻结层，起着隔水层的作用，随季节、温度等因素的变化，其上部随时还可以转化成液态水的含水层。由于水在固液相转化过程中体积收缩与膨胀差近10%。因此，冻结时体积增大，产生附加压力，引起冻胀；融化时体积收缩引起融陷，会直接破坏路基的稳定性。该段主要是冬季冻胀和春季融沉，冬季路基开始冻结，在负温区内土中的毛细水、自由水先结冻，然后出现水分迁移现象，使土基中水分再冻结发生体积膨胀，出现冻裂或冻胀隆起病害；春季气温回升，土基开始解冻，但由于水分不易向下及两侧排除，使土基过湿，出现凹陷或翻浆病害，并进一步导致路基变形和路基稳定性变化。多年冻土地区的公路路基容易产生冻胀和融沉，严重影响行车条件。因此，对其进行深入研究是非常必要的。 2.多年冻土公路病害影响因素 2.1水文地质条件 2.1.1冻结层上水 路段所在区域的冻结层上水依据含水介质的不同，可分为松散岩类冻结层上水和基岩类冻结层上水两类，与公路工程关系密切的是松散岩类冻结层上水。因多年冻土上限埋藏较浅，冻结层上水发育，寒冬季节该层地下水又全部转变为冻结层下水。冻结层上水包括：(1)基岩类冻结层上水，包括构造裂隙水和风化裂隙水，公路沿线基岩出露段的季节融化层中均有分布。(2)松散岩类冻结层上水，该类地下水接受湖盆周边山岭区大量冰雪融水和少量大气降水补给，赋存于近湖岸基岩层上的坡残积、冲洪积层和湖相沉积层中，由盆地四周向湖心低洼处汇集。公路路基长期处于毛细水上升带或地下水浸泡之下，冬季产生路基冻胀，破坏桥涵基础；夏季冻土融化，引起路基冻融沉陷和翻浆。 2.2.2冻结层孔隙水 在钻探深度范围内，多年冻土上限以下的孔隙水以固态冰存在，地下水冻结成冰加大了岩土体的强度，在保持冻结条件下岩土体物理学性质较好。据采取的 -Na 冰水样进行简分析：其总含盐量为4957.00mg/L，地下水水化学类型为Cl-SO 4型。 2.2气候条件
寒冷地区路基冻害原因分析和整治方法 福前线位于三江平原腹地，西起福利屯站，东至前进镇站，全长226.3KM。路基土质不良，大部分为砂粘土、膨胀土、质泥土，渗透土差，地下水丰富，加之全年平均气温在零下3℃，属寒冷地区。路基土质为冬季冻结、春季开始融化、夏季全部融化的季节性冻土，每年冬季冻害发生频繁。所谓冻害，为土体在冻结过程中因冻胀所引起的病害。由于土中的水在冻结过程中能向冷冻锋锋面迁移，并不断冻结排出冰层，且体积增大9%，即造成土体的冻胀，在融化时又会造成土体的沉陷，由于路基土体在融化过程中存在下卧隔水层还会产生翻浆冒泥等病害。因此，路基冻害是严寒地区分布很广的线路病害之一，路基冻害的存在，不仅给线路养护工作带来一定的难度，而且制约了列车安全、提速、重载目标的实现，抑制了铁路跨越式发展战略的实施。 １前言 冻害是我段以及哈尔滨铁路局管内分布很广，表现非常明显的季节性病害。就我公司气候特点，冻害期一般为每年的10月份至次年5月份（见图1），从冻害的发展，可以将其分为三个阶段，即发生期（10月15日~12月15日），平稳期（12月30日）。 图1冻害发展变化图 发生期，即冻害产生的阶段，这一阶段冻起高度很大，冻高呈正值快速增长，随着气温的降低冻高速度不断加剧，一般以11月15日~12月15日前后为变化迅速阶段，这一阶段对行车安全构成的威胁较大，但其是一个上涨过程，检查人员容易发现，可以及时进行处理。 平稳期，这一阶段气温相对较为稳定，冻害发展变化缓慢，其冻起高度相对稳定，对行车安全的危害较小，但需经常检查线路，以防天气的突然变化。 回落期，亦称冻融期。这个阶段随着天气的转暖，冻害的变化呈负增长
