季节性冻土区高速铁路路基防冻胀设计优化_李先明
严寒地区高速铁路路基设计与施工
严寒地区高速铁路路基设计与施工
钱大桐
【期刊名称】《辽宁建材》
【年(卷),期】2010(000)011
【摘要】针对我国严寒地区高速铁路路基设计与施工进行了探讨,分析了严寒地区影响路基质量的原因,对严寒地区路基施工具有很好的参考价值.
【总页数】2页(P54-55)
【作者】钱大桐
【作者单位】中铁二十局集团有限公司,黑龙江,肇东,151100
【正文语种】中文
【中图分类】U238
【相关文献】
1.严寒地区高速铁路路基密封胶应用研究 [J], 李先明
2.严寒地区高速铁路路基冻胀整治技术 [J], 刘伟平
3.严寒地区高速铁路路基冻胀特性和工程对策 [J], 高菲
4.探讨严寒地区高速铁路路基防冻胀关键措施 [J], 曹敬新
5.东北严寒地区高速铁路路基连续压实技术 [J], 阎有江[1];徐瑞雷[1]
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大西高速铁路季节性冻土区路基冻害成因及整治措施
大西高速铁路季节性冻土区路基冻害成因及整治措施李尚飞【摘要】以大(同)西(安)高速铁路高速综合试验段为例,对季节性冻土区路基冻害主要成因、整治措施及其效果进行研究.针对高速综合试验段路基含水量高、细颗粒含量大、所处区域长期低温而导致路基出现冻胀进行分析,采用封闭轨面渗水裂缝、清理电缆槽泄水孔、增设基床表层排水孔和基床底层排水盲沟等措施进行整治.分析对比病害整治区段同一位置的年度最大冻高数据,证明提出的路基冻害整治措施可行并有效.【期刊名称】《中国铁路》【年(卷),期】2017(000)009【总页数】4页(P109-112)【关键词】大西高速铁路;季节性冻土区;路基冻害;整治措施;高速综合试验段【作者】李尚飞【作者单位】大秦铁路股份有限公司太原高铁工务段,山西太原030013【正文语种】中文【中图分类】U216高寒地区路基冻害一直是交通工程中存在的主要问题，也是影响冻土地区铁路和公路各项技术指标及行驶稳定性的控制因素。
特别是在季节性冻土地区，路基随季节变化而反复出现冻胀融沉现象，容易产生不均匀冻胀，从而导致路基高低不平，严重影响行车安全。
我国季节性冻土分布很广，约占国土面积的53.5%。
研究季节性冻土地区路基土体的冻胀机理，分析其影响因素，寻求合理有效的防治措施，具有重要的现实意义[1-6]。
高速综合试验段（K164+800—K251+466）起自原平西站，经忻州西、阳曲西站至歇子寨大桥台尾，正线全长86.666 km，其中路基长16.798 km，占19.38%。
2015年冬季是大西高速铁路开通后的首个冻融期，进入冻害爆发期，动态检查车检测出的偏差处所急剧上升，全线Ⅱ级偏差平均每日增加10个，Ⅰ级偏差平均每日增加25个。
进入冻害稳定期后，全线发生冻害47处，其中路堑地段占81%，累计4 266 m，平均冻高5.9 mm，初期监测最大冻高15.0 mm。
（1）基床中含有细颗粒。
现场调研发现，基床表层级配碎石中含有大量黏性颗粒，颗粒粒径对土体冻胀影响显著，为基床冻胀提供了条件。
关于季节性冻土地区高速铁路防冻胀填料的建议
关于季节性冻土地区高速铁路防冻胀填料的建议杜晓燕;叶阳升;张千里;蔡德钩【摘要】高速铁路对路基冻胀变形控制提出了新的要求,传统意义上的不冻胀填料的微冻胀已经不能忽略,由此产生了一系列新问题.针对季节性冻土地区路基冻胀对高速铁路平顺性的影响,基于能量最低原理,推导了微冻胀填料的冻胀计算公式,提出了高速铁路微冻胀填料控制方法和建议.同时综合分析了基床表层级配碎石关键参数,提出了严寒地区高速铁路基床表层级配碎石级配优化建议.【期刊名称】《铁道建筑》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】4页(P43-46)【关键词】微冻胀;填料骨架;分析模型;冻胀计算【作者】杜晓燕;叶阳升;张千里;蔡德钩【作者单位】中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081;高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京100081;高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京100081;中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081;高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京100081;中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081;高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京100081【正文语种】中文【中图分类】U213.1+4我国75%国土为多年冻土或季节性冻土。
由于以往对冻土区路基填料的防冻胀性认识不足，致使铁路路基冻胀病害时有发生。
鉴于高速铁路对变形的高要求，在季节性冻土区修筑高速铁路，路基的防冻胀问题尤为关键。
哈大高速铁路基床表层填料为细颗粒含量＜7%的级配碎石，基床底层冻深范围内填筑黏土含量≤15%的粗颗粒土(包括碎石类土，砾石，粗、中砂)或粉黏粒含量≤10%的细砂。
根据《铁路特殊路基设计规范》( TB 10035—2002)对季节性冻土的冻胀分级，这些填料的冻胀等级均为Ⅰ级不冻胀，平均冻胀率＜1%，且对冻前天然含水率和地下水影响均不予考虑。
而东北地区高铁路基冻结深度最大达3 m，如果将1%作为填料不冻胀的控制标准，其产生的冻胀变形量将无法满足无砟轨道变形控制要求。
季节冻土地区高速铁路路基设计
２０２０年４月第１１卷第２期高 速 铁 路 技 术ＨＩＧＨＳＰＥＥＤＲＡＩＬＷＡＹＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＮｏ．２，Ｖｏｌ．１１Ａｐｒ．２０２０ 收稿日期：２０２０ ０３ ０２作者简介：崔维孝（１９６９ ），男，教授级高级工程师。
引文格式：崔维孝．季节冻土地区高速铁路路基设计［Ｊ］．高速铁路技术，２０２０，１１（２）：１１８－１２３．ＣＵＩＷｅｉｘｉａｏ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＨｉｇｈ ｓｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙＳｕｂｇｒａｄｅｉｎＳｅａｓｏｎａｌＦｒｏｚｅｎＳｏｉｌＡｒｅａ［Ｊ］．ＨｉｇｈＳｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２０，１１（２）：１１８－１２３．文章编号：１６７４—８２４７（２０２０）０２—０１１８—０６ＤＯＩ：１０．１２０９８／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８２４７．２０２０．０２．０１９季节冻土地区高速铁路路基设计崔维孝（中国铁路设计集团有限公司， 天津３００３００）摘 要：哈大和哈齐铁路是季节冻土地区高速铁路无砟轨道路基冻胀变形控制方面非常具有代表性的工程，本文通过对两个项目防冻胀设计措施、变形监测结果及相关研究成果的介绍，阐述了对路基防冻结构、防冻层厚度、防冻填料技术要求、路基冻胀变形发展规律等的认识：（１）混凝土基床是特殊条件下的路基防冻解决方案，一般应满足地下水位较高或常年积水且不具备降排水条件的低路堤地段；（２）季节冻土地区采用填料填筑的路基会发生冻胀变形，防冻层填料满足一定要求前提下，冻胀变形不会影响线路平顺性，可以保证高速铁路安全平稳运营；（３）冻胀变形小于４ｍｍ的百分比随着时间的推移逐渐增加是东北地区各条高速铁路路基冻胀变形的共同特点，说明路基抗冻胀变形能力的稳定需要一定的时间；（４）反复出现的大的冻胀变形往往是填料细颗粒含量超标较多或者明显排水不畅的地段。
施工期通过变形监测及时发现可能形成冻害的隐患并进行治理是非常重要的。
