冻土地区路基的主要病害分析与防治措施

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 。
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 1. 3 冰害
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
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
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 下水自边坡流出 ,在隆冬季节随流随冻 ,形成积冰掩埋路基顶面
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 。 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
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 分无法排出 ,又来不及蒸发 ,形成流塑状泥浆 。
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
2) 水源 。秋末多雨 ,冻结前土基原始含水量大 。台地区域上
1) 气候 。秋末初冬 ,形成较大的温差梯度 。由于土中薄膜水
特点有[1 ] :1) 突然的大量下沉 ;2) 周期性的持续下降 。
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
1. 2 冻胀
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
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 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
确定路堤的最小高度 ,需要考虑多种因素 。它既与区域气候 密切相关 ,又与填料类别 、地表下泥炭层厚度及以下的冻土介质 特性和采取的保温措施有关 ,但最主要因素是区域气候 。国内外 有采用公式计算确定路堤最小高度的 ,但一般都根据调查资料经 统计分析后得出 。我国青藏线确定用粘土填筑的最小高度为 1. 0 m～1. 5 m 。地下冰地段采用大值 ,饱冰地段采用中值 ,富冰 地段用小值 。
2. 3 土工布 、EPS 导温垫床
土工布具有隔离 、渗滤 、排水 、加固和强化土体的作用 ,在整 治一般翻浆中已广泛应用 。EPS 是铁科院铁建所试验研究的一种 新型防冻土工聚合材料 ,由可发性聚苯乙烯贮存 ,予发泡 、成熟处 理及模制过程加工而成的泡沫材料 。试验证明 ,密度为 45 kg/ m3 的 EPS 材料 ,吸水率小 ,含气量高 ,导温系数小 ,在受水浸湿时仍 有较好的隔热效果 ,且能满足动荷载为 200 kPa 的强度和变形要
的 ,引起路内外工程界人士的关注 。
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
1 主要病害分析
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
1. 1 融沉
“冻融翻浆”是寒冷地区路基基床在冻融循环作用下所产生
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
2. 5 保护地表植被及泥炭层
在地表多为活地被植物及泥炭层所覆盖 ,这些活地被植物及 泥炭层是多年冻土良好的保温层 。因为植物介于大气层和地层 之间 ,积极参与两者之间的热量交换 ,对土的冻结和融化均有很 大影响 。尤其夏季 ,植物能遮挡太阳的强热辐射 ,减弱地表的受 热程度 ,减少进入土中的热量 。因此 ,植被能降低地表的受热程 度 ,减缓和减少冻土的融化速度和深度 。冬季 ,植被使土中的热 量不易散发 ,减小疾患土的冷却速度 。植物根系有保持一定水分 的能力 ,若为苔藓及泥炭 ,吸水能力更强 。大量的水分蒸发 ,消耗 很多热量 ,使相当一部分太阳辐射热达不到冻土中 。同时植物在 进行光合作用时 ,也要吸收太阳内能供其生长发育的能量 。这就 增加了土的热容量 ,降低了土的导热系数 。由此可见 ,天然植被 起着非常重要的作用 。
2. 2. 3 设置保温护道
多年冻土路堤的另一保温措施是设置保温护道 ,用以减少及 削弱因热传导作用而引起的对多年冻土的影响 。防止向阳坡侧 人为上限的下降和缓和坡侧人为上限的破坏 。以粘性土填筑的 保温护道并可阻挡和减少路堤坡脚处地表水渗入基底 ,防止基底 冻土融化 ,保证路堤稳定的效果 。
护道材料宜根据“就地取材 ,方便施工”的原则 ,并结合防水 综合考虑 。采用泥炭草皮或细粒土均可 。在需要加强防水的地 段以土护道为宜 。
定。
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
收稿日期 :2007205214 作者简介 :郭奕清 (19602 ) ,男 ,工程师 ,铁科院 (北京) 工程咨询有限公司 ,北京 100081
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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 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
定 ,视为超限 ,有可能发生火车脱轨 、翻车等事故 。
“开系统”条件 ,地下水位在冻层附近 。地表排水系统不畅 ,积水