摘要 我国铁路发展迅速，正在向重载和高速发展，随着列车的提速，越来越多的既有线出现了病害情况，如路基病害。路基的病害有多种，如翻浆冒泥、路基下沉、路基冻害等。 我国国土面积较大，冻土面积也大，在寒区修建的铁路因环境恶劣，出现了许多冻害，路基冻害主要有冻胀（主要为不均匀冻胀）、融沉和冻融翻浆。水、温度、土质是路基产生冻害的三因素，治理路基冻害，可采取隔水、换土和隔温等措施。本文通过阐述路基冻害产生的机理来采取不同的治理措施治理，具体措施有排水设施（如排水沟）、保温隔温设施（保温护道、片石通风路基结构、热棒路基结构）和换土措施，在青藏铁路上就采用了热棒路基。又多年冻土地区不良地质较多，如冰锥、冰丘，可通过冻结沟或积冰坑防止冻害发生。冻土地区的环境保护也是至关重要的，它能够减少路基冻害的发生和延长路基的使用寿命。 本设计针对冻土区路基病害的提供了一些治理措施，能有效的保证路基的稳定，不受破坏，可供同类工程借鉴。 关键词:路基冻害冻胀温度治理措施
目录 第1章绪论 (1) 1.1 我国铁路发展现状及存在问题 (1) 1.2 季节性冻土的分布及路基主要冻害 (2) 1.3 国内外研究现状 (3) 1.3.1 国外路基冻害研究现状 (3) 1.3.2 我国路基冻害研究现状 (4) 第2章路基冻害种类 (5) 2.1 按外部表现特征分类 (5) 2.2 按负温总量分类 (5) 2.3 按产生部位分类 (5) 2.3.1 道床冻害形成原因 (6) 2.3.2 表层病害形成的主要原因 (6) 2.3.3 深层冻害的形成 (7) 第3章路基冻害的表现形式及其产生机理 (8) 3.1 融沉病害 (8) 3.2 冻胀病害 (8) 3.3 冰害 (10) 3.4 冻融翻浆 (10) 3.5 铁路路基次生灾害 (11) 第4章路基冻害防治措施 (13) 4.1 水作用的机理及治理原则 (13) 4.1.1 水作用机理 (13) 4.1.2 治理原则 (14) 4.2 排水系统 (14) 4.2.1地表排水系统 (14) 4.2.2 地下排水系统 (18) 4.2.3 其它排水系统及方法 (22) 4.3 温度对路基冻害的影响及治理措施 (26) 4.3.1 温度与路基冻害的关系 (26) 4.3.2 温度在路基中的传播方式及治理路径 (27) 4.3.3 温度治理措施 (27) 4.4 其他路基病害及治理措施 (34) 4.4.1 冰锥、冰丘地段的路基整治 (34) 4.4.2 路堑边坡失稳及治理 (36) 第5章多年冻土地区的环境保护 (37) 5.1 既有线运营中的环境保护 (37) 5.2 多年冻土区环境监测和管理 (37)