关键词：季节冻土；高速铁路；路基；冻胀中图分类号：Ｕ２１３ １＋４ 文献标志码：Ａ ＤｅｓｉｇｎｏｆＨｉｇｈ ｓｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙＳｕｂｇｒａｄｅｉｎＳｅａｓｏｎａｌＦｒｏｚｅｎＳｏｉｌＡｒｅａＣＵＩＷｅｉｘｉａｏ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＤｅｓｉｇｎＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈａｒｂｉｎ ＤａｌｉａｎｒａｉｌｗａｙａｎｄＨａｒｂｉｎ Ｑｉｑｉｈａｒｒａｉｌｗａｙａｒｅｔｈｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｐｒｏｊｅｃｔｓｉｎｆｒｏｓｔｈｅａｖｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓｔｒａｃｋｓｕｂｇｒａｄｅｉｎｓｅａｓｏｎａｌｆｒｏｚｅｎｓｏｉｌａｒｅａ．Ｔｈｒｏｕｇｈｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆａｎｔｉ ｆｒｏｓｔｈｅａｖｉｎｇｄｅｓｉｇｎｍｅａｓｕｒｅｓ，ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｓｅｐｒｏｊｅｃｔｓ，ｔｈｅｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｓｏｆａｎｔｉ ｆｒｅｅｚｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｕｂｇｒａｄｅ，ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆａｎｔｉ ｆｒｅｅｚｉｎｇｌａｙｅｒ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆａｎｔｉ ｆｒｅｅｚｉｎｇｆｉｌｌｅｒａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｌａｗｏｆｓｕｂｇｒａｄｅｆｒｏｓｔｈｅａｖｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｓｆｏｌｌｏｗｓ：（１）Ｃｏｎｃｒｅｔｅｂｅｄｉｓｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｔｏｓｕｂｇｒａｄｅａｎｔｉｆｒｅｅｚｅｕｎｄｅｒｓｐｅｃｉａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈｓｈｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｌｏｗｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｓｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈｈｉｇｈｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｌｅｖｅｌｏｒｐｅｒｅｎｎｉａｌｓｔａｎｄｉｎｇｗａｔｅｒａｎｄｎｏｄｒａｉｎａｇｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．（２）Ｆｒｏｓｔｈｅａｖｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｃｃｕｒｓｉｎｔｈｅｓｕｂｇｒａｄｅｆｉｌｌｅｄｗｉｔｈｆｉｌｌｅｒｉｎｔｈｅｓｅａｓｏｎａｌｆｒｏｚｅｎｓｏｉｌａｒｅａ．Ｉｆｔｈｅｆｉｌｌｅｒｆｏｒａｎｔｉ ｆｒｅｅｚｉｎｇｌａｙｅｒｍｅｅｔｓｃｅｒｔａｉｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓｏｆｔｈｅｌｉｎｅｗｉｌｌｎｏｔｂｅａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｆｒｏｓｔｈｅａｖｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｃａｎｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅｓａｆｅａｎｄｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙ．（３）Ｔｈｅｐｅｒｃｅｎｔｔｈａｔｔｈｅｆｒｏｓｔｈｅａｖｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ４ｍｍｇｒａｄｕａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓａｓｔｉｍｅｇｏｅｓｏｎ，ｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｃｏｍｍｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｓｕｂｇｒａｄｅｆｒｏｓｔｈｅａｖｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｏｒａｌｌｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｓｉｎＮｏｒｔｈｅａｓｔＣｈｉｎａ，ａｎｄｓｈｏｗｓｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｕｂｇｒａｄｅａｎｔｉ ｆｒｏｓｔｈｅａｖｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｂｉｌｉｔｙｎｅｅｄｓａｃｅｒｔａｉｎｔｉｍｅ．（４）Ｔｈｅｌａｒｇｅｆｒｏｓｔｈｅａｖｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｏｃｃｕｒｒｅｐｅａｔｅｄｌｙｉｎｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｓｗｈｅｒｅｔｈｅｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｔｈｅｆｉｌｌｅｒｅｘｃｅｅｄｓｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｏｒｔｈｅｄｒａｉｎａｇｅｉｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｐｏｏｒ．Ｉｔｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｆｉｎｄｏｕｔｔｈｅｈｉｄｄｅｎｔｒｏｕｂｌｅｓｏｆｆｒｏｓｔｄａｍａｇｅｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｉｔｉｎｔｉｍｅｂｙｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄｕｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅａｓｏｎａｌｆｒｏｚｅｎｓｏｉｌ；ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙ；ｓｕｂｇｒａｄｅ；ｆｒｏｓｔｈｅａｖｉｎｇ 随着高速铁路建设的发展，中国高速铁路技术取得了长足的进步，高速铁路运营里程已超过３万ｋｍ。
季冻区高速铁路路基基床表层冻胀机理及冻胀控制研究
季冻区高速铁路路基基床表层冻胀机理及冻胀控制研究季冻区高速铁路路基基床表层冻胀机理及冻胀控制研究随着现代交通运输的快速发展，季冻区高速铁路的建设成为各国政府和企业的重点关注领域之一。
然而，在季冻区高速铁路的建设过程中，路基基床表层冻胀问题成为制约工程稳定性和安全性的重要因素。
冻胀是指高含水量土层在低温季节内由于水分的冻结膨胀引起的变形现象。
在季冻区高速铁路建设中，路基基床表层是最容易受到冻胀影响的部位。
因此，研究路基基床表层的冻胀机理及冻胀控制具有重要的工程意义。
首先，了解季冻区高速铁路路基基床表层的冻胀机理是有效控制冻胀的前提。
而冻胀机理主要涉及土壤自身的物理性质和水分的变化。
季冻区高速铁路路基基床表层中的土质通常具有较高的含水量，当水分遇到低温时，就会发生冻结，从而引起土质的膨胀。
膨胀引起的应力和变形会对基床表层造成不可逆损伤，进而影响铁路的稳定性和使用寿命。
因此，准确理解土质的物理性质以及不同含水量和温度条件下的膨胀规律是冻胀控制的关键。
其次，针对季冻区高速铁路路基基床表层冻胀问题，需要进行有效的冻胀控制研究。
其中，可以采取一系列措施来降低冻胀带来的影响。
例如，可以在路基基床表层增加排水系统，以提高土壤的排水性能，减少含水量，并通过预处理措施，如混合填料等，改善土壤的抗冻胀性能。
另外，通过合理设计路基基床的厚度和施工工艺，使得路基基床在受到冻胀作用时能够承受较大的应力，并通过合理的预压措施来减小冻胀带来的变形。
此外，科学监测和预测季冻区高速铁路路基基床表层的冻胀情况也是十分重要的。
可以通过在工程实践中布设监测系统，对路基基床表层的温度和含水量等参数进行实时监测，并通过数学模型和数据分析技术，预测冻胀行为的变化趋势，以便及时采取相应的控制措施。
总之，季冻区高速铁路路基基床表层冻胀机理及冻胀控制研究是一项复杂而重要的工作，对于确保工程的稳定性和安全性具有重要的指导意义。
