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