路基的冻胀病害是与气温 、土质及水源条件密切相关的 ,主 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
冻土地区路基的主要病害分析与防治措施
郭奕清
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
施 ,从而为冻土地区的铁路 、公路路基的设计 、施工及养护提供参考 。
关键词 :冻土 ,路基 ,基床 ,病害
中图分类号 :U416. 1
文献标识码 :A
引言
3) 地表水或地下水 (或浅层水) 对路基土的不均匀浸湿 。
建设青藏铁路是西部大开发中的重头戏 ,而冻土 (冻土是指
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
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 不同 ,从而形成不同的冻胀病害 。
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 。
3 结语
冻土路基虽然有许多的病害 ,但只要从设计 、施工乃至养护 维修各个环节都能够充分认识病害的发生机理及其严重性 ,并给 予足够的重视 ,就有理由相信 ,并且实践也已经证明青藏铁路可 以担负起开发西藏 、联系西藏与中东部地区以至世界的重任 ,成 为一条全天候运营的大动脉 。 参考文献 : [ 1 ]郭东信. 中国的冻土[ M ] . 兰州 :甘肃教育出版社 ,1990. 13224. [ 2 ]郭东信. 大兴安岭北部霍拉河盆地地质构造在冻土形成中的
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 。 多 ,春融期又遇降水 ,造成融冻层湿度恶化 。
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[2 ] :
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 。
作用[J ] . 冰川冻土 ,1989 ,11 (3) :1142124. [ 3 ]杨海蓉. 多年冻土地区铁路路基工程[ A ] . 铁道部基建总局. 铁
路工程建设设计科技动态报告文集 [ C ] . 北京 :中国铁道出版 社 ,1990. 23234. [4 ]铁道部第三勘测设计院. 冻土工程 [ M ] . 北京 :中国铁道出版 社 ,1994. 2132234.
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 。
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
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Vol . Sep .
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文章编号 :100926825 (2007) 2720309202
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 。
2 防治措施[3 ,4 ]
2) 碎石或混砂道床垫层不洁 ,污染严重 ,混入泥土较多 ,遇积 2. 1 预防性措施
水产生冻胀 。当含泥量为 20 %～50 %时 ,冻胀量可达 10 mm～
设计通畅的地表排水系统 ,以确保路基不受地表水的侵害 ,
20 mm 左右 ,道床冻胀在时间上从 10 月中旬～11 月上旬基本稳 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
求 。近几年已在寒冷地区整治路基冻害中多处使用 ,效果良好 。 采用 EPS 密度 45 kg/ m3 ,外形尺寸为 (厚 ×长 ×宽) 5 cm ×150 cm × 75 cm 的聚苯乙烯塑料保温板 。
2. 4 保证路堤的最小高度
在多年冻土上修筑路堤 ,只要满足最小高度 (采取保护多年 冻土原则设计路堤时 ,能使基底人为上限维持在原天然上限位置 的最小高度) ,并采取综合的保温措施后 ,一般人为上限最终均能 较天然上限wk.baidu.com所上升 ,或保持在天然上限的位置 。因此 ,为保持 路堤稳定 ,防止基底人为上限下降 ,需要确定路堤的最小高度 。
5) 路基不同朝向形成的不均匀冻胀 ,如线路走向为东西向
青藏铁路全长 1 118 km ,海拔 4 000 m 以上的地段有 960 km ,其 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
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 结深度发生差异 ,其结果是出现单侧冻胀 。
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 厚度可通过冻渗理论计算 ,一般不少于 0. 4 m 。
2. 2. 2 导温盲沟
导温盲沟也称冷暖盲沟 ,是一种由炉渣横向暖沟与卵石纵向 冷沟联合起来组成的导温方案 。其原理是通过在轨道下基床间 隔设置的横向暖沟 ,使土基冻结滞后 。而在轨道两侧设置的纵向 冷沟 ,则由于其填料的温度传导系数大且通风良好 ,使其周围的 基床土先行冻结 ,因而 ,轨道下基床土中的水分必然向冷沟附近 的冷却区聚集 。春融时 ,冷沟附近冻土及冻体先行融化 ,土中水 由纵向盲沟中排出 。这样 ,整个基床土分期融冻 ,分期冻结 ,使轨 道下的基床湿度大大降低 ,并提高了基床的整体承载力 。烟双铁 路专用线冷沟设计采用 <40 mm～<200 mm 洗净的卵石并包裹土 工布代替反滤层 ,效果较好 。