铁路路基冻害防治之我见 青藏铁路，是实施西部大开发战略的标志性工程，是中国新世纪四大工程之一。青藏铁路是世界海拔最高、线路最长的高原铁路，东起青海西宁，西至拉萨，全长1956公里。其中，西宁至格尔木段814公里已于1979年铺通，1984年投入运营。由于地势高，大部分地区热量不足，高于4，500米的青藏高原最热月平均温度不足10℃(50)，无绝对无霜期，铁路线路的冻害是分布很广和常见的病害。 摘要：铁路处在大自然中，气候、季节、地理、环境等条件的变化，都有可能使铁路设备受到影响或侵蚀，甚至破坏而酿成事故。青藏铁路处在青藏高原，青藏高原海拔平均高度在4000 m以上，而海拔每增高一千米，气温就下降6摄氏度，所以冻害一直是线路的一大危害，冻害防治工作是工务工作的一个重要方面。 关键词：水利论文期刊,铁路,路基,冻害,防治 青藏高原自然条件十分艰苦，突发性自然灾害时有发生。大自然的变化虽然不以人们的意志为转移，但是，它的变化还是有规律可循的，问题的关键是发现它、掌握它。因此，充分掌握所在地区大自然的变化规律，从预防入手，及时采取有效的对策措施，就能防患于未然，避免或减少自然灾害可能造成的危害。 一、冻害成因 青藏铁路是世界海拔最高、线路最长的高原铁路。青藏铁路沿线地区，几乎全部是在条件非常恶劣的高原缺氧、人迹稀少的高寒地区，平均海拔在4000米以上，年平均气温在-5.6℃―8.6℃。
在严寒地区，路基的冻结膨胀是一种不可避免的自然现象。造成冻害的主要因素是路基基床中水分迁移量，水分迁移是一种极其复杂的现象。影响水分迁移量的主要因素，通常归纳为土、水、温和力四个方面。即：严寒的气温、有冻胀敏感性的土、含有一定量的水和一定的压力，其中水分因素是影响冻胀的主要因素。 二、冻害的分类 在冬季，路基的冰冻，多数是形成较长距离内的均匀冻胀。但在个别地段，则由于局部水文、地质条件的不同，在短距离内产生不均匀的冻胀，这种不均匀的冻胀就会导致线路的不平顺或轨向不良，从而影响设备的使用安全。 不均匀冻胀所形成的局部差异，从线路纵断面上区分，其外部表现形式主要有三种： 1、驼峰状(冻峰)：路基道床在较短距离内的冻胀高度，较大于相邻两地段的均匀冻胀高度，所形成的冻害，其最大凸起量甚至可达300mm。 2、凹谷状(冻谷)：路基道床在较短距离内的冻胀高度，较小于相邻两地段的均匀冻胀高度，所形成的冻害，其最大凹陷量甚至可达160mm。 3、阶梯状(冻阶)：路基道床的两相邻地段，其均匀冻胀高度不同，在两不同冻胀高度的交换点处所形成的冻害，其最大冻胀高度差甚至可达80mm。 三、冻害的防治 1、调查建档 冻害调查是防治工作的开始，调查工作的好坏，关系着冻害的防治
季节性冻土地区铁路路基冻害分类及综合整治 【摘要】季节性冻土地区铁路路基冻害对铁路安全行车威胁很大。本文主要介绍季节性冻土地区铁路路基冻害部位分类，不同冻害采用整治方法及达到的效果。 【关键词】路基冻害；冻害分类；冻害整治；整治效果 呼和浩特铁路局管内线路所处地区均属于季节性冻土地区，冻结最大深度为1.4～2m，铁路路基冻害对铁路安全行车威胁很大，这里主要介绍路基冻害部位分类，不同冻害采用整治方法及达到的效果。 1 季节性冻土地区铁路路基冻害部位分类 1.1 表层冻害 表层冻害特点是：一般隆起高度为10mm～40mm；在呼和浩特铁路局管内地区一般从11月上旬开始，最晚到12月中旬停止发展，来年4月中旬～5月上旬回落完。表层冻害危害主要表现在：可引起路肩纵向高低变形、开裂，造成基床表层土体强度降低，从而引起道碴沉陷，导致轨道纵向高低变形；引起坡面隆起变形、开裂，导致土体强度降低。 