嚴寒地區(qū)路基凍害成因分析及防治方

1、嚴寒地區(qū)路基凍害成因分析及防治方法一、刖言我國多年凍土分布很廣，較集中的地區(qū)是東北大小興安嶺和青藏高原。前者是古代冰川 沉積殘留物，目前處于退化階段，具有不穩(wěn)定的特點。后者是高海拔的近代大陸性氣候的產(chǎn) 物，至今仍在發(fā)展，具有不穩(wěn)定的特點。在鐵路工程中，常常會遇到多年凍土區(qū)路基施工， 例如湯林線、鶴崗線，地處小興安嶺地區(qū)，是我國多年凍土分布地區(qū)之一。路基凍害是嚴寒地區(qū)，特別是多年凍土地區(qū)鐵路線路上分布很廣和常見的病害。它與寒 冷的氣候有關(guān)，冰凍線能達到相當深度；又涉及到土的特性，所以有的土類對冰凍作用很敏 感。路基凍害在哈局管內(nèi)的各種路基病害中，分布廣、時間長、工作量大、影響行車嚴重程 度均占首

2、位。特別是哈局管內(nèi)的線路多數(shù)地處嚴寒地區(qū)，甚至高寒地區(qū)，加上具有四、五十 年的歷史，由于當時施工缺少經(jīng)驗，對凍土沒有得到充分的認識，多采用普通的施工方法， 致使多年來一直普遍存在著不同程度的路基病害，使病害的形成多樣化，經(jīng)常會出現(xiàn)凍脹、 凍裂、路基下沉、路基邊坡或路塹邊坡坍塌、滑塌等現(xiàn)象。每年自10月起至次年5月止，在 長達七個月的時間里，凍害使線路長期變形，給養(yǎng)護維修工作帶來了繁重的負擔，投入的勞 動力約占全年勞動力的45%，同時耗費了大量的材料。路基凍害的存在，不僅增加了養(yǎng)護維 修的工作量，影響了正常維修，加大了維修成本，而且使得線路質(zhì)量下降，直接影響行車安 全。特別是在鐵路快速發(fā)展的新形

3、勢下，科學有效地整治路基凍害，對哈局實施“內(nèi)涵式發(fā) 展，低成本跨越”的跨越式發(fā)展戰(zhàn)略，實現(xiàn)“客運高速化、貨運重載化”都具有重要意義。下面我主要將凍害的成因、主要影響因素、凍脹基本規(guī)律及防治方法，結(jié)合具體實例加 以論述。二、路基凍害的分類按縱向外部形態(tài)劃分凍峰：路基面在短距離內(nèi)的凍脹高度大于相鄰兩地段的凍脹高度所形成的凸起部分。凍谷：路基面在短距離內(nèi)的凍脹高度小于相鄰兩地段的凍脹高度所形成的凹槽部分。凍階：路基面兩相鄰地段的凍脹高度不同而在連接處所形成的錯臺部分。按橫向外部形態(tài)劃分單側(cè)凍害：沿路基面橫斷面兩側(cè)凍脹高度不等。雙側(cè)凍害：沿路基面橫斷面整個凍脹高度大體一致。交錯凍害：在路基縱橫斷面上相

4、鄰地段的凍脹高度均不相同形成高低交錯的現(xiàn)象。按凍脹產(chǎn)生的部位劃分道床凍害：由于道床不潔而產(chǎn)生的凍脹，雖不屬于路基凍害的范圍，但其性質(zhì)及對線 路的影響，與路基凍害相同。表層凍害：受地表水影響產(chǎn)生的凍脹，發(fā)生在路基土體臨界凍結(jié)深度內(nèi)上半部分，一 般凍高度較小，表現(xiàn)為“早起早落”型。深層凍害：受地下水影響產(chǎn)生的凍脹，發(fā)生在路基土體臨界凍結(jié)深度內(nèi)下半部分，一 般凍脹高度較大，表現(xiàn)為“晚起晚落型”。按凍害高度大小劃分一般凍害：1025mm；較大凍害：2650mm；大凍害：51100mm；特大凍害：100mm以上。三、路基凍害的成因及主要影響因素凍害，是土體在凍結(jié)過程中因凍脹所引起的病害。由于土中的水在凍