通过深入研究土质的物理性质和冻胀机理，结合有效的控制措施和科学的监测预测手段，可以有效地降低冻胀带来的不利影响，并为季冻区高速铁路的建设提供技术支持和保障综上所述，冻胀控制是季冻区高速铁路路基基床表层设计与施工中的关键问题。
季节性冻土地区高速铁路无砟轨道路基冻胀的预防
季节性冻土地区高速铁路无砟轨道路基冻胀的预防王应铭【摘要】T he paper outlines the general features of ballastless track andits reaction to frost hazard. Possible reasons behind,includingclimate,environment,geological conditions,depth of freezing,type of filling,moisture content, subgrade structure and embankment height are studied. Alongside that,it studies issues like line selection,correction of freezing depth,elevation of subgrade surface and anti-frost filling,so as to underline the key topics in experimental study. All in all,the paper intendsto conclude favorable solutions to the frost heaving problems ballastless track suffers in areas with seasonal frozen soil and lay out ground for future study.%围绕季节性冻土地区高速铁路无砟轨道路基冻胀预防问题，简述了无砟轨道的特性及冻害对无砟轨道的影响。
分析了气候环境、地形条件、冻结深度、填料类别及含水率、水、积雪、路基类型、路堤高度等使路基产生冻胀的因素，并重点对线路选线、标准冻结深度综合修正、路基面高程、抗冻填料等进行了论述，提出了有待试验研究的问题。
季节性冻土地区铁路路基冻害及其防治措施
季节性冻土地区铁路路基冻害及其防治措施摘要：在寒冷地区,在铁路路基中经常见到的一种问题就是冻害,特别是在北方区域的铁路路基只要到天气寒冷的时候就会出现冻害的情况,要紧的将对交通安全造成影响。
通常出现的是因为土壤特性的差异而导致的不平均,在道路上出现凹凸不平的形状各异冻包、双股异向冻起、单股侧向冻起等冻害状况,最后因为土壤融冻降低, 水份在土壤中从头分拨,导致路基翻浆冒泥、坡面塌陷、道碴陷槽以及路基沉没等路基问题,削弱了线路水平以及线路上部设备使用寿命,提高了许多的修理资金。
对于不同的冻害现象,经过认真探讨,运用完善的治理方法,保证交通的安全同行。
关键词：季节性冻土；路基冻害；措施引言我国国土辽阔，季节性冻土区占总面积的55%左右，而铁路路基遭受冻土区路基冻胀的破坏，严重威胁了铁路运营的安全。
无碴轨道在寒冷地区的高速铁路路基冻胀难题是一个世界性的问题，现阶段我国铁路行业没有丰富的经验可以借鉴，也没有精确的规范。
根据议事规则维护方式与沉降控制，高铁路基工后沉降要小于15mm，横向结构物交界处如路基、桥梁等工后沉降要小于5mm。
所以说高速铁路极为严格的管控路基变形，路基最大冻胀变形量要小于5mm，这极大的增加了设计和施工难度，同时要保证防冻技术对策的有效性。
1.季节性冻土地区铁路路基冻害部位分类（一）、表层冻害1、路基基床面平整度差，容易积水路基基床面凹凸不平，非常容易导致基床面出现积水的情况，由于基床表面有积水的浸入，土层含水量过大，超出了起始冻胀含水量，水分在表层中结冰，造成体积胀大，冻结锋面又有水分补充，水含量较冻前增加很多，导致发生冻害。
由路基机床面平整性差而造成的冻害，通常在50mm以内，基本在30-50mm之间。
道碴囊和道碴陷槽的深度决定了冻害的深度。
在我国东北一些铁路局管内，通常在路基机床30-50mm的深度范围内。
2、不是匀质特性的表层路基土体因为路堤自身的土质问题来路不一样,还有就是在进行填筑的时候压实的密实程度以及土层中厚与薄也是不一样的;路堑的土体因为是天然的,可是土的掩盖堆放层次以及厚度也完全不一样。
季节性冻土地区高铁路基冻胀规律及防治对策研究
石刚强：季节性冻土地区高铁路基冻胀规律及防治对策研究・99・DOI：10.13379/j.issn.1003-8825.2019.03.19季节性冻土地区高铁路基冻胀规律及防治对策研究石刚强(中国铁路总公司工程质量监督管理局，北京100844)摘要：哈大高铁是世界上首条投入运营的新建高寒季节性冻土地区高速铁路。
通过对哈大高铁路基冻胀监测数据综合分析，研究了路基冻胀发展变化规律，结果表明：路基冻胀发展包括初始波动、快速发展、稳定维持和融化回落期4个阶段，最大冻结深度普遍大于标准冻深；冻胀变形总体可控并趋于稳定，冻胀变形主要集中在表层级配碎石层，较高的路基含水率加剧了冻胀变形。
建议后续路基冻胀防治应对设计冻深根据填料类别等因素进行修正，采用路基基床级配碎石掺水泥不冻胀整体结构，将冻胀观测结果作为沉降评估的重要依据。
关键词：高寒季节性冻土地区；高速铁路；路基工程；冻胀；防治对策；工程质量中图分类号：U416.1+68文献标志码：A文章编号：1003-8825(2019)03-0099-050引言我国季节性冻土主要分布在东北、华北、西北等高纬度地区，占国土面积的53.5%⑴，其中冻深超过1.5m的季节性冻土区域约占国土面积的37%o季节性冻土区的铁路路基因处于开放的大气环境中，经受周期性冻融循环作用，随着寒季填料中水结成冰和暖季冰融化成水，路基面会产生冻胀抬升或融化下沉现象。
当不均匀的冻胀引起轨道几何尺寸超过容许偏差时就形成了冻害，严重影响线路的正常运营。
穿越我国东北地区的哈大高速铁路是我国在高纬度严寒地区设计建设的标准最高的无祚轨道高速铁路，于2012年12月1日开通运营，线路全长903.939km,正线路基长231.245km,其中无祚轨道路基长181.97km。
沿线最冷月平均气温-3.9~ -23.2咒，极端最低温度-39.9最大季节冻土深度93-205cm,每年从10月底开始冻结，次年4 ~5月全部融化。
高速铁路路基基床防冻胀设计问题的讨论
高速铁路路基基床防冻胀设计问题的讨论李成1. 前言季节冻土区，在寒冬季节地表负温的作用下，一方面地表土层中孔隙水冻结成冰，体积发生膨胀（膨胀系数为9％）；另一方面，在降温冻结过程中，下部未冻土层中的水分源源不断地向上部冻结区迁移、聚集，并冻结成冰透镜体，出现大幅度隆胀，其总冻胀变形量变化幅度在100～300mm不等，部分甚至可超过400mm。
无砟轨道高速铁路，对路基变形要求极为严格，工后沉降不超过15mm。
路基与桥梁、或横向结构物交界处的工后沉降差不应大于5mm，不均匀沉降造成的折角不应大于1/1000。
现行《铁路特殊路基设计规范》中的不冻胀土，平均冻胀率η≤1%。
对于德国铁路，最大设计冻深0.7m，对应的最大冻胀量为7mm；日本设计冻深1.5m，对应的最大冻胀量为15mm。
对于最大冻结深度2.05m的哈大高速铁路，按照《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002规定的设计冻深，即便是在其范围内全部采用砾石土填料，冻胀量也可达1.4×2.05×1%×100 = 28.7mm。
为满足高速铁路高平顺的特点，无砟轨道对于轨下系统的变形有着极为苛刻的要求。
处于严寒地区的无砟轨道高速铁路路基工程，由于其对冻胀极其敏感，如何控制冻胀变形，是目前设计、施工乃至后续运营都必须面临的一个重要课题。
本文将从冻胀变形控制的需求、现行路基设计规范的适应性、高铁路基基床防冻胀设计、哈大高铁路基基床冻胀情况分析等方面，对有关路基基床防冻胀设计问题进行讨论，供参考。
2.不同等级线路冻胀变形控制的要求2000年5月1日施行的《铁路技术管理规程》第38条：维修线路的正线、到发线两股钢轨水平面不得大于4mm、10m内钢轨的冻胀差不得大于4mm为依据，将4mm作为冻胀与不冻胀的界限。
2007年4月1日施行的《铁路技术管理规程》第41条：验收线路时，线路两股钢轨水平静态允许偏差见如表2－1。
表2－1 钢轨水平静态允许偏差（2007）线路允许速度（km/h）v≤120 120＜v≤160 160＜v≤200正线及到发线（mm） 4 4 3 道岔（mm） 4 4 3其他线（mm） 62014年11月1日施行的《铁路技术管理规程》（普速铁路部分）第43条：验收线路时，线路两股钢轨水平静态允许偏差见如表2－2。
严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析_石刚强
