寒冷地区路基冻害整治

寒冷地区路基冻害整治

摘要

青藏铁路格尔木至拉萨段，全长1118公里，其中多年冻土区为632公里。青藏铁路的修建关键问题是,冻土和路基冻害。因此解决冻土与路基冻害对寒冷地区铁路的发展有着尤为重要的意义。

首先，我们总体分析了寒冷地区铁路路基冻害的主要分布地区、类型及形成的原因对铁路运营造成的影响。其次介绍了冻土和冻胀是产生冻害的原因以及冻土的类型地温分区、危害。最后提出了整治各种路基冻害的综合措施和新型材料EPS板。 关键词

冻土（frozen soil) 、路基冻害（frost damage)、 EPS材料 序言

第一章 路基冻害的影响

路基是轨道的基础,它承受着轨道及机车车辆的静荷载和动荷载,并将荷载向地基深处传递扩散。它必须保持稳定、坚固,这样才能确保铁路高速、高密、高载的良好状态,不出现可能危及线路正常运营的形变。

路基冻害是寒冷地区铁路线路上分布很广,影响铁路安全及正常运营的常见病害,它与寒冷的气候有关,冰冻线能达到相当深度,又涉及到土的特性。在我国东北、西北、西南以及刚刚建成通车的青藏铁路线上都存在这路基冻害,路基冻害因其分布广、时间长、工作量大、影响行车非常严重占首位。哈局、沈局、呼局、兰局等管内大部分都铺设在冻土地带上,路基冻害较为严重。重要表现形式为:在冬季路基土体冻结时,除路基纵断面在短距离地段内产生不均匀冻胀或路基发生冻结裂缝外,还存在这冰锥、冻胀丘、路基融沉及路基边坡滑坍等一些独特的表现形式。冻害发生发展时期,一般从每年10月中旬起至次年7月中旬止完全回落完。对铁路线路影响很大。

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每年都会投入大量人力物力来处理路基冻害。根据历年调查统计报告,沈局关内有冻害207处多,其中冻害高50mm~300mm的冻害6处、50mm以下的冻害198处,冰锥3处。冬季线路冻胀凸起冰锥流水成冰,冰水漫及线路影响行车。为了预防冻害事故的发生,在冬季需派人看守观察组织刨冰,每年仅用于刨冰的工数就达5000多工日。夏季路基融沉病害情况严重,在管内就有200多处严重下沉地段。有的地段融沉很快,几天就的抬道一次,全年累计下沉达200mm~300mm,情况严重的,如潮乌线8km ,在1972年曾发生过5小时内,路基连续融沉达1。4m,造成列车颠覆事故。每年用于路基冻害融沉抬道的砂石料数量就达30000多立方米,使用的劳动里有20000多工日。

可见,路基冻害的存在,不仅增加了维修养护劳动里,影响了正常维护,加大了维修养护的成本,而且使的线路质量下降,使用年限大大缩短,因此如何整治寒冷地区路基冻害减少维修养护工作量,确保行车安全一直受到各级领导的高度重视。经过多年的研究和实践,总结出了一套防治冻害的措施,实验了多种处理病害的新方法,取得了一系列成果,进一步完善了寒冷地区路基冻害的防治技术,对今后的设计和施工具有重要意义。

第二章 冻胀的形成原因

路基冻害是一个物理力学过程，土冻结是由于水热动力变化而产生的应力应变状态。凡温度等于或低于摄氏零度且含有冰的土称为冻土（frozen soil)。冻土冻胀时能够引起铁路线路变形而形成冻害。当以冻胀的土融化时由于融土的透水性和压缩性提高而使其承载力显著下降，当水分过饱和时又会产生路基基床翻浆冒泥等。因此对路基冻土的发展变化规律的研究就非常重要。

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冻土是一种复杂的天然复合体，土在冻结过程中是有条件的。如果条件全则冻土冻胀量大，反之则其冻胀量小或不冻胀。因此冻土的冻胀必须应当具有土、水、温及力四个条件既：

（一) 土质对冻胀的影响

冻胀的一个重要物理指标是土的分散性，即表示矿物成分形状，粒度成分 及结构特性的土的离散性强度。根据土颗粒同水相互作用的主动性，土具有不同的冻结变形能力。通过大量的现场观测得知：一般情况下，颗粒粒径大于0。1mm组成得碎石、砾石、砂类土，无冻胀性或冻胀很小；颗粒粒径小于0。1mm组成得粘性土有较大的冻胀性；特别是粉、粘粒含量大于15%、容重较小的粉质土冻胀性最强烈。