表层病害形成的主要原因： （1）基床填料土质不均，致使基床强度不一，在列车荷载作用下，产生不均匀沉降，引起基床面不平整，造成降水不能及时排出，水分渗入到基床土体内，当土层含水量增大且超过了起始冻胀含水量时，基床土体中的水结冰，体积膨胀，同时水分又向冰结封面补给，水分比冻前增加较大，形成冻害。 （2）路基坡面表层为非匀质土。由于路堤填料来源不同，且在填筑时，土层的厚薄和夯填密实度不同，致使填料的结构、层次等条件的不同，在冻期经水分迁移、聚积，其聚流量也不尽相同，产生的冻胀量也不等，从而形成坡面冻害。 （3）气温对土的冻结有一定的影响。受地形、地质、日照及植被覆盖的不同，路堤的不同部位（阴坡、阳坡）其热交换不同，对土中冻结率的影响也不同。在土冻结时，由于表层土温及冻结速率的不同，其水分迁移的聚流量和冻胀量便不相同，产生了冻害。 1.2 深层冻害 路基深层冻害产生的时间较晚，在冻期的后半期产生，呼和浩特铁路局管内地区一般在12月中旬以后，直到冻期末冻害才能停止。深层冻害的产生大多是因地下水的关系，如果没有地下水，即使土质有所差异，下部呈现脱水现象，也
高寒地区的路基冻害处置方法简述 摘要：文章通过对高寒地区地理形成和特点进行分析，并结合的工程实际，针对施工中可能出现的冻胀、翻浆等病害，按照施工规范结合实际情况从施工的角度提出保证路基稳定的简单实际可行的处治方法。 关键词：高寒地区；路基施工；处置方法 1 高寒地带的分布成因及对路桥的危害 1.1 从字面上，结合经纬度理解就不难理解什么是高寒地区。所谓的高寒地区他们有一个共同的特点：海拔、高纬度都较高，而且常年处于低温、冻土常年不化的地区；在我国高纬度的黑龙江、甘肃、内蒙古等省北部地区以及高海拔的青藏高原地区都是我国高寒地区主要分布区。 1.2 在这种地带修筑路桥的危害。在高寒和多年冻土地区，由于季节交替变化使得冻土融冻层的反复冻融，冻土或多年冻土层的消长变化，导致各种不良工程地质现象频繁发生。如果在该地区进行破土开挖施工，就会打破原有地质平衡状态，使得原有土层的天然状态也遭到破坏，尤其是热力学平衡在多年冻土地区带来的影响，这些都会对所修建的建筑物和路基带来潜在威胁和破坏，尤其是在一些高山地区修建路基截断地下含水层，在严寒的气候条件下，地下水边渗
边冻，蔓延到整个道路上，这种现象就是我们常说的涎流冰现象。造成路基的冻胀、翻浆、边坡塌方，如果涎流冰发生在路面上，会使通行车辆翻车，造成车毁人亡和经济损失，而危及行车安全，严重时中断交通。 目前，我国公路建设中在高寒地区所修建的道路路基主的要形式以路堤、路堑和沼泽湿地为主，切且分布不均，范围广，所以如何控制好高寒地区的路基施工质量，直接影响着道路和桥梁的使用寿命，也是保证交通工程质量的关键。 2 高寒地区路基施工处治方法 2.1 冻土区。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质， 在我国冻土分布范围广泛，由于冻土的周期性变化往往会导致道路的沉陷、翻浆、变形、滑坡、破坏等病害。因此在多年冻土地区修建公路、铁路，有一系列的特殊工程地质问题，所以在冻土区筑路必须考虑的工程地质问题，也是当前路基施工的一个热点问题。 2.1.1 保证路基的填筑高度。通过多年在冻土上修筑路 堤工程实践中，通过抬?高路基的填筑厚度是一种经济可行 的措施之一。 只要满足最小高度（采取保护多年冻土原则设计路堤时，能使基底人为上限维持在原天然上限位置的最小高度），就 能减小路面对热量的吸收带来的热量。增大了冻土与周围大气之间的热阻，防止大气热阻力侵入路基内部，从而减少冻