doi ：10．7522/j．issn．1000-0240．2014．0044Shi Gangqiang ，Zhao Shiyun ，Li Xianming ，et al ．The frost heaving deformation of high-speed railway subgrades in cold regions ：Monitoring and an-alyzing ［J ］．Journal of Glaciology and Geocryology ，2014，36（2）：360－368．［石刚强，赵世运，李先明，等．严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析［J ］．冰川冻土，2014，36（2）：360－368．］严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析收稿日期：2013-10-16；修订日期：2014-04-09基金项目：国家科技支撑计划项目（2012BAG05B00）；中国科学院西部行动计划项目（KZCX2-XB3-19）；铁道部科技研究开发计划项目（2008G006；Z2012-062）资助作者简介：石刚强（1978－），男，甘肃天水人，高级工程师，2001年毕业于兰州交通大学，现为博士研究生，主要从事冻土与寒区工程研究工作．E-mail ：shigangqiang2008@163．com 石刚强1，赵世运2，李先明2，牛永红3（1．兰州大学土木工程与力学学院/西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃兰州730000；2．哈大铁路客运专线有限公司，辽宁沈阳110002；3．中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州730000）摘要：穿越我国东北地区的哈尔滨至大连高速铁路（哈大高铁）是世界上首条投入运营的新建严寒地区高速铁路，路基冻胀防治采用了换填材料、防水等综合措施．为评价冻胀防治效果及路基工程运营状况，通过对哈大高铁开通后首个冻融期（2012－2013年度）路基全线9641个凸台观测点水准人工监测数据综合分析，研究路基冻胀变形发生、发展和变化规律．结果表明：哈大高铁路基冻胀变形包括冻胀快速发展期、冻胀稳定发展期和融化回落期3个阶段，路基普遍发生冻胀但变形处于可控状态；路基的冻胀变形以基床表层冻胀为主，且其程度与路基结构有关；整体上全线过渡段冻胀轻微，路堤次之，路堑和底座板接缝处较为严重．建议后续冻胀整治应以减少路基表水下渗、控制基床表层冻胀变形为重点；类似工程设计中，应增加以桥代路段落，将路基表层改性为不冻胀整体结构．关键词：高速铁路；季节冻土；路基；冻胀；变形监测中图分类号：U213．1+4文献标识码：A 文章编号：1000-0240（2014）02-0360-090引言世界各国高速铁路路基的结构不尽相同，但都要求满足列车高速、安全、平顺运行和线路少维修．路基的稳定和控制变形是高速铁路路基设计和施工的关键［1］，京沪、京广、郑西等多条已经运营的高速铁路都十分重视对路基沉降变形的控制［2－3］．但在季节冻土地区，高速铁路路基建设不仅要控制路基沉降变形，冻胀变形也是影响线路平顺度的突出因素．实际上，涉及到的铁路路基都要经受运营荷载作用下的路基冻融循环作用［4－6］，需要解决冻胀与融沉的问题［7－8］．在青藏高原多年冻土区，青藏铁路“主动冷却”的设计思路成功的解决了高温高含冰量区段路基融沉的问题［9－11］．在季节冻土区，尽管结合公路路基冻胀的研究已经取得了良好进展［12－13］，解决了路基冻胀机理、影响因素及工程处置对策等问题，但在高速铁路设计与建设中，因路基变形控制要求严格，原有规范及冻胀敏感性分类及工程对策都难以满足路基冻胀控制的要求．哈大高速铁路是我国首条、同时也是世界上第一条投入运营的新建严寒地区长大高速铁路，工程于2007年8月开工建设，2012年12月1日开通运营．哈大高速铁路北起黑龙江省哈尔滨市，南抵辽宁省大连市，线路全长921km ，全线铺设无砟轨道，正线路基长231．2km．其中，无砟轨道路基长182km ，穿越东北东部山地、辽河平原和松嫩平原干润季节冻土区．沿线年平均降水量481．8 674．7mm ，最冷月平均气温－3．9 －23．2ħ，极端最低气温达－39．9ħ，土壤最大冻结深度93 205cm ，每年从10月开始冻结，至次年4－5月全部融化．目前，世界上高速铁路建设与运营比较发达的国家没有如此严寒的环境（如德国高速铁路最大冻深为70cm ，日本高速铁路最大冻深为100cm ），因此，哈大高铁路基防冻胀设计与维护都相对缺乏成熟的经验供借鉴和参考．第36卷第2期2014年4月冰川冻土JOUＲNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCＲYOLOGYVol．36，No．2Apr．，2014季节冻土是一种含冰晶的特殊土水体系，存在冬冻夏融的季节活动层，在高速冲击荷载以及季节性冻融过程作用下［14－15］，以冻胀变形为主要表现的路基变形将成为影响哈大高速铁路线路稳定和行车安全的主要问题．哈大高铁路基采用各种方法系统地处置了冻胀防治问题，但由于所处的特殊地理环境，路基冻胀变形还无法完全消除［16－17］．运营期间需要通过对监测数据的系统分析，研究路基冻胀变形发生、发展和变化的规律，对路基防冻胀措施效果、线路状态做出评价，为哈大高速铁路长期运营中的养护维修、工程补强、运营速度变更等提供依据，并为其它正在或将要修建的地处严寒或寒冷地区的高速铁路设计和施工提供参考和建议．1哈大高铁路基防冻胀措施哈大高速铁路在路基设计、施工中除合理选择无砟轨道结构型式、采用以桩网结构为主的地基稳定性工程措施以外，围绕路基冻胀的温度、土质和水三要素，采用了封排结合的防冻胀原则，采取了针对性的路基防冻胀措施［18－19］减小路基冻胀变形．1．1路基防冻胀结构设计路基基床表层采用级配碎石层，基床底层顶部冻深范围内设置路基防冻层，并在路堤基床表层底部和路堑基床底部设置隔水层．路基冻结深度范围内填筑非冻胀性填料［20－22］，基床表层级配碎石要求满足颗粒粒径d≤0．075mm含量不大于5．0%（重量比），压实后不大于7．0%；防冻层内采用颗粒粒径d≤0．075mm含量不大于15%的不冻胀A、B组填料．优化路基基床结构，在对防冻层顶面找平、复压收光表面后，直接铺两布一膜不透水土工膜，其上铺一层5cm厚中粗砂，沈哈段级配碎石厚度相应增厚15cm［23］．1．2路基基底换填和设置防冻胀护道低路堤及路堤式路堑地段基底进行换填［24］并设置降水设施．对于沈哈段冻深较深部分路段，为防止冻胀破坏路堤边坡，当路基填土高度大于3m 时，在路堤边坡两侧设置防冻胀护道［25］，护道高度和宽度不小于当地季节最大冻深．1．3路基过渡段特殊设计过渡段采用了不同的特殊设计型式，沈大段基本采用倒梯形，沈哈段则采用了正梯形进行二次过渡，填料为掺3% 5%水泥的级配碎石．对于结构物之间的短路堤，为避免多次过渡使刚度变化不均匀，采用加强措施按过渡段施工一次过渡到位．根据涵洞对路基周围温度场影响、最大冻结深度影响范围［26］填筑掺水泥填料，以保证过渡段路基稳定性、消除差异变形．1．4防冻胀排水系统设计路基表面设置防止地表水下渗的纤维混凝土防水层，轨道板底座外边缘至电缆槽采用现浇6 10cm厚的C25纤维混凝土，对路基面及轨道板底座各接缝进行封闭处理；优化线间排水方案，由集水井改进为混凝土底座预埋排水管方式向外排水［27］；根据不同情况设置排水侧沟、渗管及渗水暗沟，地下排水设施出水口采取防冻保温措施．2哈大高铁路基变形观测方法沿线路方向50m左右布设一个监测断面，每个断面分别在线路左、右线凸形挡台及路基左右两侧路肩上各布设1个测点，共4个监测点．全线共设置凸台观测点9641个，其中，路堤3128个，路堑2112个，过渡段4401个．凸台为混凝土刚性结构，其变形即代表线路中心路基的总体变形．考虑到路基冻胀对水准点的影响，利用路基两端大桥及路基中间小桥或涵洞顶上的CPIII点为水准基点建立监测高程控制网，用精密电子水准仪自动记录观测模式进行二等水准人工高程测量，系统观测全线路基变形．作业前及作业期间按规定对仪器进行检校，夜晚温度在－20ħ以下时对观测仪器采取保温措施．根据气象资料确认冻融不同阶段的路基冻胀变化时间，综合考虑监测频次和利用营业线天窗时间进行观测等情况．2012－2013年周期全线共开展了4期人工观测，一般一个观测周期为15d左右，第一次在2012年11月初，其观测结果作为初始值（第1期数据）；随后，在2013年1月初（第2期数据）、2013年3月初（第3期数据）和2013年5月初（第4期数据）分别进行了3次人工观测．3路基变形观测结果分析3．1冻胀变形随时间变化特征在季节冻土区，冬季随着气温的逐渐降低，路基土体从表层开始冻结，向下逐渐延伸，最终达到最大冻结深度，并产生冻胀变形．表1和表2为根据路基变形值（前、后两期人工观测高程之差）和结构类型，统计的2012－2013年周期路基凸台观测点变形数据所占百分比（表中数据冻胀变形值为正，沉降变形值为负）．