另外土的密实度对冻胀有着一定影响，在同一含水量下，干容重不同，冻胀系数可相差很大。其变化规律，在相同条件下，冻胀系数随含水量的增大而增大。

（二） 温度对冻胀的影响

温度是冻胀的四大要素之一,也是唯一的自然因素。温度特征，在土冻胀过程可由温度间隔（梯度）来表示，温度变幅的极端值，即冻胀过程的起始温度及冻胀停止温度。实践证明，这个温度变化幅度相当大，它取决于土的分散性、骨架特性、土的水理和物理化学性质。所谓温度对冻胀的影响，主要是指环境温度对路基土体冻胀的影响作用。其作用有：一是土层内的冷却速度（冻结速率）与冻胀的关系。冻结速率直接影响冻胀率，冻结速率快时冻胀率小，但也不是冻结速率越慢则冻胀量越大。而是对某一种特定条件的土，都有一个最适宜的冻结速率，在这个冻结速率下的冻胀量最大；二是在整个相转换区内各种土温（包括温度梯度）与冻胀的关系。当土层温度处于相转换区，且冻结速率较小时，土中水分迁移的条件最充分，可以形成较大的冻胀。

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（三） 水分对冻胀的影响

在土冻结过程中，水分这一内在因素是影响冻胀的很主要因素。土中有水分是造成冻胀的必要条件，但含水的土不一定都会有冻胀。只有在土的含水量达到或超过一定的数值后，才发生冻胀，在有地下水补给时，就会发生强烈的冻胀，因此，含水量的变化直接左右着土的冻胀强度。 （四） 外部荷载对冻胀的影响

外部荷载对冻胀具有压抑或防止的作用。因为在荷载作用下土被压密，使土的起始温度降低、初始含水量减少，且水分迁移过程也受到抑制。这是强夯法能防止冻害的基本原因。

实践证明：当已冻和未冻水总体的增量超过了该土体原来无孔隙水的空隙体积时，才是冻土冻胀的基本条件。如果无空隙水的空隙体积大于或等于结冰水的增量，使不能产生土的冻胀。

在寒冷地区因大气负温影响会使土中水冻结从而成为冻土。而水又与冻土紧密相关,我们知道土中水分区分为结合水和自由水两大类。结合水根据其所受分子引力的大小分为强结合水和弱结合水,自由水又分为重力水与毛细水。重力水在0摄氏度时冻结,毛细水因受表面张力的作用其冰点稍低于0摄氏度;结合水的冰点则随着共受到的引力增加而降低,弱结合水的外层在-0。5摄氏度时冻结,越靠近土料表面其冰点越低,弱结合水要在-20~-30摄氏度时才会全部冻结,而强结合水在-78摄氏度仍不冻结。 当大气温度降至负温时,土层中的温度也随之降低,土体孔隙中的自由水首先在0℃时冻结成冰晶体。随气温的继续下降,偌结合水的外层也开始冻结,使冰晶体逐渐扩大。这样使冰晶体周围土粒的结合水膜件薄,土粒就产生剩余的分子引力,另外由于结合水膜的减薄,使得水膜中的离子浓度增加(因为结合水中的水分子结合成冰晶体,使离子浓度相应增加)这样就产生渗透压力(当两中水溶液的浓度不同时,会在他们之间产生一种压力差,使浓度

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较小的溶液中的水向浓度较大的溶液渗流)。在这两种引力作用下,附近未冻结的区域水膜较厚处的结合水,被吸引到冻结区的水膜较薄处。一旦水分被吸引到冻结区后,因为负温作用,水既冻结,使水晶体增大,而不平衡引力继续存在。若未冻结的区域存在水资源(如地下水距离冻结区很近)及适当的水源补给通道,就能够源源不断地补充被吸收的结合水则未冻结的水分就会不断地向冻结区迁移积聚,使冰晶体扩大,在土增中形成冰夹层,土体积发生隆胀想现象。这冰晶体的不断增大一直要到水源的补给断绝后才停止。 如上所述,正是由于水的补给,冻结的深度,范围不断增大,才会引起各种问题,冻结时的情况,在土中形成了冰的透镜体。冻胀现象是由冻结时,往往回发生土体膨胀,使地面隆起形成丘,即所谓的冻胀现象。 ① 土的毛细作用显著,并且透水性很强。 ② 可供毛细管作用的下层水源充分。 ③ 0℃以下温度持续时间长。

第三章 冻结深度的调查及计算方法 （一）冻结深度的调查

可靠的方法是实地勘测，观测的仪器有冻土仪、地温仪及直接挖验观测，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，表示当时的冻结深度值。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。

（二）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）

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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。(见下表) 多年冻土地区地温分区表:

