冻土地区铁路路基设计

冻土地区铁路路基设计手册（新修订）第一节季节性冻土一、季节性冻土的定义表层冬季冻结，夏季全部融化的土（岩）称为季节性冻土。

二、季节性冻土的分类（级）季节性冻土应根据土的类别、冻前天然含水率，冻结期间地下水位距冻结面的最小距离和平均冻胀率分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀五类，详见表18—1。

表18—1 季节性冻土的冻胀分级土的类别冻前天然含水率ω（％）冻结期间地下水位距冻结面的最小距离h w（m）平均冻胀率η（％）冻胀等级及类别粉黏粒质量不大于15％的粗颗粒土（包括碎石类土、砾、粗、中砂，以下同），粉黏粒质量不大于10％的细砂不考虑不考虑η≤1Ⅰ级不冻胀粉黏粒质量大于15％的粗颗粒土，粉黏粒质量大于10％的细砂ω≤12 ＞1.0 粉砂12＜ω≤14 ＞1.0 粉土ω≤19 ＞1.5 黏性土ω≤ωp+2 ＞2.0 粉黏粒质量大于15％的粗颗粒土，粉黏粒质量大于10％的细砂ω≤12 ≤1.01＜η≤3.5Ⅱ级弱冻胀12＜ω≤19＞1.0粉砂ω≤14 ≤1.0 14＜ω≤19＞1.0粉土ω≤19 ≤1.5 19＜ω≤22＞1.5黏性土ω≤ωp+2 ≤2.0ωp+2＜ω≤ωp +5 ＞2.0 粉黏粒质量大于15％的粗颗粒土，粉黏粒质量大于10％的细纱12＜ω≤18 ≤1.03.5＜η≤6 Ⅲ级冻胀ω＞18 ＞0.5粉砂14＜ω≤19 ≤1.0 19＜ω≤23 ＞1.0粉土19＜ω≤22 ≤1.5 22＜ω≤26 ＞1.5黏性土ωP+2＜ω≤ωP+5 ≤2.0 ωP+5＜ω≤ωP+9 ＞2.0粉黏粒质量大于15％的粗颗粒土，粉黏粒质量大于10％的细纱ω＞18 ≤0.56＜η≤12Ⅳ级强冻胀粉砂19＜ω≤23 ≤1.0 粉土22＜ω≤26 ≤1.526＜ω≤30 ＞1.5黏性土ωP+5＜ω≤ωP+9 ≤2.0 ωP+9＜ω≤ωP+15 ＞2.0粉砂ω＞23 不考虑η＞12Ⅴ级特强冻胀粉土26＜ω≤30 ≤1.5 ω＞30 不考虑黏性土ωP+9＜ω≤ωP+15 ≤2.0 ω≥ωp+15不考虑注： 1平均冻胀率为地表冻胀量与设计冻深之比；2盐渍化冻土不在表列；3塑性指数大于22，冻胀性降低一级；4碎石类土当充填物大于全部质量的40％时，其冻胀性按填充物土的类别判定；5ωP——塑限含水率。

三、季节性冻土的工程性质季节性冻土在暖季时，其工程性质与未冻土没有区别，即使在冻结期间，不冻胀土或弱冻胀土对工程的危害也甚微，仍可按未冻土对待，只是冻胀性土（包括冻胀、强冻胀及特强冻胀土）在冻结和融化状态时的工程性质才产生较大的差异，以下所述均指冻胀性土而言。

冻胀性土在冬季地温降至0℃及以下时，土体冻结，体积和强度增大；暖季地温升高，产生融化。

由于日夜温差较大，还会产生白天融化、夜间冻结的冻融循环，致使土体结构破坏，强度降低，在列车动应力作用下，基床翻浆冒泥，路基下沉，而边坡部位在反复冻融作用下，导致边坡失稳，给运营带来极大的危害。

（一）冻胀冻胀，指冻结过程中，土体中水分（包括土体孔隙原有水分及外界水分向冻结锋面迁移来的水分）冻结成冰，且以冰晶、冰层、冰透镜等冰侵入体的形式存在于土体的孔隙、土层中，引起土颗粒间的相对位移，使土体体积产生不同程度的扩张变形现象。

