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 ℃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