区号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

这是斯蒂芬公式的简化形式，使用时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。

地温区名称 高温极不稳定冻土区 高温极不稳定冻土区 高温极不稳定冻土区 高温极不稳定冻土区 年平均地温 ℃ ?-2.0℃ -2.0℃≤ ?-1.0℃ -1.0℃≤ ?-0.5℃ ≥-0.5℃ 第四章 路基冻土的分类及危害

冻土的冻胀会使路基隆起,使柔性路面鼓包、开裂;使刚性路面错缝或折断;冻胀还使轨道变形,扭曲引起事故。路基冻害基本都是由冻土的冻胀造成的。

冻土是一种复杂的土颗粒、水、冰组成的天然复合体是一种非均质,各向异性的介质。它对冻土地区的路基稳定性有着极大的影响。根据冻土存在的时间纬度海拔高度,可分为: ① 持续三年以上的多年冻土;

② 冬季冻结夏季全部融化的季节性冻土; ③ 若冬节冻结,一二年不化的土层称为隔年冻土。 其中多年冻土和季节性冻土占路基冻害的主导地位。

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（一） 多年冻土

我国多年冻土主要分布于东北大小兴安岭、青藏高原以及西部高山区-天山、阿尔泰山及祁连山等地区,占全国领土面积的22。3%。东北地区的多年冻土属于高纬度地区多年冻土,基分布和冻土厚度受纬度地带性控制,自西北向东南,由大片连续分布变为岛状分布。西部高山地区,具有明显的垂直分带特点,同时也具有水平分布的不完整性和径向差异性。青藏高原是我国面积最大的多年冻土地区又称高原冻土。世界海拔最高的铁路,被人们称为\天路\的青藏铁路经过多年的研究实践,运用片石路基、以桥代路等多种先进技术手段于2006年7月1日竣工通车,是我们铁路人永远的骄傲。 多年冻土按其含水量的不同可以分为:少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土和寒土冰层。各种冻土地区的总含水量、融化后的潮湿程度及融沉分级如下表:

总含水量ω(%) ω≤10 融沉分级 名称 土的类别 粉黏粒含量≤15%的粗粒土 融化后的潮湿程度 潮湿 少冰冻土

粉黏粒含量>15%的粗粒土、细纱、粉沙 黏性土 粉黏粒含量≤ω≤ωp 10<ω≤16 12<ω≤18 - 7 -

ω≤12 稍湿 不融沉(Ⅰ) 半干硬 饱和 多冰冻土15%的粗粒土 粉黏粒含量>15%的粗粒土、细纱、粉沙 弱融沉（Ⅱ 潮湿 ）

黏性土 粉黏粒含量≤15%的粗粒土 ωp<ω≤ωp+7 16<ω≤25 18<ω≤25 ωp+7<ω≤ωp+15 硬塑 饱和出水（出水量<10%） 富冰冻土 粉黏粒含量>15%的粗粒土、细纱、粉沙 黏性土 粉黏粒含量≤15%的粗粒土 饱和 融沉（）Ⅲ 软塑 饱和大量出水（出水量饱冰冻土粉黏粒含量>15%的粗粒土、细纱、粉沙 黏性土 25<ω≤44 10%~20%） 饱和出水（出水量小于10%） 强融沉（）Ⅳ ωp +15<ω≤ωp+35 ω<44 ω>ωp+35 流塑 饱和大量出水（出水量10%~20%） 流塑 含土冰层碎石类土、砂类土 强融沉（）Ⅴ黏性土 注：1。ωp---塑限。

2。黏性土总含水量界限中的+7、+15、+35为不同类别黏性土的中间值，黏沙土比该值小，黏土比该值大。

3．黏粒土为含碎石类土、砾沙、粗沙、中沙的土。

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4．粗粒土及砂类土总含水量界限为该两类土的中间值，大小与粉、黏粒含量或颗粒大小有关。

5．表中总含水量是指冻土中所有形式的总重量与冻土骨架质量之比。 多年冻土地区的不良地质现象危害如下： (1) 厚层地下冰

厚度大于0。3m的冰层称为厚层地下冰。厚层地下冰是由于多年冻土层层上水发育,季节融化层多呈饱和状态,当冻结时,水分向上转移,如果冻土层上限有条件上升则形成厚层地下冰,有时厚度相当大。也有的厚层地下冰是埋藏的冰川水。 (2) 寒冻裂缝

寒冻裂缝主要由土体局部不均匀冻胀形成的路基横向扭曲,或冬季气温剧烈变化引起的土体不均匀收缩引起的。一般会在冬季逐步出现而到春季慢慢回落,但反复冻融会破坏路基稳定性在列车振动作用下引起路基边坡的滑坍。 (3) 热融滑塌