5、結(jié)過程中能向冷凍 峰面遷移、并不斷凍結(jié)析出冰層，水結(jié)成冰，體積增大9%，使土顆粒相對位移而發(fā)生凍脹， 路基就被抬起，即造成土體的凍脹。土凍結(jié)時，還發(fā)生水分向凍結(jié)面轉(zhuǎn)移，更使土的凍脹量 增大，融化后則使土劇烈沉陷。路基產(chǎn)生凍脹、下沉等凍害的影響因素是很復雜的，但主要可以歸結(jié)為溫、土、水和力 四個要素。四個要素中溫度和壓力的變化是外因，而土和水是內(nèi)因。這四個要素在建筑物的 凍害過程中都是存在的。其中值得提出的是水這個要素，路基土體中的水分是形成路基凍害 的決定性因素。水分遷移是凍土中主要的物理力學過程，是路基產(chǎn)生凍害的基本原因。凍水 結(jié)成冰，強度劇增；冰融成水，承載力幾乎等于零。水的這一特性決定了

6、凍土有很高的承載 力，而融土的承載力則大為降低。水的影響（1）土中水的分類及特征目前，在土力學中，將土中水分成以下幾種：氣態(tài)水：水氣是由毛細區(qū)水分蒸發(fā)而形成并隨溫度升高而增加，它由土溫變動造成的壓 力的作用下遷移，由高溫向低溫處移動。土凍結(jié)時，水氣向凍結(jié)面遷移，凝結(jié)成滴液狀，進 而凍結(jié)。氣態(tài)水是含水量小的砂類土凍結(jié)時水分集聚的水源。吸著水（強結(jié)合水）：它是附著在土上的近似于彈性的固態(tài)水。凍結(jié)時吸著水不發(fā)生相態(tài) 變化（不凍結(jié)）。薄膜水（弱結(jié)合水）：由于土顆粒的電分子引力作用及水分子的雙極構(gòu)造，當水和土顆粒 接觸時，會在土顆粒表面形成一層薄膜水層。最里面的水分子吸附力最大，為強結(jié)合水，水 分子不能

7、自由活動也不凍結(jié)；而外圍的水層為弱結(jié)合水，可以在水分子作用下運動和在負溫 下凍結(jié)。一般在土中，由于土顆粒間距離很小，甚至互相接觸，可以形成公共水化膜，這時 它們的弱結(jié)合水層便會在土顆粒和水分子引力作用下達到相對的平衡狀態(tài)。它的凍結(jié)溫度一 般低于-1.5C。很弱結(jié)合水：這種水是土的塑性狀態(tài)水。其性質(zhì)處于結(jié)合水和自由水之間，具有相當大 的可移動性，是土凍結(jié)過程中水分集聚的主要來源。在土凍結(jié)過程中發(fā)生水分向凍結(jié)面強烈 遷移，能產(chǎn)生大量的冰析和很大凍脹。毛細水：它克服了重力作用，從自由水面向上升高不從土中流出，蒸發(fā)時也不改變自己 的水位。潛流性狀態(tài)水（被動吸附水）：它處于自由狀態(tài)，不受礦物顆粒表面力的

8、作用。被動吸附 水凍結(jié)時，具有雙重作用：第一，依靠它補充很弱結(jié)合水在遷移和析冰過程中脫水的水膜： 第二，在它的濃縮點形成結(jié)晶中心，由于冰的吸附能力大，粘結(jié)水向它遷移，從而造成了厚 大冰體增長的條件。重力水（或自由水）：它存在于足夠大的孔隙和裂隙的土中，再重力作用下移動，當有壓 力差時，能從土中流出。土凍結(jié)時，重力水不能向冷鋒面遷移，但它能成為參加遷移過程的 其它類型的水。（2）路基土體中水分的周期變化路基土體的水分分布狀態(tài)是隨著一年四季而有四個明顯的階段變化：秋季（土中水分積聚階段）：此季節(jié)是大氣降雨的集中時期，在寒冷的北方，降雨量主要 集中在七至九月，約占全年降雨量的70%以上，因而這時期地