冻土地区路基的主要病害分析与防治措施 兰州交通大学铁道技术学院刘敬旭201120419 摘要:结合青藏铁路的建设,对冻土地区路基的主要病害进行了分析,详细地阐述了冻土地区路基主要病害的防治措主要措施,从而为冻土地区的铁路路基的设计、施工及养护提供帮助。 关键词:冻土,路基,基床,病害 引言： 建设青藏铁路是西部大开发中的重头戏,而冻土( 冻土是指温度在0 ℃以下含有冰晶的土壤和岩石,冻结状态持续三年以上的土层称为多年冻土) 问题是修建青藏铁路最主要的技术难题。青藏铁路全长1 118 km ,海拔4 000 m 以上的地段有960 km ,其中多年冻土地段约600 km ,是全球目前穿越高原、高寒、缺氧及连续性永久冻土地区的最长的铁路,将成为世界上最长的高原冻土铁路。冻土地区路基病害在铁路运营之前很严重,在行车运营后,时隔几年、十几年仍将陆续出现新的冻害,其破坏程度是罕见的,引起路内外工程界人士的关注。 1主要病害分析 1. 1 融沉 融沉是多年冻土地区主要病害之一,一般多发生在含冰量大的粘性土地带,当路基基底的多年冻土上部或路堑边坡上分布有较厚的地下冰且埋藏较浅时,在施工及通车运营过程中各种人为因素的影响下,使多年冻土层局部融化,上覆土层在土体自重和外力作用下产生沉陷,造成路基的严重变形。具体表现为路基下沉,路堤向阳侧路肩及边坡开裂、下滑,路堑边坡滑塌等。融沉的特点有:1) 突然
的大量下沉;2) 周期性的持续下降。 1. 2 冻胀 冻胀是寒区铁路特有的主要病害之一,在季节冻结深度较大的地区及多年冻土地区均有发生,尤以多年冻土地区最为严重。由于地基土及填筑土中的水冻结时体积膨胀产生不均匀的冻胀造成了线路超限。根据铁路部门有关标准,左右两股路轨之间或每股路轨在10 m 以内的变形差不能超过4 mm ,一旦超过这个规定,视为超限,有可能发生火车脱轨、翻车等事故。 路基的冻胀病害是与气温、土质及水源条件密切相关的,主要发生在气候严寒、季节冻结深度较大的地区和多年冻土地区。其土质以细颗粒的粘性土为主,往往富含水分。工程上主要发生在土质的浅路堑和修筑在塔头沼泽积水地段的较低路堤上。分析冻胀产生的原因主要有以下几个方面 （1)路基基床表面不平整,积水冻结膨胀形成冻胀病害。其最大量很少超过50 mm ,一般最多在30 mm～40 mm ,多在25 mm以下。形成时间从10 月中旬,到11 月末便趋于稳定,一般产生在路基基床表面往下30 mm～50 mm 左右。 （2)碎石或混砂道床垫层不洁,污染严重,混入泥土较多,遇积水产生冻胀。当含泥量为20 %～50 %时,冻胀量可达10 mm～20 mm 左右,道床冻胀在时间上从10 月中旬～11 月上旬基本稳定。 （3）地表水或地下水(或浅层水)对路基土的不均匀浸湿。 （4）路堤填土不均匀及路堑基底土质差异,因土的性质及结构不同,从而形成不同的冻胀病害。 （5）路基不同朝向形成的不均匀冻胀,如线路走向为东西向时,
