寒冷地区路基冻害原因分析和整治方法

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趋势，一般每年4月5日~5月30日左右为冻融速度最快阶段，因这一阶段轨道几何尺寸的变化不是很大，检查人员不易发现，因此这一阶段对行车安全的影响最大。

２路基冻害的分类２.１按纵向外部形态分⑴冻峰：路基面在短距离内的冻胀高度大于相邻两地段的冻胀高度所形成的凸起部分（图2）。

图2冻峰⑵冻谷：路基面在短距离内的冻胀高度小于相邻两地段的冻胀高度所形成的凹槽部分（图3）。

图3冻谷⑶冻阶：路基面两相邻地段的冻胀高度不同而在连续处所形成的错台部分（图4）。

图4冻阶２.２按横向外部形态分⑴单侧冻害：沿路基横断面两侧冻胀高度不等（图5）。

图5单侧冻害⑵双侧冻害：沿路基横断面整个冻胀高度大体一致。

⑶交错冻害：在路基纵断面上相邻地段的冻胀高度均不相同形成高低交错的现象（图6）图6交错冻害２.３按冻胀产生部位分⑴道床冻害：由于道床不洁而产生的冻胀，虽不属于路基冻害的范围，但其性质及对线路的影响，与路基冻害相同。

⑵表层冻害：受地表水影响产生的冻胀，发生在路基土体临界冻结深度内上半部分。

一般冻胀高度较小，表现为“早起早落”型。

⑶深层冻害：受地下水影响产生的冻胀。

发生在路基土体临界冻结深度内下半部分。

一般冻胀高度较大，表现为“晚起晚落”型。

2.4 按冻害高度大小分10~25mm为一般冻害，26~50mm为较大冻害，51~100mm为大冻害，100mm 以上为特大冻害。

３路基产生冻害的原因分析路基产生冻害的严重程度与路基土体的土质、水分、温度条件、外部荷载等因素有关，土体只具有上述条件时不一定发生冻胀，若要产生冻胀，还要具备一个基本条件：已冻和未冻水的体积量必须超过该土体中原孔隙水的孔隙体积。

反之，若原孔隙水的孔隙体积小于或等于冻结水的增加量时，冻胀是不会发生的。

3.1路基的冻害变形与土质条件有直接影响粗颗粒的沙砾土具有良好的排水条件，很少产生水份迁移和聚冰作用，冻害变形一般较小。

黏砂土若有地下水补给，则往往发生较严重的冻害，黏土则可能形成较大的冻胀和翻浆冒泥。

3.2路基土体中的水分是形成路基冻害的决定性条件土体的冻胀是因水而形成的，即由两部分水分结晶所形成，一部分是土体结晶前所含水分的结晶（即毛细水结晶），其体积膨胀量为7~9%，另一部分是由于温度降低所造成液态水迁移（水分由未冻结区向冻结面迁移），迁移水量及其本身结冰的体积膨胀的总合，为迁移水量体积的1.09倍。

土体冻结前土体含水量（毛细水）的体积是有限的，能造成较大的体积膨胀的主要因素是冻结过程中水分迁移量及其冻结后的体积膨胀，易冻胀的土体，在负温度作用下，未冻结区的水分向冻胀区迁移，一定时间后，迁移水分本身及其结晶的体积量会超过原孔隙水的孔隙体积，这时就具备了冻胀的充分条件，冻胀可在短期内发生。

反之，如果迁移水分及晶体增量达不到原孔隙水的孔隙体积时，则不会发生冻胀。

3.3气候条件是形成路基冻害的另一个重要条件气候条件主要是指气候的冷热、持续时间、降雨量、降雨持续时间等。

气候条件影响聚冰层的深度、分布，若聚冰层位距路基顶面较深处，一般对路基冻害影响较小。

反之，若聚冰层距路基顶面很近、位于表层，则冻害往往严重，且常引起严重的翻浆冒泥。

3.4路基冻害与冻融过程中土基水热状况的周期性变化紧密相关秋季地表水下渗及地下水位升高，路基上层土壤湿度增加，大量的地表水向路基渗透聚积，如秋雨多，在路基的软弱部位可能出现塑性裂纹或局部蠕动，秋末寒冷早冻，地温形成较大的温度差。

冬季是土壤冻结及水分重分布阶段，路基上层土壤开始冻结与下部教高的地温构成温度差，如地温下降缓慢，下部土中水分向上层低温处转移，产生水分重分布，即聚流现象。

砂黏土、粘砂土和粉质土均会产生强烈的聚流。

春季是路基土壤冻融和变形阶段，在阳光不均衡照射下，路基冻土从温度高的部分向温度低的部分融解。

土基重新湿润，融冻部分含水量全部或部分超过液限，土体重度增大，强度降低，丧失稳定性。

此时，土中毛细通道被尚未融化的冰冻部分所隔断，因而过剩水分滞留在融冻部分内呈流体状，在重荷载振动下这些滞留物从基床翻浆出来，于是轨道由缓慢沉降发展为急剧变形。

当春末夏初路基冻层全部化透，毛细水逐渐渗透与蒸发，基体恢复强度和稳定。

3.5路基基床变形，道碴陷槽，也可以形成路基冻害道碴在基体土质特别软弱处陷入，形成洞穴，由于地表水流入使洞穴周围的潮湿松软，使更多的道碴陷入，形成奇形怪状的道碴囊和道碴陷坑。

