冻土地区路基的主要病害分析与防治措施

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 C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 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。

1. 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 ,隆冬季节随流随冻 ,形成积冰掩埋路基顶面或边坡挂 冰、

堑内积冰等病害 ,是发生在寒冷及严寒地区特有的路基病害 ,

在严寒的多年冻土地区则尤为严重。

1. 4 冻融翻浆

“冻融翻浆” 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。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 465 m , 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。

（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。

2 防治措施

2. 1 预防性措施

设计通畅的地表排水系统 ,以确保路基不受地表水的侵害 ,注意 在秋末宣泄路基基床附近的积水 ,初春清除积雪。及时清筛脏污的道 床 ,整治道碴陷槽 ,防止道床积水。新线路基要严格使用规范规定的 填料填筑基床 ,土质不良的路堑地段应采取换填或改良土质等措施。 如遇地下水丰富 ,应同时考虑降低地下水水位的措施。

2. 2 导温措施

2. 2. 1 基床保温措施

基底铺设隔温层 ,可以补偿路堤基底因表层植被及泥炭受到压 缩变薄及压实而导致的热传导性能增加 ,亦可减少填土蓄热对基底

的散热影响 ,起到保温效果。隔温材料的种类 ,国外有采用泡沫塑料

隔热板材的 ,但造价较高。东北大小兴安岭地表生长的塔头草及泥炭 层为良好的保温材料 ,可就地取材 ,造价低且施工简便。铺设厚度一 般为0. 2

m〜0. 3 m。基底铺设泥炭层的多年冻土路堤 ，在基底泥炭

隔温层及两侧设置的保温护道的共同作用下 ,基底人为上限上升明

显。

更换基床土为一定厚度的保温材料 ,如炉渣等 ,以调整路基冻结 深度 ,减少基床上冻土的水分聚流现象 ,同时炉渣具有吸着薄膜水和 较好的排水性能 ,可以促使融期基床干燥。炉渣保温层厚度可通过冻

渗理论计算 ,一般不少于 0. 4 m。

2. 2. 2 导温盲沟

导温盲沟也称冷暖盲沟 ,是一种由炉渣横向暖沟与卵石纵向冷 沟联合起来组成的导温方案。 其原理是通过在轨道下基床间隔设置的 横向暖沟 ,使土基冻结滞后。而在轨道两侧设置的纵向冷沟 ,则由于 其填料的温度传导系数大且通风良好 ,使其周围的基床土先行冻结 , 因而 ,轨道下基床土中的水分必然向冷沟附近的冷却区聚集。春融 时 ,冷沟附近冻土及冻体先行融化 ,土中水由纵向盲沟中排出。 这样 整个基床土分期融冻 ,分期冻结 ,使轨道下的基床湿度大大降低 ,并 提高了基床的整体承载力。烟双铁路专用线冷沟设计采用 <40 mm〜 <200 mm 洗净的卵石并包裹土工布代替反滤层 ,效果较好。

2. 2. 3 设置保温护道

多年冻土路堤的另一保温措施是设置保温护道 ,用以减少及削 弱因热传导作用而引起的对多年冻土的影响。 防止向阳坡侧人为上限 的下降和缓和坡侧人为上限的破坏。 以粘性土填筑的保温护道并可阻 挡和减少路堤坡脚处地表水渗入基底 ,防止基底冻土融化 ,保证路堤 稳定的效果。

护道材料宜根据 “就地取材 ,方便施工” 的原则 ,并结合防水 综合考虑。 采用泥炭草皮或细粒土均可。 在需要加强防水的地段以土 护道为宜。

2. 3 土工布、EPS导温垫床

土工布具有隔离、 渗滤、 排水、 加固和强化土体的作用 ,在 整治一般翻浆中已广泛应用。EPS是铁科院铁建所试验研究的一种新 型防冻土工聚合材料 ,由可发性聚苯乙烯贮存 ,予发泡、 成熟处理及 模制过程加工而成的泡沫材料。试验证明 ，密度为45 kg/ m3的EPS

材料 ,吸水率小 ,含气量高 ,导温系数小 ,在受水浸湿时仍有较好的 隔热效果 ,且能满足动荷载为 200 kPa 的强度和变形要求。 近几年已 在寒冷地区整治路基冻害中多处使用 ，效果良好。采用EPS密度45

kg/ m3,外形尺寸为（厚x长x宽）5 cmx 150 cmx 75 c的聚苯乙 烯塑料保温板。 2. 4 保证路堤的最小高度

在多年冻土上修筑路堤 ,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） ,并采取综合的保温措施后 ,一般人为上限最终均能较天然上限 有所上升 ,或保持在天然上限的位置。因此 ,为保持路堤稳定 ,防止 基底人为上限下降 ,需要确定路堤的最小高度。

确定路堤的最小高度 ,需要考虑多种因素。它既与区域气候密切 相关 ,又与填料类别、 地表下泥炭层厚度及以下的冻土介质特性和 采取的保温措施有关 ,但最主要因素是区域气候。国内外有采用公式 计算确定路堤最小高度的 ,但一般都根据调查资料经统计分析后得 出。我国青藏线确定用粘土填筑的最小高度为1. 0 m〜1. 5 m。地下冰 地段采用大值 ,饱冰地段采用中值 ,富冰地段用小值。

2. 5 保护地表植被及泥炭层

在地表多为活地被植物及泥炭层所覆盖 ,这些活地被植物及泥

炭层是多年冻土良好的保温层。因为植物介于大气层和地层之间 ,积 极参与两者之间的热量交换 ,对土的冻结和融化均有很大影响。尤其 夏季 ,植物能遮挡太阳的强热辐射 ,减弱地表的受热程度 ,减少进入 土中的热量。因此 ,植被能降低地表的受热程度 ,减缓和减少冻土的 融化速度和深度。冬季 ,植被使土中的热量不易散发 ,减小疾患土的 冷却速度。植物根系有保持一定水分的能力 ,若为苔藓及泥炭 ,吸水

能力更强。大量的水分蒸发 ,消耗很多热量 ,使相当一部分太阳辐射

热达不到冻土中。同时植物在进行光合作用时 ,也要吸收太阳内能供

其生长发育的能量。这就增加了土的热容量 ,降低了土的导热系数。

由此可见 ,天然植被起着非常重要的作用。

3 结语 冻土路基虽然有许多的病害 ,但只要从设计、 施工乃至养护维 修各个环节都能够充分认识病害的发生机理及其严重性 ,并给予足

够的重视 ,就有理由相信 ,并且实践也已经证明青藏铁路可以担负起 开发西藏、 联系西藏与中东部地区以至世界的重任 ,成为一条全天

候运营的大动脉。

参考文献 :

[1] 郭东信•中国的冻土 [M].兰州：甘肃教育出版社,1990. 13224.

[2] 郭东信.大兴安岭北部霍拉河盆地地质构造在冻土形成中的

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[3] 杨海蓉 .多年冻土地区铁路路基工程 [A]. 铁道部基建总局 . 铁 路工程建设设计科技动态报告文集 [C]. 北京 :中国铁道出版 社 ,1990. 23234.