1632期石刚强等：严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析表1全线不同结构路基冻胀变形统计Table1The frost heaving deformation values of different structural subgrades变形值/mm1 2周期数据/%全线路堤路堑过渡段1 3周期数据/%全线路堤路堑过渡段2 3周期数据/%全线路堤路堑过渡段≤460．845．558．272．961．145．659．173．097．097．092．999．00 4 619．425．319．615．117．123．114．814．12．12．54．40．75 6 89．612．910．07．010．115．19．56．80．630．32．10．14 8 105．48．35．63．25．57．56．23．80．20．10．50．07 10 122．64．42．91．33．14．44．11．60．050．10．050．02≥122．23．63．70．53．14．36．30．70．0200．050．02表2全线不同结构路基融沉变形统计Table2The thawing settlements of different structural subgrades变形值/mm1 4周期数据/%全线路堤路堑过渡段3 4周期数据/%全线路堤路堑过渡段≤－50．60．60．60．734．348．437．622．6－5 －212．612．113．812．537．438．634．737．9－2 －121．017．026．821．014．38．014．318．7－1 035．437．133．135．29．53．38．214．50 123．426．119．023．63．21．42．44．91 25．24．74．65．90．90．21．91．02 51．72．32．01．10．40．10．90．4≥50．10．10．10．00．00．00．00．图1典型断面路基冻胀发展变化时间曲线Fig．1Frost heaving on a typical subgrade section changing with time分析表1和表2数据可知，哈大高铁沿线大部分监测断面的冻胀变形随时间发展变化规律基本一致，其冻胀发展变化过程大致分为冻胀快速发展、冻胀稳定发展、融化回落3个阶段．2012年11月至2013年1月间为1 2周期，表现为冻胀快速发展期，但部分地段10月底开始冻结．路基冻结后，冻胀变形快速增大，路基冻胀量基本在这一时间段内完成．2013年1－3月间为2 3周期，表现为冻胀稳定发展期，在这一时间段内，路基冻胀变形在达到最大后值基本保持不变，路基冻胀处于稳定状态，只有个别段落路基冻胀继续少量增长．1 2周期和1 3周期数据冻胀变形值各量段分布比例比较接近，这个阶段为整个冻融循环的前半程，即冻胀阶段．3 4周期（2013年3－5月间）为冻胀的融化回落期，这一时期路基变形95．5%为负值，说明这一时间段内路基发生了冻胀全面回落现象．从1 4周期的观测对比数据来看，全线路基变形量在正负2mm间的测点占总测点的85．0%，全线变形大于2mm的测点仅占1．8%，说明全线路基经过一个263冰川冻土36卷冻融循环后绝大部分回落到初始状态，回落幅度与冻胀高度基本一致；极个别地段产生了一定的冻胀残余变形，没有恢复到初始状态．这个阶段为冻融循环的后半程，是冻胀的反向过程，即融化阶段．典型断面的路基冻胀随时间发展变化曲线见图1．3．2冻胀变形与路基结构关系从表1中1 3周期的观测对比数据来看，全线路基冻胀量≤4mm的测点占总测点的61．1%，全线冻胀量＜8mm的测点占88．3%，全线冻胀量＞12mm的仅占3．1%，平均冻胀量约5mm．说明已采取的路基防冻胀措施发挥了有效作用，全线路基的绝对冻胀量大部分处于较低水平，处于可控状态．通过运营部门正常的维修和养护，线路状态整体平顺稳定，开通后的首个冬季在110d里经受了冬季持续低温和30多次雨雪天气的严峻考验，全线没有出现Ⅲ级及以上超限和临时限速，行车安全平稳．从1 3周期不同路基结构的统计数据还可以看出，当冻胀量≤4mm时，其比值关系为过渡段＞路堑＞路堤；冻胀量处于4 10mm时，其比值关系为路堤＞路堑＞过渡段；冻胀量＞10mm时，过渡段的比例要远远小于路堤和路堑地段，其中路堤段比例也小于路堑段．说明全线冻胀程度与路基结构存在内在联系，路桥、路涵过渡段绝大部分为轻微冻胀，出现冻胀峰值的比例远远小于路堤和路堑地段；路堤地段冻胀变形也普遍小于路堑地段；路堑地段出现冻胀峰值的比例比路堤地段稍大，冻胀量极值也出现在路堑内．另外，从2 3周期不同路基结构的统计数据可以看出，冻胀量在1月初后发展的比例为路堑＞路堤＞过渡段，说明路堑后期冻胀发展的比例远高于路堤和过渡段，与路堤相比存在冻胀滞后现象，这与路堑的特殊结构及存在水分补给有关．3．3路基分层冻胀特征路基分层总冻胀量就是在整个冻结期间该分层土体产生的所有冻胀量的累积，根据以往研究结果，路基分层总冻胀量沿冻结层深度逐渐减小，在封闭系统下，80%左右的冻胀量是由路基表层到2/3冻结深度内土体产生［13］．根据哈大高铁路基结构特征，可以将路基冻胀变形大致分为路基上层冻胀变形（基床表层级配碎石层冻胀）和路基下层冻胀变形（基床底层和路基本体冻胀）．在第2期人工观测时，沿线平均冻深在1m左右，考虑到路基冻胀变形存在一定的滞后时间，因此，1 2周期的观测数据基本反映了路基上层的冻胀变形情况，2 3周期的观测数据反映了路基下层的冻胀变形情况．从表1中2 3周期的观测对比数据来看，97．0%的测点冻胀增值在4mm以下，说明冻胀主要在1 2周期完成，全线路基的冻胀变形以上层冻胀为主，基床表层级配碎石层冻胀量占总冻胀量的平均值为64%，最大达到90%以上．这是由于基床表层底部两布一膜隔断层的存在，冻融季节时表水在此汇集后不能有效向外排出，导致隔水层上部的路基级配碎石层发生较强烈冻胀变形，受不同地质、水文条件和填料影响，其冻胀量存在一定的波动．同时，两布一膜对减小路基下层的冻胀发挥了积极的作用，路基后期冻胀量增长较小．哈大高铁全线穿越季节冻土区，其中大连-营口段为东北东部山地干润季节冻土亚区，营口-公主岭段为辽河平原干润季节冻土亚区，公主岭-哈尔滨段为松嫩平原干润季节冻土亚区．从气温来分，沈阳以南属于寒冷地区，沈阳以北属于严寒地区．表3为按哈大客专沿线季节冻土区域分布及气候分区情况，将观测数据按大（连）-营（口）、营（口）-沈（阳）、沈（阳）-公（主岭）、公（主岭）-哈（尔滨）分4个区段进行统计．对比表3中1 2周期观测数据，大连-营口段冻胀变形小于4mm的比例占81．4%，几乎为其他3个区段的两倍，说明路基上层部位的冻胀变形与区域冻深有较密切的关系．冻结指数小的地段，其路基上层冻胀变形小；冻结指数大的地段，其路基上层冻胀变形大，且占路基冻胀变形的绝大部分．从2 3周期数据来看，各区段的冻胀增值没有因地域的改变而改变，而是与全线整体水平基本一致，路基冻胀变形（即上层冻胀）大部分在2013年1月以前已完成．轨检车动检数据Ⅱ级超限处所的分布范围也与人工观测数据相对应且基本固定，说明路基上层冻胀变形稳定后，其线路状态也基本稳定，路基下层冻胀变形对线路状态影响相对较小．因此，控制路基上层冻胀变形尤其是路基基床表层的变形，是后续冻胀整治、线路维护的重点．3．4冻胀变形沿线路变化特征2012年2月采用轨检小车和CPⅢ精测网对全线路基轨面高程进行了复测，结果与2011年冻结期前的测量数据进行对比，其差值视为2012年的冻胀量．沿线路方向将路基每20km划分成一个区段，图2为2013年人工观测和2012年复测后各区段内路基冻胀量的最大值、平均值分布和变化3632期石刚强等：严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析表3不同气候区路基冻胀变形统计Table3The frost heaving deformations of subgrades in different climate zones变形值/mm1 2周期数据/%大连-营口营口-沈阳沈阳-公主岭公主岭-哈尔滨2 3周期数据/%大连-营口营口-沈阳沈阳-公主岭公主岭-哈尔滨＜481．440．052．735．197．293．497．9094．4 4 610．121．826．418．31．84．81．703．4 6 84．016．912．611．10．61．20．262．2 8 102．210．35．713．00．20．30．120．0 10 121．56．01．89．10．10．30．020．0＞120．85．00．813．40．10．00．00．图2路基冻胀变形沿线路变化情况Fig．2The frost heave deformations of the subgrades along the railway情况．哈大高铁路基由南到北，冻结期逐渐变长，冻结指数和冻深基本沿线路方向呈增加趋势，扶余土壤最大冻深达到2．05m．哈大高铁开通后的第一个冬季，受强冷空气影响，低温天气持续时间长，沿线最低气温达到－35ħ．由图2可知，最大冻胀量、平均冻胀量沿线路方向波动变化，2012年全线路基最大冻胀量在沈大段，2013年最大冻胀量在沈哈段．