当多年冻土区斜坡下有厚层地下冰分布时,斜坡如受到自然或人为因素影响,其热平衡受到破坏,地表层在重力作用下沿融冻界面滑塌,称为热融滑塌。热融滑塌的位移多为牵引式位移。 (4) 冰锥、冰丘

封冻于地表或冰面以下的地下或河水形成的尖丘状隆起称为冰锥。由于地下水受地面和下部多年冻土的遏组产生冻结膨胀,使地表下隆起形成冻胀土丘。若地下水含水气体,使地表暖季发生爆炸的丘状隆起称为爆炸性冰丘。

(5) 热融沉陷

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多年冻土地区由于自然和人为因素破坏了多年冻土的热平衡后,使地表下沉形成的凹地或积水凹地,称为热融沉陷。融沉的形式分:①急剧沉落型,要发生在有厚层地下冰地段。②缓慢沉落型,主要发生在富冰或饱冰多年冻土区。

(6)冻土沼泽

由于积雪和地表水的影响,在平和低洼地带形成沼泽,使地表长期积水或处于潮湿状态。

多年冻土地区的线路应使线路设于平缓、干燥、向阳的山坡或积雪较薄的一侧山坡。丘陵地区,路基宜高不低;对各种不良地质区均应绕避,热融滑坍及冰锥、冰丘地段宜于下方筑堤通过,应力求避免路堑通过,以填为宜。多年冻土地区路基一般在冻结季节施工,由于冻土开挖会促使其融化,应进行快速施工。 （二）季节性冻土

路基冻害冻土地区还有很大部分季节性冻土，也是防治路基冻土冻害的主要方面。我国东北、华北和西北地区广泛分布着季节性冻土。季节冻土的土层存在着一层冬冻春融的土层。季节性冻土按土的类别、天然含水量、潮湿程度和冻胀的级别分类有:弱冻胀土、冻胀土、强冻胀土具体表格如下:

潮湿程度 潮分级名称 冻胀高（mm） 冻胀分级 分类名称 天然含水土的类别 量ωn(%) 土

弱粉粘粒含量≤15%（或粒径小冻胀于01。mm的颗粒含量≤- 10 -

ωn≤10 微湿 冻≤4

25%）的粗粒土（包括碎石类土、砾沙、粗沙、中沙） ωn>10 饱和 胀 弱冻胀 微冻胀 弱冻胀 冻5~24 ≤4 5~24 ωn≤12 粉粘粒含量>15%（或粒径小稍湿 冻胀土

于01。mm的颗粒含量>25%）的粗粒土（包括碎石类土、砾沙、粗沙、中沙、细沙、粉沙） 12<ωn≤18 潮湿 ωn>18 饱和 胀 半干微冻25~50 ωn≤ωp ωp <ωn≤ω≤4 硬 胀 硬塑 弱冻胀 冻5~24 强冻胀土粘性土 p+7 Ωp+7 <ωn≤ωp+15 ωn >ωp+15 - 11 -

软塑 胀 强冻胀 25~50 流塑 >50

注:①wp----塑限;

②碎石类土和砂类土的天然含水量界限为该两类土的中间值,含粉粘粒少的粗颗粒土比表列数值小;细沙、粉沙比表列数值大;

③粘性土天然含水量界限中的+7、+15两值,为不同类别粘性土的中间值,粘砂土比该值小,粘土比该值大; ④表中天然含水量是指冻前的含水量。

第五章 多年冻土地区路基冻害的防治措施

（一）冰椎、冻胀丘的防治措施

对防治冻胀丘、冰椎的措施来说，主要有：疏导（如果地下水流大，一般应利用排水沟、保温渗沟、保温出水口、集水口等来进行疏导）、拦截（地下水流量小，则以拦截为宜。采用开挖冻结沟、截水沟、地下截水墙、积水沟、防冰墙、防冰堤等方法）、应急抢救（爆破开冰放水、刨冰放水、冰上凿孔放水、冰上排水沟、筑冰雪堤等）。 （二）路基融沉的防治措施

⑴加强地表排水:即保护好路堤坡脚附近的天然地表不受破坏,在此基础上避免路堤坡脚积水,使基底不发生水的横向渗透,因为基底受水浸则会使病害地段路堤基底人为上限大幅度下降,这是路基融化沉陷的根本原因。 通常是在路堤上侧设置排水沟来加强地表排水。排水沟的作用是：其一加强地表水的排泄，或引向涵洞；其二便是防止坡脚积水，避免造成横向下渗。

⑵保护好天然上限：路堤融沉病害的关键是人为上限的下移（防火期，烧放火道，推放火隔离带，造成了线路两侧植被的破坏，从而使永冻层的上限下移）。在多年冻土地带，人为上限的变化即使是在连续多年冻土带中亦只能少量的升入路堤土体之中，很少形成冻土核。其形态一般为阴坡侧人为上限上升，阳坡侧下降。因此在阳坡侧应修筑保温护道。保温护道

