冻土层的形成和控制措施

根据纬度和海拔高度的不同也可以将冻土划分为几类。由地面向下，每年冬季冻结到一定深度，当夏季来临时这一冻结深度又全部融化的土层叫做季节性冻土。如果该土层冬季冻结后，在二、三年的夏季内，才能完全融化的叫做隔年冻土；当土层的冻结状态持续在二年或三年以上，夏季内也不能完全融化的称为多年冻土。我国的多年冻土多分布在东北大、小兴安岭北部、青藏高原及西部高山等地区。在东北冬季长、夏季短，有茂密的森林，为多年冻土的存在提供了条件；而在青藏高原和西部高山则主要是受当地海拔高度的控制，具明显的垂直分带。

在湿土冻结过程中，路基土体中的水分及因冻结向冻结峰面迁移来的水分冻结而引起体积膨胀，使得路基基床土体胀起，通常对这种胀起的现象称之为冻结膨胀（简称冻胀）。

我们管内大部分线路都铺设在多年冻土地带之上，路基冻害较为严重。主要表现形式为：在冬季路基土体冻结时，除路基（纵、横断面）在短距离地段内产生不均匀冻胀或路基发生冻结裂缝外，还存在着冰椎、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月中旬止全部回落完。对铁路线路影响很大。为确保行车安全，每年都必须投入大量人力物力用以处理路基冻害。根据历年调查统计报告，管内现有冻害207处，其中冻害高度50mm～300mm的冻害6处、50mm以下的冻害198处，冰椎3处。冬季线路冻胀凸起，冰椎则流水成冰，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和组织刨冰，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，几天就得抬道一次，全年累计下沉达200～300mm，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，造成机车颠覆事故。每年用于路基融沉抬道的砂石料数量达3万多立方米，使用的劳力有2万多工日。

由此可见，路基冻害的存在，不仅增加了维修劳力，影响了正常维修，加大了维修成本，而且使得线路质量下降，直接影响着行车安全。

因此，严寒地区铁路，做好冻害的防治工作。包括“春融乱道”的防治，是线路养护维修的一项重要工作。

第二节路基冻害防治措施的应用

随着冻土区域工程规模的日益扩大，人们对路基冻害的发生发展规律及其防治措施进行了重点的研究工作。多年来我国科技工作者在路基病害防治研究中，经过不懈努力，积累了一些观测和试验研究资料，并总结出大量的防治经验，为路基冻害整治措施的设计提供了宝贵的依据。如在近年西部大开发战略实施过程中，铁道部根据东北地区冻土实验资料，对大兴安岭地区多年冻土分布的基本特征与青藏高原多年冻土情况进行了比较和论证，并在青藏高原的路基设计、工程施工以及病害防治中进行了借鉴，节省了大量的人力、物力、财力，取得了显著的效果。

随着科技高速的发展，新的建筑材料，新的技术层出不穷，在路基病害防治中得到了广泛应用。为全面提高路基冻害的整治和预防水平提供了有力保障。

第二章路基土体的冻胀规律

冻胀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。冻胀时能够引起铁路线路变形而形成冻害。当已冻胀的土融化时，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。因此对冻胀发展变化规律的研究就极其重要。

第一节土的冻胀

所谓土的冻胀是指含水湿土或非岩质土土壤由于水结晶并生成冰层、冰透镜体、多晶体冰晶等形状的冰侵入体，导致它的内部体积增大而言。

种土体积的增大是由两部分水分结晶所形成：一是土体中冻结前所含的水分结晶，体积膨胀9%；另一部分则是由于负温度下降，造成液相水迁移，起义水量及其本身结冰的体积膨胀，为迁移水量体积的1.09倍。土体冻结前原有含水量所形成的体积膨胀，是有限的。能造成较大的体积膨胀是冻结过程中的水分迁移量及其结冰体积的膨胀。

一、土冻胀的必要和基本条件

土在冻结过程中不是都能产生冻胀的，产生冻胀是有条件的。如果条件充分则其冻胀量大，反之则其冻胀量小或不冻胀。因此土的冻胀，一般应当具有土、水、温及力四个条件。即： 1.1 严寒的气温；

1.2 对冻胀敏感的土;

1.3 土中含有一定量的水分;

1.4 一定的压力。

具备这四个条件并不一定都会产生冻胀，但产生冻胀却必须有这四个必要条件。

实践证明：当已冻和未冻水总体的增量超过了该土体原来无孔隙水的孔隙体积时，才是土冻胀的基本条件。如果无孔隙水的孔隙体积大于或等于结冰水的增量，便不能产生土的冻胀。由此可见，适合于冻胀的土，虽然冻前含水量尚未达到冻胀起始含水量的程度，但在负温条件下未冻结区的水分向冻结区迁移通畅，在一定时间后，迁移水分本身及其冰晶的体积增量能超过无孔隙水的孔隙体积。这时就具备了冻胀的充分条件，冻胀可在短期发生，甚至较大。

二、冻胀机理及影响因素

1、冻胀机理

土冻结时在一定条件下会发生下部土体的水分向冻结峰面转移的现象，即水分迁移，并析出冰层造成冻胀。解释水分迁移的学说很多，目前普遍认为起主要作用的是“薄膜水迁移机理”。物理学认为，由于土颗粒的电分子引力作用及水分子的双极构造，当水和土颗粒接触时，会在土颗粒表面形成一薄膜水层，最里层的水分子吸附力最大，为强结合水，水分子不能自由活动也不冻结；而外围的水层为弱结合水，可以在水分子力作用下运动和在负温下冻结。一般在土中，由于土颗粒间距离很小，甚至互相接触，可以形成公共水化膜，这时它们的弱结合水层便会在土颗粒和水分子引力作用下达到相对的平衡状态。

当上部土体发生冻结时，由于形成冰晶，就从靠近冻结峰面的土颗粒外围的水化膜中夺走一部分水，以恢复平衡，所以在冻结过程中，增长着的冰晶不断地从邻近的水化膜中多走水分，而相邻的厚膜中的水分子又不断地向薄膜补充。这样，不断地依次传递就形成了冻结时下部土体的水分向冻结峰面的迁移。

这个机理还解释了：土中水的冰点一般低于0℃，有一个相转换区；冻土中仍存在一部分未冻水及在一个相当的负温范围内始终发生着冻结现象等的原因。

2、影响土冻胀的基本因素

土冻结过程中的水分迁移是一极其复杂的现象。在这一过程中，影响水分迁移量的主要因素有四个方面，即土、水、温和力。

2．1土质条件对冻胀的影响

冻胀的一个重要物理指标是土的分散性，即表示矿物成分形状，粒度成分及结构特性的土的离散性强度。根据土颗粒同水相互作用的主动性，土具有不同的冻结变形能力。通过大量的现场观测得知：一般情况下，颗粒粒径大于0.1mm组成得碎石、砾石、砂类土，无冻胀性或冻胀很小；颗粒粒径小于0.1mm组成得粘性土有较大的冻胀性；特别是粉、粘粒含量大于15%、容重较小的粉质土冻胀性最强烈。

另外土的密实度对冻胀有着一定影响，在同一含水量下，干容重不同，冻胀系数可相差很大。其变化规律，在相同条件下，冻胀系数随含水量的增大而增大。

2.2水分对冻胀的影响