虽然沈哈段路基冻深普遍较大，但监测断面大部分最大冻胀量与沈大段相当，平均冻胀量略大于沈大段，说明冻胀和冻深之间联系不紧密．此外，2013年路基平均冻胀量整体大于2012年的水平，这可能与2013年入冬较早、平均气温偏低有一定关系，但是绝大多数路基冻胀峰值又明显小于同地段2012年的水平．说明路基冻胀在采取增设盲沟、改善表层防排水条件等一系列措施后得到了一定程度的抑制和缓减，冻胀变形较2012年相对均匀．从表3统计数据来看，对于沈大段、沈哈段来说，虽然路基冻胀量≤8mm的总比例基本一致，但是沈大段≤4mm的比例要明显大于沈哈段，主要集中在大连至营口段；冻胀量在4 6mm、6 8mm间的比例沈大段要明显小于沈哈段．营口至沈阳段、公主岭至哈尔滨段虽然路基段落和长度较少，但冻胀变形大于8mm的比例较高，2012、2013年两个区段冻胀峰值均在营口、长春附近出现，在后期监测和养护维修中需要重点关注．3．5路基填料改性对冻胀变形影响哈大客专路基路涵、路桥过渡段采用倒（正）梯形设计，填料采用级配碎石掺3% 5%的水泥进行填筑．从全线路基冻胀变形总体统计情况看出，1 3周期路桥、路涵过渡段冻胀变形≤4mm的比例为73%，要明显大于其他路基地段，而＞4mm 的比例要明显小于其他路基地段，说明过渡段路基冻胀变形相对较小；2 3周期过渡段冻胀变形≤4mm的比例为99%，冻胀变形在后期达到稳定后没有继续发展．同时对路桥过渡段距桥台10m 内和10m外的凸型挡台变形观测值分别进行统计，从表4可知，距桥台10m内变形≤4mm的比例明显大于距桥台10m外的冻胀变形，其他量值范围在距桥台10m内变形基本均小于距桥台10m外的冻胀变形，说明冻深范围内全部比局部（基床表层）463冰川冻土36卷为级配碎石掺水泥地段冻胀变形要小．哈大客专在设计过程中，对于个别短路基地段的基床表层（厚0．4m）直接采用级配碎石掺水泥进行填筑，全线共有4段路基基床表层采用级配碎石掺水泥进行填筑，有2段路基（K900和K1002段）基床部分（厚2．7m）填料全部采用级配碎石掺水泥进行填筑以满足这些段落路基与刚性结构物之间的过渡．表5为级配碎石掺水泥路基段落变形情况统计，从表5可知，82个观测断面中仅1个监测断面冻胀变形值稍大于4mm，所有段落的冻胀量与附近路基相比明显较小；基床部分填料全部采用级配碎石掺水泥进行填筑地段，64个观测断面最大冻胀量仅0．4mm，路基总体变形表现以轻微沉降为主．综上，采用级配碎石掺水泥填筑的过渡段和短路基的冻胀量明显小于一般路基地段，且基本都在4mm以下．因此，采用级配碎石掺水泥改性填料填筑路基，是减小路基冻胀的一种有效工程措施，在后续严寒地区或季节冻土地区高速铁路设计中，将路基基床表层或冻深范围内路基改性为不冻胀整体结构的思路是可行的．3．6冻胀变形与板缝对应关系全线凸台测点中，有3921个测点与该处底座板的伸缩缝位置相对应，5720个测点处无伸缩缝．表6为全线路基冻胀变形与板缝对应情况统计，根据表6中1 3周期的观测对比数据来看，路基冻表4过渡段路基冻胀变形统计Table4The frost heaving deformations of subgradesin transition sections变形值/mm距桥台10m外过渡段/个数/%距桥台10m内过渡段/个数/%≤427787．923591．14 6175．5124．76 8123．862．38 1061．920．810 1200．000．0＞1230．931．1表5级配碎石掺水泥路基段落变形情况统计Table5The deformations of the subgrades with graded crushed stones and cement admixture 段落里程长度/m断面/个最大值/mm最小值/mm平均值/mm K135段157．1172．8－1．01．3 K138段85．6134．02．73．4 K140段94．6462．60．81．4 K145段72．0024．40．422．4 K900段39．0040．4－0．7－0．2K1002 K1005段3300600．4－2．7－0．5表6路基冻胀变形与板缝对应情况统计Table6The frost heaving deformations of the subgrades in corresponding with the base-plate jointing parts 变形值/mm1 2周期数据/%1 3周期数据/%2 3周期数据/%与底座板接缝关系≤453．856．996．80对应4 621．018．32．20对应6 811．711．00．60对应8 107．16．20．30对应10 123．53．60．07对应＞122．94．00．03对应≤465．563．897．10不对应4 618．416．62．10不对应6 88．29．40．64不对应8 104．25．00．12不对应10 122．02．80．02不对应＞121．72．40．02不对应5632期石刚强等：严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析胀量与是否位于底座伸缩缝处存在一定的对应关系．当冻胀量≤4mm时，其比值关系为对应＜不对应；冻胀量＞于4mm时，其比值关系为对应＞不对应，且比值随着冻胀量的增大而增大．说明全线冻胀程度与底座板接缝存在必然联系，底座板接缝处的路基冻胀程度和比例要大于非接缝处．受冻融期雨雪天气和座板伸缩缝封缝不良影响，接缝处存在地表水下渗途径和水分补给来源，为冻胀后期继续发展提供了条件，加剧了该处路基冻胀发生，造成对应于伸缩缝处路基的冻胀量大于不对应处路基冻胀量．另外，根据表6中2 3周期的观测对比数据来看，冻胀量增值＞8mm的测点几乎全部位于底座板接缝处，但当路基完全冻结后，地表水下渗途径被切断，路基冻胀变形发展与地下水补给有关．所以，冻胀变形与板缝不再对应关联．4结论通过对哈大高速铁路路基冻胀变形首个冻融循环周期全线监测数据的分析，得出以下结论：（1）沿线路基监测断面的冻胀变形随时间发展变化过程大致分为冻胀快速发展期、冻胀稳定发展期和融化回落期3个阶段．路基冻胀变形在迅速增长达到峰值后基本保持不变，经过一个冻融循环后路基基本恢复至冻胀前的初始状态．（2）全线路基虽普遍发生了不同程度的冻胀变形，但绝对冻胀量较小，处于可控状态，已采取的路基防冻胀措施发挥了有效作用．路基冻胀程度与路基结构存在内在联系，用级配碎石掺水泥填筑的过渡段和短路基冻胀较轻微，路堤次之，冻胀量最大值出现在路堑内．底座板接缝处的路基冻胀程度和比例要大于非接缝处．（3）全线路基的冻胀变形以基床表层冻胀为主，路基冻胀变形大小沿线路方向波动变化，与冻深没有密切关系．（4）减少路基表水下渗、控制基床表层变形，是后续冻胀整治、线路维护的重点．并建议在季节性冻土区高速铁路设计中，增加以桥代路段落，将路基表层改性为不冻胀整体结构（采用级配碎石掺水泥或素混凝土），以减小路基冻胀的发生．参考文献（Ｒeferences）：［1］Ministry ofＲailways of the People'sＲepublic of China．TB 10020－2009，Code for Design of High SpeedＲailway［S］．Bei-jing：ChinaＲailway Publishing House，2009．［中华人民共和国铁道部．TB10020－2009，高速铁路设计规范（试行）［S］．北京：中国铁道出版社，2009．］［2］Lu Zuwen．Key technical problem of high-speed railway infra-structure［J］．ChineseＲailways，2004（8）：11－13．［卢祖文．高速铁路基础设施的重大技术问题［J］．中国铁路，2004（8）：11－13．］［3］You Changlong，Li Dianlong．Settlement and deformation of pa-ssenger dedicated line 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季节冻土区铁路路基冻胀研究进展
季节冻土区铁路路基冻胀研究进展
曹元兵
【期刊名称】《铁道工程学报》
【年(卷),期】2017(034)004
【摘要】研究目的:冻胀问题是深季节冻土区高速铁路路基面变形控制难点之一.高速铁路对路基变形要求极高,特别是无砟轨道,冻胀变形更增加了其控制难度.鉴于加深高速铁路路基冻胀研究的必要性和紧迫性,本文系统总结近年来季节冻土区铁路路基冻胀的研究进展.研究结论:(1)季节冻土区铁路路基的防冻胀设计方法:德国、法国、日本等国都是通过冻结指数确定冻结深度,在冻结深度范围内填筑非冻胀填料,我国的不同之处在于采用标准冻深计算设计冻深;(2)季节性冻土冻胀形成机理包括水分迁移和成冰作用,冻胀发生三要素是:负温、细粒土和水,控制冻胀的措施主要为三类:保温、改良填料和改良水分,并分别总结介绍其研究成果及进展;(3)展望了未来的研究方向:加强现场监测和仿真分析;(4)本研究结论可为进一步研究高速铁路路基冻胀提供参考.