9、表土體濕度增大，并下滲為地 下水的主要補給期冬季（土中水分重分配階段）：當溫度下降至負溫后，從地表土層逐漸向下凍結(jié)，在凍結(jié) 過程中，土中水分將發(fā)生變化，凍結(jié)成冰并不斷的從下面凝土層中向上抽吸水分，行成土中 水分的從分布。由于土中水分向上聚積，使得表層土體的含水量較凍結(jié)前增大，從而使土體 的結(jié)夠發(fā)生變化，當土質(zhì)條件適合時能形成凝冰或鏡冰體。春季（土體稀釋、強度下降階段）當溫度回升至正溫后，路基表層土開始解凍，地表土 自上而下融化，由于下部上有未融化的凍土存在，使得上部融化土體中的水分無法下滲，當 含水量多時可達到飽和狀態(tài)。從而可產(chǎn)生翻漿冒泥現(xiàn)象，此時土體強度最小。夏季（土體排水固結(jié)、強度增長階段

10、）：此時由于氣溫增高，融化深度加深以至凍結(jié)消失。 土中水分蒸發(fā)及下滲，固結(jié)能力不斷增強，上部基床土開始干燥。土層強度在增長，穩(wěn)定性 在增加。由于這種周期變化，鐵路路基的穩(wěn)定性受到了影響，路基病害也在年復一年的加劇，嚴 重地影響著線路狀態(tài)。（3）地下水位對凍脹的影響地下水位距凍結(jié)近成線的遠近直接關(guān)系到凍脹值的大小。地下水位愈淺凍脹愈烈，地下 水位愈深凍脹愈小。（4）土的凍前含水量對凍害的影響土中水結(jié)冰時，體積膨脹。若土粒之間尚有足夠的孔隙供冰晶自行生長，則沒有凍脹力 的反映；一直到含水量大到某一程度后，土中水的凍結(jié)才造成土的凍脹，當含水量繼續(xù)逐步 增大時，凍脹便明顯起來。含水量越大，凍脹越嚴重。

11、起始凍脹含水量的大小與土質(zhì)條件有 關(guān)。土體在凍結(jié)過程中，由于水分的轉(zhuǎn)移及聚冰作用，使土中的含水量顯著增大，因此，當 春季融化時，土體甚至處于飽和狀態(tài)，若有地下水或其他水源補給時路基凍害更嚴重。在整個凍結(jié)深度內(nèi)，凍脹強度并非均勻分布，在地表以下最大凍結(jié)深度的2/3以上才有 凍脹，以下則凍脹基本消失，在該深度以上稱為有效凍脹區(qū)。各類土的起始凍脹含水量：粘土、砂粘土一般為1825，粉質(zhì)的為1520 ；粘砂土一 般為1318，粉質(zhì)的為1115 ；粉砂或細砂一般為1015 ；中粗砂、礫砂、礫石一般為5 8，粉質(zhì)的為515。凍土的含冰量：凍土在負溫條件下，仍有一部分水不凍結(jié)，叫未凍水，未凍水隨溫度的 降低

12、、土顆粒的增大而減少。未凍水多時，則土粒被冰膠結(jié)程度差，強度降低，并影響土的 熱物理性質(zhì)。故凍土的含水量并不是等于其融化時的含水量。衡量凍土中含冰多少的指標有 體積含冰量、重量含冰量和相對含冰量。（5）土凍結(jié)時水分的遷移當路基土體凍結(jié)時，路基土體中水分進行重新分布。水分由未凍結(jié)區(qū)向凍結(jié)區(qū)遷移。這 種現(xiàn)象揭示了土表面凍脹的實質(zhì)。當上部土體發(fā)生凍結(jié)時，由于形成冰晶，就從靠近凍鋒面 的土顆粒外圍的水化膜中奪走一部分水，使水膜變薄，使公共水化膜產(chǎn)生不平衡。這時，減 薄了的水膜就會從鄰近處抽吸水分來補充，以恢復平衡。所以在凍結(jié)過程中，增長著的冰晶 不斷地從水化膜中奪走水分，而相鄰的厚膜中的水分子又不斷地