112 YAN JIU JIAN SHE 严寒地区高速铁路路基冻胀整治技术研究 Yan han di qu gao su tie lu lu ji dong zhang zheng zhi ji shu yan jiu 李光辉 我国北方地区的高速铁路，路基会出现不同程度的冻胀情况。本文针对这一问题，展开分析并给予相应的整治方案。 世界各国的高铁路基都不相同，冬天高速铁路路基会发生不同程度的冻胀，会引起路基不均匀变形，这样就会影响高速铁路的运行安全性。本文分析了高速铁路冻害的整治原则，以及整治的方法。 一、路基冻胀问题的成因分析 我国北方地区冬天寒冷、温度极低，会产生高速铁路沿线的冻胀问题。路基冻胀的主要原因是土体中水分凝结在表面，随着冬天温度骤降，土体地表层的温度非常低，而中下层的温度比上层温度高，从而形成土体温度差。土体中水分有三种形态存在，分别是固态、液体、气态。土中水主要是结合水和自由水，在土体温度作用下，土体表面的水分开始结冰，形成聚冰层，使得土体产生了冻胀。冻胀会引起土体体积增加，就是分裂冻胀，如果土体中继续加入水分，那么冻胀程度会加剧。在多样的内力和外力作用下，会使得水分冻胀不断的迁移，引起大面积的冻胀。路基冻胀一般是由土质、水、温度三种情况下共同作用产生的。路基冻害是路基常发性问题，地质条件不好的路段也是冻害的多发地。 二、路基防冻胀措施 通常情况下，具有以下几点防范措施：（1）为路基做好相应的保温工作（2）为路基做好一定的排水工作（3）针对高填方路基应及时进行换填（4）在路基中增加一定量的冻胀垫板（5）在路基中加盐、注盐等相关措施。对于严寒地区的高铁来说，要严格控制轨道的变形问题，因此需要做好路基的冻胀整治工作。针对高铁路基的结构、变形的情况，对变形的原因进行了有效的评价与分析。高铁路基的冻胀变形分为路基的本体和表层冻胀两种情况。对于已经建设完成的严寒地区高铁来说，可以应用“上封下疏、适时监测”的整治策略。具体实施方法为:（1）提高相关监测方法的准确度，对沿线路基存在的冻胀与变形情况进行及时监测，从而及时了解路基实际的冻胀情况， 以路基冻胀整治的现实效果为基础，为线路的正常运营提供一定的指导性帮助；（2）对于重点路基路段的接缝，应使用密封性能较好的材料进行严格封堵；（3）以现场地质实际勘察数据的真实反馈及科学分析为基础，针对在沿线施工过程中存在冻胀问题的路基，需要补充渗水的盲沟，并加强对盲沟地段冬季排水情况的检查，同时要保证其排水的顺畅。 三、路基冻胀整治实施情况 1.高速铁路开通运营前增设渗水盲沟 （1）增设渗水盲沟地段应依据的主要原则如下:①针对路基冻胀比较集中的部分增设渗水盲沟；②针对基床内有积水的路基段落增设渗水盲沟；③应在路桥、路涵的过渡段，或是路堑基床内水纵向流动的部分路基地段增设渗水盲沟；④路堑内，线路纵坡与自然地形的坡度正好相反，容易造成排水障碍的路基地段；⑤地形有利于向路堑积水的路基地段。根据以上原则增设渗水盲沟，按照工程的特点以及路段的特点，加设好渗水盲沟。为了确保高铁线路的正常运行，避免在高铁运行期间出现安全隐患，因此，渗水盲沟的增设施工，需要在高铁运营前做好处理。 （2）据调查，路基工程施工完成后，会影响原始的地形地貌，会改变地表水的流动走向。在勘察中发现，没受到水流影响的地段路基，也产生了不同程度的冻胀。通过分析冻胀的影响因素，得知，在对沿线路基进行补充渗水盲沟后，有效的使水位降低，这样就隔绝了使路基持续冻胀的水源。 （3）增设渗水盲沟的具体实施方法：在原有侧沟的基础上再增加一条盲沟，并将透水的盲管加设在盲沟的底部，并在盲沟内垫上碎石等粗粒石材。增加渗水盲沟可以有效地降低水位，解决地下水上升的情况。但是同时存在的问题是，渗水盲沟的挖掘工作会严重影响路堑边坡的稳固性。最后，使用大型的机械，将线路两侧的原有排水沟进行拆除，对行车会有很大的影响，很难确保运营期间的安全。因此，需要在铁路开通前，完成渗水盲沟的增设工作，避免耽误后期的运营。 2.开通运营后采取封水措施