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的作用是：隔水作用、保温作用、反压作用。

⑶加高路堤：低路堤（堤高小于1.0～1.5m）会造成基底人为上限的下降，所以为保持多年冻土上限不变，须加高路基，在连续多年冻土带堤高应大于1.5m。

第六章 路基冻害的综合整治 （一）整治路基冻害的基本措施

在冻害的防治工作中，我们必须贯彻“预防为主，预防和防治相结合”的原则，认真做好预防工作。经常采取的措施有：

1、经常保持道床清洁，防止泥土杂物混入道床，及时清除边坡土垄。 2、保持路肩和边坡平整，无裂纹、无坑洼积水。

3、完善地表排水系统，保持各种地面排水设备状态良好通畅，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、结合线路大中修工程，有计划地进行更换或改良不均匀土质。 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。

在冻害发生后，做好路基冻害调查分析是防治工作的开始，调查工作的好坏直接关系着冻害的防治效果，是整治好冻害的关键。现场调查的内容主要有冻害发生的部位、形状、长度、冻起高度、起落时间及其发展过程；另一方面通过钻探、挖探等方法，观察土层的土质种类、厚度、冻土结构、水文地质等情况。通过这些调查资料分析冻害产生原因和变化规律，来制定科学合理的防治措施，从而达到整治冻害的目的。另外采取防治冻害措施时，必须首先考虑排水、疏干路基，然后考虑其它措施相配合。因为水不仅是产生冻害的原因，并且还会降低路基强度而引起其它路基病害。

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采取防治措施时，还要做到因地制宜，尽量就地取材。 （二）整治路基冻害的原则

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。

二是强调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，以争取达到根除冻害的目的。 （三）整治路基冻害的具体方法 （1）、减少土体含水量 1、排水措施

水对土体的浸湿、饱和和冲蚀作用是促使路基病害发生和发展的重要原因之一。为了保持路基经常处于干燥、坚固和稳定状态，应做好地表和地下排水工作。并且排水设备应具有抗冻、防冻的能力，不被冻融破坏，能发挥正常排水作用。 2、隔水措施

是指用各种材料制成的隔水层，使地下水不能透过，或隔断毛细水的补给，阻止冻结时的水分迁移作用，以减少或消除冻胀。

这些材料有：粘土、耐寒塑料薄膜、土工纤维防渗布、聚氯乙烯板及氯丁橡胶板等。另外，用改性土如乳化沥青，或灌浆、矽化加固等方法。 （2）、更换土质

换土是最普遍、采取最多的一种整治冻害的措施。在国外，北美各国和西德都把换土作为主要的整治冻害措施，前苏联和北欧各国、日本也把

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换土作为重要的措施之一。

通过换土主要达到三个目的：一是将冻胀土换以部分不冻胀土，以便减少冻胀值；二是将冻胀性较弱的土（或不冻胀土）换以冻胀性较强的土，以便消灭冻谷或单侧冻起等；三是改换土中的冻胀土层，或冻胀土质的不均匀条件，以消除冻害条件。

换土在基床冻害整治的过程中是有条件的，经调查分析认定基床冻害产生冻害的原因为基床土体中土质条件时(是土质不均匀、或是土层厚薄层次不等)，才采取更换土质的措施。如果基床冻害是水的原因，(即地表水或地下水的不均匀渗入或浸湿)，不是土的原因，则应采用排水措施，而不应当采用换土措施。所以，在整治冻害的过程中，首先要“对症下药”必要时应与排水措施相结合，不然这项措施是不能收到预期效果的。因而采取措施之前的调查分析即细致的设计是非常重要的。

在更换土质的措施中，有两种情况：一是更换冻胀土；另一种是更换不冻胀土。这两种情况不仅起作用不同，而且条件要求也是不一样的。 1、换填冻胀土 ①、作用

此项措施的应用范围较小。因为只有在冻胀土的长距离地段内由于局部非冻胀土所形成的冻害，而将局部非冻胀土换以同样的冻胀土（如图1），以解决病害地段的冻谷。

此外，由于不均匀而造成的冻害中，在凹陷的一侧换以冻胀土，使凹陷处多冻胀一些，这也是防止基床冻害的一种方法。 ②适用范围

这项措施适用于因土质非均匀而发生的局部冻害（冻谷），或局部土层厚薄不同，或因水的局部不均匀浸湿而发生的冻害。 2、换填不冻胀土

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①、作用

一般所说的“换土措施”基本上是指换以不冻胀土而言。换土的第一种情况是对在不冻胀或弱冻胀土的长距离地段内有局部的强冻胀土而产生的冻害，应换除局部的强冻胀土而求得其冻胀高度均匀相等。换土的第二种情况是做砂垫层。做砂垫层又分为两种情况：一是将砂垫层设到临界冻结深度，可以消除全部冻胀。二是将砂垫层的厚度控制在有部分冻胀土层中，保留有部分冻胀，以便平衡冻害地段与相邻地段的均匀冻胀。