由于道碴囊大量积水，使基床土质水份饱和软化成塑状流动体，这样道碴囊与基体成软弱夹层，春融时容易产生顺层滑动和层面滑动。

当大气降水大量渗入土体时，在接触面起软化和润滑作用，导致土体失去平衡从而产生路基挤压、溜坍现象。

冬季特别是高寒地带，塑性流动体发生冻胀，到了春融季节开始融化，由于阳坡面光照时间长、融化快；阴坡面光照时间短、融化慢，所以造成滚动融化，即滚动冻害。

此外，外部荷载、线路不洁、排水不良等因素也会加剧路基冻害的发展。

４预防冻害的措施必须贯彻预防为主，预防与整治相结合的原则，认真做好预防工作。

(1)经常保持道床清洁，防止泥土杂物混入道床，及时清除土垄。

(2)保持路肩和边坡平整，无裂缝，无坑洼积水。

(3)完善地表排水系统，保持各种地表排水设备平顺通畅，排除堑顶、堤脚及附近积水。

(4)定期检查，疏通各种地下排水设备，做到不积水、不堵塞、降低地下水位。

(5)结合其他作业，事先更换或改良不均质土体。

(6)入冬前，做好各项排水设备防寒工作，保持其状态良好，不冻结，无损坏。

准备必需的保温材料，以便随时应用。

在冻害发生后，应详细认真地进行路基冻害的调查，分析冻害形成的原因和规律。

一是从外貌方面调查：冻害发生的部位、形态、高度、起落时间及发展过程；二是进行钻探或挖验：记录土层的类别、厚度、冻土结构、水文地质条件，包括必要的土工实验等。

为整治冻害提供充分的依据。

5 土体冻胀的基本规律冻胀量与冻胀强度冻胀量某一土层在冻结前后的厚度差值，即变形高度。

冻胀强度某一土层的冻胀量与整个冻结土层冻胀量的比值。

5.2冻胀治深度的分布规律由于土层的非均质性和地下水系统的封闭、开敞情况不同，在冻结深度内各个部位土层的冻胀量和冻胀强度都是极不均匀的。

在均匀土层中、封闭系统条件下的冻胀强度分布的基本规律一般如图7所示，为一近似三角形，并可分为厚度相等的上、中、下三层，其冻胀强度分别人：50～60%、30～40%、10%。

在均质土层中若夹有砂层、或在非均质土层中有地下水补给时，冻胀强度图则会有多种多样的形态，如图8。

季节性冻土分类5.3冻结深度的调查及计算方法5.3.1冻结深度的调查可靠的方法是实地勘测，观测的仪器有冻土器、地温计，及直接探验观测。

由于受气温变化的影响及存在的滞后现象，冻结深度是一个变化值。

测试及挖验一定要注明时间，表示当是的冻结深度值。

最大冻结深度出现在最低月平均气温之后，并随冻结深度每增加1m，滞后近一个月，一般在三、四月份。

5.3.2冻结深度的计算《工业与民用建筑地基基础设计规范》(TJ7-74)中的冻结深度计算公式是：Z=0.28√∑Tm+7–0.5(M)式中Z----冻结深度(M)；∑Tm---低于0℃的月平均气温的累计值(取多年平均值)，以正号代入。

这是斯蒂芬公司的简化形式，使用时应根据地区土质的类型，对式中的三个常数进行修正，以获得更好的精度。

6 冻害的整治方法整治冻害必须贯彻和遵循二个原则：一是消除不均匀冻胀。

主要是指消除路基病害地段与相邻地段的冻胀差值，或使这一差值在规定距离内逐步消失，使线路达到合乎要求的标准。

二是综合整治的整体效果。

各种整治冻害措施的目的、作用和效果不尽相同，各有针对性和适用范围。

因此要根据冻害的具体情况分析研究不同措施的互相搭配，注重它们的整体效果，以争取达到彻底根治冻害的目的。

6.1换填法对由于土质不良而造成的路基冻害，且有换填条件时，常广泛使用换填法，以减弱或基本消除路基冻害。

采用的换填材料主要为粗砂、砾石等非冻胀性材料或弱冻性材料，根据我公司多年整治冻害的经验，下列数据可作为参考：⑴换填的土质最好用与两端相邻无冻害地段土层相同的土。

如换砂垫层，一般要求是骨料中小于0.074mm的颗粒含量不超过10%，或小于0.02mm的颗粒含量不超过3%，其塑性指数不小于4。

⑵换土的深度一般冻胀性土层有多深就换多深，若超过冻结线时，则换到冻结深度即可。

并视换入的土与两端相邻地段土质的差异程度进行适当调整。

换土过深或过浅，亦会产生坑洼或冻包。

换土深度的参考值，一般高路堤处800mm,低路堤处600mm，路堑处700mm。

⑶换土的宽度路堤压整断面更换。

路堑及不填不挖地段最好整断面更换，并设置必要的排水设备。

当上层为粘性土，下层为砂性土，换土深度大于粘性土厚度时。

无论有无地下水都可采用槽形换土；年降雨量很小的地区，下卧土层不是砂土的也可采用槽形换土，槽形换土的槽底宽度不得小于2.7M。

（4）换土地段的长度更换长度可与冻害长度相等，也可按下列公式计算：M=L+2L+5式中：M—换土地段总长度（m）；ＩＩ图9槽形换土示意图L—换土长度（m）L—顺坡长度，一般最小8—10m,按下式计算：L0=h/I其中h—均匀冻胀高度（mm）i—顺坡坡度，与行车速度有关，一般为3‰(5)纵断面形式为减少工作量，结合顺坡可将换土的纵断面形式分为两种，如图８所示：倒梯形：适用于冻害长度较长（１０m）以上的情况下。