冻土地区路基的主要病害分析与防治措施 班级：铁道工程技术1101 姓名：刘敬旭 学号：201120419
冻土地区路基的主要病害分析与防治措施 摘要:结合青藏铁路的建设,对冻土地区路基的主要病害进行了分析,详细地阐述了冻土地区路基主要病害的防治措主要措施,从而为冻土地区的铁路路基的设计、施工及养护提供帮助。 关键词:冻土,路基,基床,病害 引言： 建设青藏铁路是西部大开发中的重头戏,而冻土( 冻土是指温度在0 ℃以下含有冰晶的土壤和岩石,冻结状态持续三年以上的土层称为多年冻土) 问题是修建青藏铁路最主要的技术难题。青藏铁路全长1 118 km ,海拔4 000 m 以上的地段有960 km ,其中多年冻土地段约600 km ,是全球目前穿越高原、高寒、缺氧及连续性永久冻土地区的最长的铁路,将成为世界上最长的高原冻土铁路。冻土地区路基病害在铁路运营之前很严重,在行车运营后,时隔几年、十几年仍将陆续出现新的冻害,其破坏程度是罕见的,引起路内外工程界人士的关注。 1主要病害分析 1. 1 融沉 融沉是多年冻土地区主要病害之一,一般多发生在含冰量大的粘性土地带,当路基基底的多年冻土上部或路堑边坡上分布有较厚的地下冰且埋藏较浅时,在施工及通车运营过程中各种人为因素的影响下,使多年冻土层局部融化,上覆土层在土体自重和外力作用下产生沉陷,造成路基的严重变形。具体表现为路基下沉,路堤向阳侧
路肩及边坡开裂、下滑,路堑边坡滑塌等。融沉的特点有:1) 突然的大量下沉;2) 周期性的持续下降。 1. 2 冻胀 冻胀是寒区铁路特有的主要病害之一,在季节冻结深度较大的地区及多年冻土地区均有发生,尤以多年冻土地区最为严重。由于地基土及填筑土中的水冻结时体积膨胀产生不均匀的冻胀造成了线路超限。根据铁路部门有关标准,左右两股路轨之间或每股路轨在10 m 以内的变形差不能超过4 mm ,一旦超过这个规定,视为超限,有可能发生火车脱轨、翻车等事故。 路基的冻胀病害是与气温、土质及水源条件密切相关的,主要发生在气候严寒、季节冻结深度较大的地区和多年冻土地区。其土质以细颗粒的粘性土为主,往往富含水分。工程上主要发生在土质的浅路堑和修筑在塔头沼泽积水地段的较低路堤上。分析冻胀产生的原因主要有以下几个方面 （1)路基基床表面不平整,积水冻结膨胀形成冻胀病害。其最大量很少超过50 mm ,一般最多在30 mm～40 mm ,多在25 mm以下。形成时间从10 月中旬,到11 月末便趋于稳定,一般产生在路基基床表面往下30 mm～50 mm 左右。 （2)碎石或混砂道床垫层不洁,污染严重,混入泥土较多,遇积水产生冻胀。当含泥量为20 %～50 %时,冻胀量可达10 mm～20 mm 左右,道床冻胀在时间上从10 月中旬～11 月上旬基本稳定。 （3）地表水或地下水(或浅层水)对路基土的不均匀浸湿。 （4）路堤填土不均匀及路堑基底土质差异,因土的性质及结构不同,从而形成不同的冻胀病害。