【总页数】5页(P6-9,20)
【作者】曹元兵
【作者单位】铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津300251
【正文语种】中文
【中图分类】TU433
【相关文献】
1.分析换填法抑制季节冻土区铁路路基冻胀效果 [J], 何宇航
2.换填法抑制季节冻土区铁路路基冻胀效果分析 [J], 许健;牛富俊;牛永红;刘华
3.季节冻土区铁路路基冻胀研究进展 [J], 张少欣
4.季节冻土区铁路路基冻胀研究进展 [J], 张少欣
5.季节冻土区高速铁路路基冻胀特性研究 [J], 颜庆宇
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季节冻土区高速铁路路基冻胀机理及规律研究
季节冻土区高速铁路路基冻胀机理及规律研究季节冻土区高速铁路路基冻胀机理及规律研究随着我国高速铁路的迅速发展，大面积结冰的季节冻土区高速铁路路基的冻胀问题引起了广泛关注。
为了确保高速铁路的安全运营，研究季节冻土区高速铁路路基的冻胀机理及规律势在必行。
冻胀是指在季节性冻土地区，土壤在冻融循环作用下由于冻水的膨胀而发生的变形现象。
在高速铁路路基上，土壤冻胀会导致路基不稳固、变形、裂缝等问题，严重危及铁路的运行安全。
因此，对季节冻土区高速铁路路基的冻胀机理进行深入研究尤为重要。
首先，冻胀机理主要受冻融循环作用和地下水位变化的影响。
冻融循环作用是指土壤由于温度变化而发生冻胀和融胀的循环过程。
在冬季，土壤中的冻水膨胀会引起路基土体的变形；而在夏季，随着温度的升高，冻水会发生融化，导致土体的回缩。
这种循环过程会不断地使路基土体发生变形，从而增加了路基的沉降和不均匀变形风险。
另外，地下水位的变化也会影响冻胀机理。
当地下水位高于路基底部时，冻融作用会更加剧烈，导致更严重的冻胀问题。
其次，冻胀规律受土壤物理力学性质、水分含量和孔隙结构等因素的影响。
土壤物理力学性质包括土壤的密实度、孔隙度、占空比等。
这些性质会影响土壤的抗冻胀能力和变形特性。
例如，密实度较高的土壤抗冻胀性能较好，而孔隙度较高的土壤则容易发生冻结膨胀。
水分含量对土体的冻融特性也有很大影响。
过高或过低的水分含量都会使土壤的冻胀性能下降，容易引发路基破坏。
此外，孔隙结构也会影响冻胀规律。
孔隙大小和分布对冻结水的排泄和变形具有重要影响。
较大孔隙会容纳更多的冻结水，从而增加冻胀因素。
最后，针对季节冻土区高速铁路路基的冻胀问题，应采取相应的措施来确保路基的稳定和安全。
首先，可以采用地基改良技术，如加固工法、排水工法等，提高土壤的抗冻胀能力。
其次，加强构造设计和施工质量控制，保证路基的稳定性和可靠性。
此外，合理控制路基的水分含量，避免土壤过湿或过干，对减少冻胀问题也有积极意义。
季节性冻土区铁路客专路基防冻胀措施
季节性冻土区铁路客专路基防冻胀措施摘要：新建兰新铁路为设计250km/h的无砟轨道客运专线，路基冻胀直接威胁无砟轨道线路的稳定、安全运营。
兰新线LXS-6标地处祁连山腹地，该地区为季节性冻土区，为防止路基发生冻害，结合其他线经验，对降水量大、气候寒冷、地下水丰富（地基含水量高），地基土为易冻胀土且路基结构形式抗冻胀性能差的路基均采取防冻胀措施。
采用一系列有效的工程措施后，基本解决了路基冻胀问题，为后续类似工程提供了借鉴经验。
关键词：季节性冻土；客专；防冻胀；措施一、工程概况新建兰新铁路第二双线甘青段LXS-6标，路基长度为35.1km。
该标段地处祁连山腹地的门源盆地，年平均降水量530mm，最大积雪厚度为23cm，土壤最大冻结深度2m，极端最低气温-34.5℃。
工点范围内出露地层为全新统洪积粉土和第四系上更新统洪积粉土、粗圆砾土和卵石土。
该范围内无地表水分布。
根据探孔揭示，地下水埋深13~15m，赋存于卵石土层中，为第四系空隙潜水，主要受大气降水补给。
二、路基冻胀风险分析路堤主要是由于冬季路基面雨水或积雪融化下渗引起路基本体含水量增高，遇冷产生冻胀。
低路堤基床换填下挖引起地表水、地下水径流条件改变，当基底为不透水或低透水层时造成的季节性暂时积水，与冷产生冻胀。
分析路堑产生冻胀的原因有以下三个方面：第一，冬季路基面积雪融化下渗引起路基本体含水量增高；第二，对已设盲沟的出水口保温措施不到位或堵塞，引起盲（渗）沟排水不畅；第三，工程施工改变了原地形及地貌形态，同时也改变了表水径流条件和渗流途径，路堑边坡也增大了表水的汇水和下渗面积，路堑槽形结构更有利于表水的汇聚，部分表水下渗形成了局部暂时性的滞留水，遇冷产生冻胀。
三、工程措施1.低路堤地段为阻止坡脚积水下渗，避免引起路基地基冻胀，增设防冻胀护道。
路肩以下边坡高度不小于1m段落，采用将原脚墙加高1m的补强方案；路肩以下边坡高度不及1m段落。
采用将原脚墙加高至护肩底面的补强方案。
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2013—2014 年 断面最大冻结
深度 / cm 115 81 156 179 171 198 182 208 191 228 268 236 227
哈大高 铁 沿 线 路 基 冻 结 深 度 统 计 结 果 见 表 2， 2012—2013 年观测最大冻结深度与天然土壤最大冻 结深度之比在 1. 16 ～ 1. 79，平均为 1. 43； 2013—2014 年观测最大冻结深度与天然土壤最大冻结深度之比在 0. 76 ～ 1. 44，平均为 1. 21。
断面里程
地点
K112 + 935 K186 + 740 K284 + 862 K721 + 856 K778 + 956 K785 + 186 K866 + 897 K902 + 352 K958 + 884 K1084 + 359 K1144 + 809 K1193 + 904 K1232 + 975
高速铁路对轨道结构以及路基基础的变形提出了 极为严格的要求。在季节性冻土区如何将路基冻胀变 形控制在一定范围之内是建造者面临的一个难题。
哈大高铁南起大连市，经辽宁省营口、鞍山、辽阳、 沈阳、铁岭市，吉林省四平、长春、松原市，终于哈尔滨 市，线路纵贯东北三省，途径 3 个省会城市和 7 个地级 市及其所 辖 区 县。其 沿 线 气 候 寒 冷，极 端 最 低 温 度 － 39. 9 ℃ ，最大积雪厚度 30 cm。沿线土壤最大冻结 深度在 93 ～ 205 cm，每年从 10 月开始冻结，次年 4—5 月全部融化，经历时间长达 5 ～ 6 个月。
变化的地段采取了防冻胀补强措施。通过哈大高铁开 通运营来的历年监测数据可以发现，哈大高铁路基冻 胀变形呈现总体稳定且峰值逐年减小的趋势。
2 季节性冻土区路基冻胀特点
2. 1 季节性冻土区路基填料的冻胀特性 通过哈大高铁沿线成型路基的挖探试验数据可
知，虽然沿线施工质量略有差异，但其路基本体范围内 细 颗 粒 （ 粒 径 d ≤ 0. 075 mm ） 含 量 在 4. 19% ～ 14. 56% ，均不大于 15% ，满足《铁路特殊路基设计规 范》（ TB 10035—2006） 对路基填料的规定。沿线基床 填料颗粒分析及含水率试验结果见表 1。
哈大高铁在后续补强设计中，已对冻结深度进行 了修正。修正公式为： 设计冻结深度 = 当地最大冻结 深度 × 1. 3 + 0. 5。 2. 3 季节性冻土区路基冻胀变形规律