做砂垫层，在地下水充分不及条件下，能减少毛细水上升高度；另外砂中可积蓄水分，能避免翻浆。

此种换土方法是在道床下将道床挖成2。8～3。5米宽的凹槽,按筑路标准回填以不冻胀土,形成垫层。垫层必须配合以排水管或横向盲沟,以免积水。换土的材料主要是砂,有时也用卵石、碎石等。采用填石垫层时，其下部也必须铺一层砂作为反滤层，以免石块压入土中或春季翻浆时泥土带入垫层中,堵塞了孔隙。

垫层填料的规格是决定垫层效果的根本因素之一。填料选择得当，不仅可以消除冻害，使垫层的使用年限长久，而且还可以消除翻浆冒泥现象。否则，就很可能达不到换土的预期效果。选择填料的标准自然是冻胀性的强弱，但同时还必须考虑填料的强度及其反滤性能。 ②、适用范围

适用于因地表水而引起的冻害，在做砂垫层的同时应作好排水。也可用于防治基床翻浆。

另外根据多年整治冻害的经验，下列数据可作为参考： 1、 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

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粒含量不超过3%，其塑性指数不小于4。 2、 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，则换至冻结深度即可。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。 3、换土的宽度

路堤应整断面更换。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型换土（地下水承压时除外）；年降雨量很小的地区，下卧土层不是砂土的也可采用槽型换土。槽型换土的槽底宽度不得小于2。7m，如图所示。 4、换土地段的长度

更换长度可与冻害长度相等，并适当作好顺坡，或按下式计算： M = L + 2L0 + 5

式中 M—换土地段总长度（m）； L—换土长度（m）；

L0—顺坡长度（m），一般最小8～10m，按下式计算： L0 = h 0 / i

其中 h0 — 均匀冻胀高度（mm）；

i — 顺坡坡度，与行车速度有关，一般为3‰。 5、纵断面型式

为减少工作量，结合顺坡可将换土的纵断面型式分为二种，

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倒梯形：适用于冻害地段较长（10m以上）的情况下。 三角形：适用于冻害地段较短、冻峰明显的情况下。

也可用这二种型式的组合型。不论那一种型式，都应与冻害的外形相对称。 （3）铺设保温层措施

采用保温措施的目的是将冬季冻结线控制在保温层内，或将冬季冻结进程线按照设计要求控制在需要的冻胀土层深度位置上，从而使冻胀性土不产生冻胀或使其产生一定的冻胀以适应该地段两端的均匀冻起高度。所谓保温措施就是指在路基基床的土体中，从路基基床面往下做一定厚度的保温材料层，使冬季的冻结深度不能超过保温层厚度或按照设计要求超过保温层一定深度。做法和更换土质相近。 1铺设保温层新材料EPS

⑴、炉渣的导热系数很小，是一种良好的保温材料，能就地取材，成本低，效果好。用作垫层的炉渣应过筛，粒径以3～40mm为宜。易粉碎的含水量较大的炉渣不宜使用。

⑵、泥炭和冷压泥炭砖，经国外几十年运用证明效果良好，使用年限长。且湿度大的泥炭在水分冻结时，会放出大量潜能，能防止泥炭进一步冻结。实际调查表明，当泥炭垫层的含水量为85%时，其保温效果最好。 ⑶、采用EPS材料整治冻害是目前我国应用较广泛的一项新技术。在我们管内得到了全面推广，大量用于现场，收到较好效果。如牙林线409km冻害整治前，冻害高度150mm，利用此方法进行整治后，现冻高40㎜，效果显著。下面对EPS材料的特性、适用范围及施工有关要求做以下简介； ①物理特性：它是一种强度很高的隔温防水材料，密度为15～50kg/m3。在100kPa和200kPa静压力下的压缩变形不超过0。18%和1。2%，满足路基应力要求。另外突击吸水率为2。98%和2。86%，是较小的。 ②阿城现场实验段:是处在1。0米左右的低路堤地段,两侧为水田,常年浸