13、向薄膜補充。這樣，不斷地 依次傳遞就形成了凍結(jié)時下部土體的水分向凍結(jié)鋒面的遷移。水分遷移分為兩個區(qū)域，第一個區(qū)域是與徹底結(jié)凍帶相連接的未凍土帶，既水分遷移的 緩沖帶。緩沖帶是補充凍結(jié)面上結(jié)晶水的平衡水源。第二個區(qū)域是結(jié)凍區(qū)，在這里，水延薄 膜運動來實現(xiàn)薄膜結(jié)晶機構(gòu)。根據(jù)土的類型不同，我們發(fā)現(xiàn)粘性土和砂類土中水分的遷移情況是不同的：凍結(jié)的粘性 土中越接近凍結(jié)封面水分的含量越高；相反在砂粒土中越接近凍結(jié)封面水分的含量越低。（6）多年凍土地區(qū)的地下水多年凍土層上部界限，稱為多年凍土上限，簡稱上限；下部界限，稱為多年凍土下限， 簡稱下限。在大自然條件下形成的上限，稱為天然上限；經(jīng)過人工活動后形成的新上

14、限，稱 為人工上限。層上水：季節(jié)融凍層內(nèi)的季節(jié)地下水，非銜接的多年凍土地區(qū)的季節(jié)融凍層與多年凍 土之間的常年地下水，均在上限界面以上，統(tǒng)稱為層上水。層間水：上限界面以下，下限界面以上，多年凍土層內(nèi)局部融區(qū)的地下水，稱為層間 水。層下水：下限界面以下的地下水，稱為層下水。土的影響路基的凍害變形與土質(zhì)條件有直接關(guān)系。粗粒土的砂礫土具有良好排水條件，很少產(chǎn)生 水分遷移和聚冰作用，凍害變形一般較小。黏砂土若有地下水補給，則往往發(fā)生較嚴重的凍 害，黏土則可能形成較大的凍脹。當土中含水量超過起始凍脹含水量時，由于土顆間水膜厚 度增大，土粒間的磨擦阻力降低以致消失，使土的抗剪強度顯著減弱，在荷載作用下則造成

15、 下沉等病害。隨著氣溫下降，在地一一氣熱交換過程中，土溫達到土中水結(jié)晶點時，便產(chǎn)生凍結(jié)，形 成凍土。根據(jù)凍土存在的時間，可以把凍土分為：持續(xù)凍結(jié)三年以上的多年凍土；冬季凍結(jié)、 夏季全部融化的季節(jié)凍土和僅維持凍結(jié)數(shù)小時或數(shù)日的瞬時凍土。凍土是一種復雜的由土顆粒、水、冰組成的復合體，是一種非均質(zhì)、各向?qū)缘慕橘|(zhì)。 我國東北地區(qū)的多年凍土屬于高緯度地區(qū)多年凍土，其分布和凍土厚度受緯度地帶性控制， 自西北向東南，由大片連續(xù)分布變?yōu)閸u狀分布，它對凍土地區(qū)的路基穩(wěn)定性有著極大的影響。路基基床已經(jīng)存在變形時，各種道碴陷槽等都可能使凍害嚴重發(fā)展，在一定條件下，它 可能是形成路基凍害的主要原因。另外，線路道床不