亦即当含水率达到某一程度后，土中孔隙不能满足冰晶自由生长时，冻结才能造成土体膨胀，这时的含水率称为起始冻胀含水率。

土体冻胀必须具备的条件：（1）具有冻胀敏感性的土。

（2）初始水分和外界水分的补给（包括地下水、大气降水、人为活动引起的水源）。

（3）适宜的冻结条件和时间。

这三个条件缺一不可，缺少其中一个条件就会使土体的冻胀性受到抑制或削弱。

1. 影响土冻胀的主要因素影响土冻胀的因素很多，按照我国多年研究与实践，其主要因素归纳为土、水、温度与外界荷载等方面。

（1）土质的影响①颗粒粒径：随着颗粒变细，其比表面积增大，与水的相互作用和土冻结过程中水的迁移能力增强，土壤渗透性减小，至粉粒为主要组成时，冻胀性最强，而到黏粒为主要组成时，由于颗粒表面能的增加的同时，不参与水分迁移和土壤冻结过程的强结合水量也随之增大。

渗透性降低，故水分迁移骤集量反而减小，使得冻胀性减弱。

在水分、温度及冻结条件大致相似的情况下，各类土体冻胀性按下列顺序减弱：粉土>粉质黏土>黏土>砾石土(小于0.075mm颗粒含量超过15%)>粗砂>砂砾石。

②矿物成分的影响；黏性土的矿物成分是决定土性质的首要因素。

黏粒组中的黏土矿物最常见的有蒙脱石、水云母、高岭石，黏土颗粒的矿物性质以及其离子交换能力，就决定着它们同水相互作用的大小，蒙脱石具有较高的离子交换能力和较强的吸水能力，能牢固地结合大量的水分，使毛细管的导水能力变得极弱，所以冻结时水分迁移困难，而使冻胀性弱，高岭石中结合水含量不多，其活动表面积较小，与离子交换能力很弱，亲水性较小，具有较大的可移动水膜，因而冻胀性较大，水云母居两者之间，因此黏性土矿物按其对冻胀的影响排序应依次为：高岭石>水云母>蒙脱石。

对于粗粒土如砾类土、碎石土，不存在矿物成分对冻胀的影响，但粗粒土中细粒含量和成份对冻胀性起决定性作用。

③土中盐分的影响：土体中或多或少存在各种盐分，一般情况下，当土中盐分超过0.5%时，土体的物理力学性质就因而出现变化，超过3%时，土体的物理力学性质就取决于土中盐份分的种类和含量，土颗粒成分的作用就成为次要的。

寒冷地区，土中的盐分直接影响着土的渗透性、冻结温度、冻土中未冻水含量，从而影响土冻结过程的水迁移、改变冻土中的冰—水的界面性状、冻土的膨胀性与强度性质。

试验表明：不论哪种土，其冻胀系数是随土中盐溶液浓度增加而减小。

在地基土中加入可溶盐分，改变土体内部交换性阳离子的组成状况，可显著地减轻地基土的冻胀性。

交换性阳离子控制冻胀性的效果，可按下列次序排列：N a+、K+>C a2+，Mg2+>Fe3+，Al3+④土体密度的影响：土体密度对冻胀性的影响，国内外大量试验表明：三相或二相介质的土体密度对其冻胀性的影响是不同的，一般情况下，三相土体密度增加，只是缩小孔隙，并不改变含水率，但却改变土的饱水程度。

在同一土质，水分条件下，土体的密度较小时，土体密度增大，土中饱和度也增大，冻胀性则随之增强，到某一标准密度时达到最大值，超过这一值后，即在两相体系条件下，导致含水率和水分迁移量下降，冻胀率又随密度的增加而减小，甚至不发生冻胀。

（2）气温的影响气温对土体冻胀的影响主要反映在土体温度的冷却程度和冷却速度。

在一定条件下，土体冻胀起始于某个温度，又终止于某个特定温度，在封闭系统（即无补给水）土体冻胀起始温度及冻胀停止温度，主要取决于土体颗粒成分、矿物成分、含水率及水溶浓度等，土体的冻胀停止温度比土体冻胀起始温度要低。

在开放系统（即有补给水），冬季期间地表温度的变化使土体冻结过程中出现温度梯度，产生水分迁移，只有冻结前缘的温度不断降低，才能诱导水分不断向冻结锋面迁移，冻结速度快慢反映冻结锋面上的冰析量多少。