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水路基为不均匀的粉质土,含有腐植质及砂砾夹层,液限WL=36%,塑限WP=24%,天然含水量W=25-51%,每到冬季都产生较严重的冻害。在该处铺设了5。0CM厚,300CM宽的密度为45kg/m3EPS材料,并在两侧向下埋75cm深。在铺设EPS段与不铺设EPS段内埋设了温度传感器,其间距为50cm,测试结果如图所示,在EPS S上下的温度差值是较大的。 根据现场实验表明，冻结指数小于1000℃。d时，铺设EPS的路基土不冻结，不铺设EPS的路基土冻结深度为50cm；冻结指数在1000～1500℃。d时，铺设EPS的路基土冻结深度为20cm，不铺设EPS的路基土冻结深度为100cm。线路状况表明：铺设EPS地段没有冻害发生，不铺设EOS地段仍有冻害发生。

路基铺设EPS材料显著改变了路基土的温度状况，在EPS板上的道碴，其年温度较差增大，说明地温通过EPS板这个交界面处传导消散的热能减小；而EPS板下路基土的年温度较差减小，则进一步说明EPS板下路基土通过其交界面传导消散的热能减小。EPS半上下的温度差值较大，表明其绝热性能好。由于EPS板的存在减少了自深层土向冻结表面的热流量，并降低了路基土的冻结深度，从而消除了路基冻害。

③EPS板铺设的断面形式：以双股铺设为例，如图所示。EPS板的规格：1500×1000×50mm。

线路横向铺设2块，宽度为3。0m。路基顶面保持原基面形式，向外侧设2%排水坡，多余路肩土应撤除。设计及施工是线路原轨顶标高不变。 ④EPS材料适用范围

根据阿城工务段铺设EPS材料整治路基冻害的经验，总结出EPS材料的使用范围：

⑴、铺设EPS材料应首先考虑冻高大于30mm以上的路基大冻害处所。 ⑵、根据路基冻害外部表面特征，以及同一横断面上左右股钢轨的单侧冻

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害、交错冻害发生情况，只要准确判断出冻害的位置，也可采用单股铺设方式。

⑶、铺设EPS材料对解决道口、桥头及道岔路基冻害效果更好，可大大减少维修作业量及维修材料。

⑷、铺设EPS板整治路基冻害可结合线路大、中修施工一并进行。 ⑤施工中应注意的问题

⑴、应根据线路结构的特点，采取切实可行的线路加固措施，线路加固适用的钢轨应进行探伤检查。

⑵、无缝线路的施工应在锁定轨温增减10℃以内的条件下施工。 ⑶、扣轨前先检查施工位置处三根钢轨的轨缝情况，如为瞎缝，必须进行调整，同时拨正方向。

⑷、施工应随时检查扣轨联结状态，特别是列车通过后，应随时全面拧紧所有螺栓。

⑸、若同一工地两组同时进行施工时，其间距应保持20m以上，并须向一方向进行，禁止两组相对施工。

⑹、施工地段一经开挖，必须当天完成，不能未经回填捣固而让其过夜。 ⑥几点提示

⑴、EPS板铺设深度对整治效果的影响：铺设厚的EPS板距轨枕底面的距离过大或过小都起不到良好的效果。过大则形成水槽，板上积水，水从板缝浸入板下基床；过小则使板铺放于石碴上，起不到保温作用。所以必须按现场实际情况及各种因素进行设计与施工。

⑵对接缝对整治效果的影响：对接缝必须严密，离缝过大保温效果不明显，所以对接板缝不易大于3mm；施工中也应避免接缝竖错。

⑶排水不畅对整治效果的影响：路堑地段应加强整治排水措施，经常清理淤积物，使路基土体中的水分充分排出，避免排水不畅，水浸路基。

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⑷整治后对线路的影响：冻害地段铺设EPS板后，在列车荷载的作用下，会出现轨面标高下降，线路形成漫坑。所以应在施工时预留下沉量，加强捣固，施工后也应加强整修。 2、保温层的厚度

根据当地的冻结深度、导热系数，按均质土层计算保温层的厚度。无足够数据时，可根据冻层深度来确定炉渣垫层的厚度。 3、保温层的宽度

最好将路基顶面全部铺设保温材料，也可在轨枕头外各1。3m范围内，或总宽5m范围内铺设。 4、炉碴保温层的排水与隔离

炉碴浸水后的保温作用要显著降低，因此保温层的底面必须高于地下水水位。如地下水位较高，应设置单侧或双侧地下排水设备，使地下水位降低后再设置保温层。也可在保温层内每隔5～10m设一横向渗水盲沟，流水坡度采用5～10%。

在砂道床地段，可用细粒炉碴铺一层10cm厚的隔离层，以免砂与炉碴混杂。也可铺一层10cm厚的三合土或防渗土工布做隔水层。其顶面作成路拱以利排水。 （4）、改良土质