16、潔，排水不良也會加劇路基的凍害。（1）土的凍結(jié)溫度土中水結(jié)晶的開始，標志著土開始凍結(jié)，成為凍土。這時的溫度總是低于零度。原因是 水中存在著可融鹽份，它同礦物質(zhì)之間相互作用的結(jié)果。土的凍結(jié)溫度標志著土凍結(jié)的開始， 為此也常稱為起始凍結(jié)溫度。土的起始凍結(jié)溫度取決于土的含水量、土粒的大小及礦物成分。 土的顆粒愈細土凍結(jié)溫度的變動范圍愈大，同時又與水溶液的濃度密切相關(guān)，因此土的凍結(jié) 不能以某一溫度來表征。（2）路基土體的溫度變化為了保證路基土體的穩(wěn)定，必須掌握地溫的溫度分布狀況和其年變化規(guī)律，特別是水發(fā) 生相變時溫度所構(gòu)成的凍結(jié)面位置和形態(tài)及其凍結(jié)面變化規(guī)律?，F(xiàn)以季節(jié)凍土地區(qū)的路基為 例，概述如下：秋

17、季:地表土溫度隨著氣溫的下降而逐漸下降。這時地溫由低于氣溫而漸變?yōu)楦哂跉鉁兀?因地表下12m處的低溫較高，再下深度為多年地溫平均值（此處平均值低于其上部地溫）。 這時期地中熱流是自地表下的高溫層向上、下兩個方向散熱。當高溫層消失后，整個地表土 體溫度才進一步降低。冬季：當氣溫繼續(xù)降低，這時地溫高于氣溫，且表層地溫低于深層地溫。這時期地中熱 流方向始終向上，向大氣散熱。此時土層中開始形成凍結(jié)面，由地表逐漸向下移動，地表土 層為單向凍結(jié)。春季：地表土層隨氣溫的逐漸回升低溫也在提高，但其變化幅度較小，在時間上較氣溫 滯后，且地溫低于氣溫。此時地表下12m深處地溫較低，再向下時地溫又逐漸升高至多年 地

18、溫平均值。這時期，地中熱流方向是從上、下地層流向低溫層，低溫層在逐漸縮小，整個 土體溫度在進一步升高。夏季：氣溫在繼續(xù)升高，氣溫高于地溫。這時期地中熱流方向是：無凍土層者由上向下 流動，地表及地中溫度都在升高；有凍土層者由上、下兩個方向向凍土層流動，直至凍土層 全部消失為止，有的地方可直至秋季時期，才能完全融化。在多年凍土地區(qū)，地表土體的表層為季節(jié)融凍層，其下為負溫的多年凍土。當不銜接時， 它的融凍規(guī)律基本上是季節(jié)動土的融凍規(guī)律。當其銜接時，它的融凍規(guī)律與當不銜接時恰恰 相反。（3）凍土的結(jié)構(gòu)形式由于水分在土中的轉(zhuǎn)移情況不同，而造成多年凍土在結(jié)構(gòu)上有以下的不同形式。整體結(jié)構(gòu)：由于溫度驟然降低，

19、凍結(jié)很快，土中水分來不及轉(zhuǎn)移，只部分得到轉(zhuǎn)移的 水分與凍土結(jié)成冰，這種結(jié)構(gòu)的凍土含冰量不大，冰粒散布于土顆粒之間，其特點是土中沒 有肉眼可見的冰體（透鏡體或冰夾層）。這種冰體是普遍的，它是在沒有地下水向凍層補給， 含水量小的土凍結(jié)時，或粗、中砂凍結(jié)時，以及在不同含水量的土中快速凍結(jié)等條件下生成 的。凍土的整體構(gòu)造一般具有較高的強度，在融化時仍能保持土的骨架，也比層狀和網(wǎng)狀夠 造土強度降低的少。層狀結(jié)構(gòu)：地溫不很低，凍結(jié)緩慢，土中的水重新分布雙向轉(zhuǎn)移；經(jīng)過多次凍結(jié)和融 化的循環(huán)作用，當多年凍土上限緩慢上升，則形成薄層狀或厚層狀的結(jié)構(gòu)。這種凍土在融化 后，骨架整個破壞成可塑工流塑狀態(tài)。常在具有高含