尽管铁路沿线的气候特征在空间上、时间上、地域 上的不确定性在一定程度上导致了路基冻胀具有随机 性和不确定性，但是根据哈大高铁路基冻胀自动监测 数据，路基冻胀发展变化过程可大致划分为冻胀初始 波动、冻胀快速发展、低速稳定持续发展、波动融沉、变 形稳定 5 个发展阶段，见图 2。
针对哈大高铁季节性冻土区路基冻胀隐患，建造 过程中围绕路基冻胀三要素———土质、水和温度，以基 床填料防冻胀和“封排结合”控水措施并重为原则，施 工过程中对填料的含水量、粒径、细颗粒含量等关键参 数进行了重点控制。后期又对因地貌改变引起地下水
收稿日期： 2016-05-09； 修回日期： 2016-08-27 基金项目： 铁道部科技研究开发计划（ Z2012-062） 作者简介： 李先明（ 1986— ） ，男，工程师。
铁道建筑
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Ｒailway Engineering
November，2016
文章编号： 1003-1995（ 2016） 11-0096-05
季节性冻土区高速铁路路基防冻胀设计优化
李先明
（ 中铁城市发展投资集团有限公司，四川 成都 610031）
摘 要 哈大（ 哈尔滨—大连） 高铁是我国第一条季节性冻土区无砟轨道高速铁路，抑制路基冻胀变形是 保证轨道结构稳定的必要条件。哈大高铁在建造过程中，通过前期控制和后期补强，将路基冻胀变形控制 在有限范围内，保证了运营安全。本文根据哈大高铁路基冻胀深化研究成果及监测数据，对哈大高铁路基 冻胀规律及工程特点进行总结，对路基防冻胀设计中填料冻胀特性的辨识、路基冻结深度的选取与修正、 级配碎石掺水泥的冻胀特性、既有路基防排水结构的优劣等问题进行了探讨，从工程应用方面提出了建议。 关键词 季节性冻土区； 高速铁路； 路基冻胀； 设计优化 中图分类号 U213． 1 + 53 文献标识码 A DOI： 10． 3969 / j． issn． 1003-1995． 2016． 11． 25
8. 32 6. 42
4. 26 13. 82
14. 56 14. 13
6. 68 10. 86
5. 24 10. 53
2016 年第 11 期
李先明： 季节性冻土区高速铁路路基防冻胀设计优化
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粗粒土细粒含量与冻胀的关系见图 1。按照 TB 10035—2006 对 不 冻 胀 土 的 定 义，细 颗 粒 含 量 为 15% 时，土 的 冻 胀 率 已 达 到 1% 。当 细 粒 含 量 超 过 15% 之后，随着细粒含量的增加土体冻胀敏感性显著 增大。哈大高铁按照平均冻结深度 1. 5 m 计算，理论 上冻胀量会达到 15 mm，对于高速铁路而言变形很大。 这也从理论上证明了路基冻胀的普遍性。建议在后续 规范修订完善时，应提出新的填料冻胀级别划分标准， 为设计和施工提供依据。
图 1 粗粒土细粒含量与冻胀的关系
另外按照填料的客观冻胀特性，要将土的冻胀变 形控制在一定范围内，在温度和水 2 方面条件不变的 情况下，需要将细颗粒的含量尽量降低到 5% 以下甚
至更低。这对于填料的选择和现场施工提出了苛刻要 求。因此应在温度和水 2 方面进行控制。 2. 2 季节性冻土区路基冻结深度的规律
哈大高铁路基设计参数参考当地气象部门提供的 最大冻结深度。由于铁路路基最大冻结深度普遍较天 然土壤最大冻结深度大，因此渗水盲沟等排水设施在 冬季易冻结，加剧路基冻胀变形。
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November，2016
在后续设计中，应基于填料的物理特性，通过理论 计算和实测分析确定适用于高速铁路路基防冻胀设计 的冻结深度，并根据线路等级、荷载、运行速度、轨道条 件等确定是否采用有害冻结深度的概念。
理论上温度受沿线气候影响属于不可控因素，路 基冻结深度无法通过人为因素改变。在季节性冻土区 修筑路基工程后，打破了原有地气之间相对热平衡的 交换状态，导致路基冻结深度与原状土冻结深度出现 差异。特别是对于铁路这种长大线性工程，受地形、土 质、日照、植 被、线 路 走 向 等 因 素 影 响，相 同 温 度 条 件 下，不同的路基形式、路基填料和日照部位，路基的实 际冻结深度都会发生一定程度的变化。根据青藏线既 有研究与调查成果，同一区域的野外冻结深度是气象 部门提供的冻结深度的 1. 2 ～ 1. 3 倍，同一地点、同一 时间阴坡的冻结深度是阳坡的 1. 1 ～ 1. 5 倍，路基换填 后冻结深度是原状土冻结深度的 1. 2 ～ 1. 5 倍。
季节性冻土区还具有春融期间昼夜温差大的特 点。这期间随着大气温度升高至 0 ℃ 以上并持续一段 时间，路基冻土层开始双向融化，随着温度在 0 ℃ 上下 波动，短时融化雪水进入基床表层，基床呈现反复冻融 变形现象。
从上述分析可知，路基基床表层由于直接与大气 环境接触，受温度、水分的影响较路基其他部位明显，
1 概述
根据季节性冻土区公路、普速铁路等工程建设经 验和研究结果，在负温条件下路基会出现不同程度的 冻胀变形，幅值一般在 10 ～ 30 cm，甚至可超过 40 cm。 这些变形是由于： ①路基冻结深度范围内孔隙水冻结 成冰，体积发生膨胀（ 膨胀系数为 9% ） ； ②在降温冻结 深入的过程中，下部未冻土层中的水分源源不断地向 冻结锋面迁移、聚集并冻结。路基发生较大冻胀变形， 会对建（ 构） 筑物产生极大破坏，是季节性冻土区工程 病害产生的主要原因之一。
瓦房店 鲅鱼圈
鞍山 沈阳北
铁岭 开原 毛家店 四平 公主岭 德惠 扶余 双城 王岗
表 2 哈大高铁沿线路基冻结深度统计结果
天然土壤 最大冻结 深度 / cm
2012—2013 年 断面最大冻结
深度 / cm
比值
平均 比值
93
145
1. 56
106
124
1. 17
118
195
1. 65
148
201
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1） 哈大高铁修建过程中对无砟轨道的沉降变形 有着极为严格的规定，从设计、施工、评估到验收等工 序均有一套成熟的制度。因为有章可循，加之严格的 过程管控，无砟轨道的沉降变形得到控制。但是现有 的设计规范中对于无砟轨道向上容许的变形量却没有 标准，这就需要设计者进一步调研，充分结合已建高铁 的经验，对规范、制度等进行完善。
2） 通过哈大、盘营、兰新高铁的建设，我国对路基 冻胀变形的认识提到了一个新的高度，但对于冻胀和 冻害的界定尚无确切标准。在施工过程中乃至后期运 营维护中，确定冻害标准时到底是采用绝对冻胀量还 是按行车速度和长短波平顺性的要求采用相对指标， 或者二者相结合进行判定都没有一个明确的规定。
以哈大高铁为例，路基冻胀变形在 0 ～ 10 mm 间 的段落占总长的 72. 9% ，然而根据动检数据统计，因 冻胀引起的高程超限仅占路基总长的 5% 左右。说明 路基在冬季普遍发生不同程度的冻胀，但由于其呈现 总体稳定、个别峰值的特点，并非全部形成冻害。
高速铁路的安全性和舒适性均受轨道平顺性控 制，而路基冻胀地段的轨道平顺性又主要受路基变形 影响，在后续季节性冻土区路基设计中，设计者应充分 考量路基变形与轨道变形的关系，在列车安全性和舒 适性之间寻找一个平衡点，统筹考虑路基冻胀变形的 控制措施和设计参数。 3. 2 哈大高铁过渡段冻胀特点