试验表明，在相同含水率下，冻结速度缓慢的土层冻胀系数大于冻结速度快的冻胀系数，这主要是水分充分迁移的结果。

（3）水分的影响在一定的土质条件下，冻结前的土中水分及冻结过程中的水分迁移量是土体冻胀性强弱的基本要素之一。

试验与实践证明：并非所有含水的土体都会产生冻胀，只有当土体含水率超过起始冻胀含水率时，才能产生冻胀。

图18—1是哈南编组站冻害处理的冻胀率试验结果。

由图18—1（a）可以看出当无水补给的冻胀率7.0小时后基本稳定，仅5.3mm。

而图18—1（b）有水补给时冻胀率随时间不断增加，至50小时，其冻胀率已达44mm，并仍有继续增长的趋势。

t(h) t(h)（α）粉质黏土不补水（封闭）试验 （b ）粉质黏土补水（开放）试验图18—1 冻胀率随时间变化曲线（4）外荷载的影响室内和野外试验的观测资料证明，附加荷载对土体冻胀有明显的抑制作用，附加荷载对土体冻胀的影响：一是降低土体孔隙水结晶的冰点，二是减小水分向冻结锋面的迁移量。

施加附加荷载增大了土颗粒间的接触应力，这些压力施加于冻土中的未冻水，影响着土中水分的相互转变，降低了土体的冻结点，使冻土中存在着较多的未冻水量。

荷载较小时，土在起始冻胀温度下就可发生冻胀，荷载较大时，只有比原起始冻胀温度更低时才出现冻胀。

大庆地区的试验证明，强夯可以有效抑制土体冻胀。

2．冻胀率土体冻胀变形的基本特征值是冻胀率，土的冻胀率与气温、冻前含水率、土的性质及有无地下水的影响有关，一般应进行实测。

目前关于冻胀率的计算，国内外尚无法进行准确的计算。

计算方法有理论分析法与经验公式法，关于理论分析法，主要以水分迁移的动力学原理为基础，以迁移水量计算土的冻胀率，但由于在引起水分迁移的动力学原理和迁移水分在土中运动规律见解不一，因此还没有统一的计算公式。

关于经验公式则主要将某处数年实测资料进行统计分析所得冻胀率的计算式。

当无实测资料，可按《冻土地区地基基础设计规范》（JGJ118-98）中的经验公式计算： 当无地下水补给的条件下：)w w (8.0)w w (209.1p p wd-≈-ρρ=η （18—1） 式中 ——冻胀率（%）；——土的干密度，取1.5g/cm 3；——水的密度，取1.0g/cm 3； w 、w p ——分别为含水率和塑限含水率（%）。

当有地下水补给时，冻胀性提高一级，如地下水位离冻结锋面较近，处在毛细水强烈补给范围之内时，冻胀性提高两级。

3．平均冻胀率η100%n dhZ η=⨯ （18—2）n d h h Z -'=式中 n h ——地表冻胀率（mm ）；d ρw ρηh ——冻层厚度（mm）；Z——设计冻深（mm）。

d冻层厚度的自然地面是随冻张量的加大而逐渐上抬的，设计基础埋深时所需的冻深值自冻前原地面算起的，它等于冻层厚度减去冻张量。

（二）冻胀力对于冻胀性土，在冻结时，产生冻胀的同时，伴随着产生冻胀力，土的冻胀性越强其冻胀率越大，冻胀力越强。

土的冻胀力是土在冻胀过程中所表现出的一种力学性质，它与土的其它物理力学性质一样，是由试验来获得的，它受土质及其有关物理性质，土中水分及其分布情况，土中温度及其温度梯度等主要因素的影响。

根据土体冻胀与建筑物基础间的相互作用关系，将冻胀力分为：法向冻胀力、切向冻胀力与水平冻胀力。

法向冻胀力：垂直于冻结锋面，垂直作用于基础底面，且将基础托起来的冻胀力。

切向冻胀力：垂直于冻结锋面，平行于基础侧表面，通过冻结土与基础间的冻结强度，使基础随着地基土的冻胀变形向上位移而拔起的力。

水平冻胀力：垂直作用于基础侧表面，使其受到水平方向的压力或推力而产生水平位移的冻胀力。

1．法向冻胀力法向冻胀力一般都很大，非一般建筑物自重所能克服的，因此在季节冻土中的路基支挡建筑物的基础不宜置于冻胀性土层上，一般都埋置在最大冻结深度以下不小于0.25m，以免受法向冻胀力的影响，或采取消除法向冻胀力措施，如用非冻胀性的粗颗粒土换填做垫层，将垫层底面置于设计冻深以下。