潮湿粘性土在冬季可以冻胀造成冻害，而在春季融化时，由于冬季聚积水分的多少不同，使得路基基床产生大小不同的变形，严重者产生翻浆冒泥。这些变形是不良土质条件起主要作用。所以很多学者研究如何采用改良土质的办法来防治基床冻害，特别是一些工业发达国家，利用化学试剂，如高分子化合物或聚合物等来改善土质的性质，冻害的整治措施也越来越多。

改良土质的方式：

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(1)、降低土的冻结温度；

(2)、分散土的颗粒，降低土的渗透性； (3)、聚积土的颗粒，提高土的渗透性； (4)、提高抗水性能，以减少土的含水量； (5)、在土中形成不透水层，增加其抗冻胀性能； (6)、提高土的强度，防止基床变形。

改良土质整治基床冻害的方法，已经研究了多年，由于冻害的影响因素是多方面的，其整治效果是不稳定的，或有些措施的有效期还有待于考证，或因工程投资较大、成本较高，推广起来有困难。但这些措施的施工方法简单，能在很大程度上施行机械化，还有一些方法的工程成本随着工业化发展是可以降低的。所以对于改良土质这一方向作进一步研究，使其广泛应用是完全可能的

人工盐化基土

用氯盐（NaCl）整治路基冻害是一种效果明显，易于实施，成本较低的措施，在我段及国内外都曾有广泛的应用，但必须注意下面几个问题： ⑴、用盐量

由于盐化基土只能减少冻胀，且用盐量与冻胀量的减小并不成比例，根据实践经验，防治冻害的用盐量一般分为三种，如表所示。通常以9kg/㎡为佳。

冻害高度 mm 20以下 20～50 50以上 每平方米用盐量 5 10 15 ⑵、盐的成分

一般食盐含氯化钠90%以上，硫酸盐2%左右，而工业盐中氯化钠为47%，硫酸盐则高达26%。在土中，当硫酸盐含量超过2%时，会产生显著的松

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胀现象，所以使用时应做化验。 ⑶、施工方法

有挖槽铺盐、打孔注盐、稀释注入及土盐拌合等数种。应均匀铺洒在基床面下200～400mm处的土层中，注入的深度可至冻结深度的30～40%。盐化处理后的土应予以夯实，既可提高土的容重，又可减少盐的流失，以保持较长的效果。

一般盐化基土，在用盐量不是过多的情况下，可不考虑顺坡。 ⑷、效果

盐化基土整治冻害的效果豆油一定的时间性，取决于冻害的性质、用盐量、施工方法、气候条件等。短的为2～3年，长的可达10年之久。如反复采用盐化基土的办法，应控制土中的含盐量，一般不应超过土重的5～8%。 例如推行秦沈段冻害注盐整治办法，采取浇注盐水的方式对沈兰段冻害冻起高度15mm及以上的冻害全部进行注盐处理，计划203处/7。692公里，其中：沈阳46处/2。165公里、四平19处/0。351公里、长春137处/5。148公里。

①注盐方式。用塑料桶装盐水、用轨道车运输的办法灌注。（将20只容量为2000升的塑料桶，安装上放水阀，装在2个轨道平车上，利用轨道车运输盐水到现场灌注）。

②盐水浓度。避开下雨天气，常温情况下按照1：3的比例溶解盐水，保证盐水溶液达到25%以上的浓度。

③注盐数量。冻起高度h≤20mm时，5kg/m2;冻起高度在20mm＜h≤50mm时，10kg/m2 (按每毫米0。25kg/m2增加)；冻起高度h＞50mm时，按照15kg/ m2。单股冻起时用盐量适当减少，一般为3／4，由线路中心至未冻起股内侧150mm处的应为1／4，并且由线路中心起至未冻起股逐渐较少。

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④灌注方法。集中在高温季节7-10月份，单线双股或双线双股存在冻害地段，单线灌注线路中心，双线灌注两线间，利用路拱的坡度均匀分散灌注的盐水；道床板结地段灌注在线路枕头的道床。

⑤注意事项。冻害地段注盐量较多时要采取二次或三次注盐的方式，同时要扒开浇注位置的道碴，注盐后及时回填，防止道床泛白影响外观。 虽然这种方法只能减轻表层冻害，费工较多,但是费用低廉、效果明显、保持时间长。

结语

以上几个方面的防治措施，是我们在多年的维修工作中，通过实践积累起来的。有些可能还很不完善，在今后生产实践应用中我们将不断的去完善和更新，为21世纪中国铁路的发展增光添彩！

参 考 文 献

1、《第二界全国冻土学术会议论文选集》 2、《路基病害整治文集》 3、《铁路路基冻害及预防》 4、《路基工程》

5 《土力学与地基基础》

6 《既有东北铁路多年冻土区建筑物病害整治的试研究》 7 《铁路路基设计规范》 8 《路基》

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