20、水量或有外來地下水補給條件時發(fā)生， 它主要是粉質(zhì)粘砂土及粘土，粘砂土及粘土單向慢速凍結(jié)的條件下產(chǎn)生離析冰。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)：由于地表起伏不平（如山坡、小丘）凍結(jié)時受地形的影響，水分向不同方 向轉(zhuǎn)移，或土骨架有網(wǎng)狀的層理和節(jié)理，就形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的冰。這種結(jié)構(gòu)的凍土含有大量的 冰，融化后，呈軟塑或流塑狀態(tài)。扁豆體結(jié)構(gòu)：由于季節(jié)凍結(jié)及融化作用，土中的水分向冷的地方轉(zhuǎn)移，使凍層上限以 上的水受低溫影響形成扁豆體結(jié)構(gòu)。楔形冰體：在多年凍土上限以下的巖層或土的裂隙中，由于季節(jié)融化層的凍結(jié)及融化 作用，使水分轉(zhuǎn)移到裂隙中凍結(jié)成楔形冰體。在凍結(jié)過程中不同尺寸、不同形狀和不同方位 的冰體，形成大小不一的不連續(xù)的冰體。（4

21、）凍土的分類按發(fā)展趨勢可分為發(fā)展的與退化的兩種。由于地質(zhì)、氣候等因素的影響，地溫逐漸下 降，凍土的厚度和分布范圍仍在繼續(xù)發(fā)展的稱為發(fā)展的多年凍土；地溫逐漸上升，多年凍土 的厚度和分布范圍在退化減小的稱為退化的多年凍土。按垂直構(gòu)造可分為銜接的與不銜接的兩種。凍土層中沒有不凍結(jié)的活動層，凍層上限 與受季節(jié)氣候影響的季節(jié)性融凍層下限相銜接的稱為銜接的多年凍土；凍層上限與季節(jié)性融 凍層下限不銜接，中間有一層不凍結(jié)層的稱為不銜接的多年凍土。按平面分布情況可分為整體的、斷續(xù)的和島狀的。在較大的地區(qū)內(nèi)呈整體分布稱為整 體多年凍土；多年凍土層為不凍土切割的稱為斷續(xù)多年凍土；呈島狀分布在不凍土區(qū)域內(nèi)的 稱為島狀

22、多年凍土。按凍土的總含水量和融化后的下沉特征可分為少冰凍土、多冰凍土、富冰凍土、飽冰 凍土和含土冰層五類。它們是以土的類別、總含水量、融化后的潮濕程度和融沉分級來區(qū)分 的，級別逐漸升高，共分為V級。凍土還可分為：堅硬凍土（或低溫凍土）、塑性凍土、松散凍土。堅硬凍土（或低溫 凍土）：指被冰牢固膠結(jié)一起，成為堅固的整體物質(zhì)。它的特點是在荷載作用下，表現(xiàn)脆性和 不可壓縮性；塑性凍土：是土凍結(jié)時，土骨架未被冰全部膠結(jié)，因而凍土尚保持塑性稠度。 這種凍土在荷載作用下，具有可壓縮性。塑性凍土主要是粘性土（粘砂土、砂粘土、粘土） 松散凍土:含水量很小時凍結(jié)的粗碎石土和砂土。此時冰的膠結(jié)作用只在個別集成體中發(fā)

23、生， 而整個土體仍處于松散狀態(tài)。（5）凍土地區(qū)的不良地質(zhì)現(xiàn)象厚層地下冰：當多年凍土層層上水發(fā)育，季節(jié)融化層達到最大融化深度時，多呈飽和 狀態(tài)；凍結(jié)時水分又向上轉(zhuǎn)移，只要上限位置有條件向上移動，就能形成新的冰層，這種作 用不斷進行，就形成厚度相當大的厚層地下冰。也有少量厚層地下冰是埋藏的冰川冰。厚度 大于0.3米的冰層，即稱為厚層地下冰。熱融滑坍：由于自然營力或人為活動，破壞了有厚層地下冰分布的斜坡的熱平衡狀態(tài) 后，地表土體在重力作用下沿融凍界面呈牽引式位移而形成的滑坍，稱為熱融滑坍。冰椎、冰丘：在寒季流出封凍地表或封凍冰面的地下水或河水，凍結(jié)后形成丘狀隆起 的冰體稱為冰椎，前者為泉冰椎，后者為

24、河冰椎。在寒季地面凍結(jié)，地下水受地面和下部多 年凍土的遏阻，凍結(jié)膨脹把地表抬起形成隆起的丘狀，稱為冰丘，它的特點是冰體沒有外露。 有的地下水中含氣體，使地表在暖季發(fā)生爆炸的丘狀隆起，稱為爆炸性鼓丘。熱融沉陷和熱融湖（塘）：由于自然營力或人為活動破壞了多年凍土（或地下冰）的 熱平衡狀態(tài)后，使地表下沉所形成的凹地或積水凹地，稱為熱融沉陷或熱融湖（塘）。凍土沼澤：多年凍土層地表因受積雪及地表水的影響，在平坦與低洼地帶形成沼澤。 此種現(xiàn)象在東北較多。因沼澤中多長有喜水植物（如東北的塔頭草）及覆蓋有泥炭層，使地 表長期積水或處于潮濕狀態(tài)。（6）凍土的危害凍土地區(qū)季節(jié)融化層中的水，凍結(jié)時向地表及上限兩個方

25、向轉(zhuǎn)移，形成的水分進行重分 布。待季節(jié)融化層融化時，表層特別松軟，且隨融化深度的加深，水亦逐漸下滲，直至上限 附近不能再下滲，由于上限附近的土聚積的水分最大，土的抗剪強度就大大降低。若路基邊 坡底下的上限位置是傾斜的，則路基邊坡有沿上限面滑動的可能。即使不會滑動，這種層上 水也可能從邊坡面滲出，沖蝕邊坡。故在凍土地區(qū)的路基工程中，處理土中水的問題是很重 要的。沒有土中水的凍結(jié)和融化，就不會發(fā)生凍害。而土中水的多少，又直接與土的顆粒粗 細有關(guān)，粗顆粒的土排水條件好，存水少，就不易產(chǎn)生凍脹或融沉現(xiàn)象；反之，細顆粒土中 水分難以排走，就會產(chǎn)生凍脹和融沉現(xiàn)象。故其危害主要有以下幾種：凍脹：路基的季節(jié)融

26、凍層內(nèi)，如含水量超過一定限值，土中水凍結(jié)時路基就會發(fā)生凍 脹。融化下沉：路基基底土層為富冰、飽冰凍土及含土冰層，由于地表水滲入后的熱交換 過程，和因保溫層厚度不夠，以及路基土的壓力、列車震動的作用等，使基底一定范圍內(nèi)的 原地表和原始多年凍土上限發(fā)生相應的下沉、下降變化，形成路基基底融化槽。熱融滑坍：由于自然營力或人為活動，破壞了有厚層地下冰分布的斜坡的熱平衡狀態(tài) 后，地表土體在重力作用下，沿融凍界面呈牽引式位移而形成的滑坍。（7）解凍時凍土的性質(zhì)解凍時凍土結(jié)構(gòu)的變化。凍土在解凍時其結(jié)構(gòu)會因融化水壓出后的增密作用和先前凍 結(jié)壓縮換失水的礦物聚體的膨脹作用發(fā)生明顯的變化，顆粒間的粘聚力發(fā)生很大變化

27、，同時 冰夾層冰透鏡體和冰的其它包裹體從堅固的狀態(tài)變化為液體，這種變化發(fā)生在負溫度區(qū)內(nèi)的 溫度任何上升時，從而影響到解凍土的物理力學性質(zhì)。解凍土的承載力及沉降。土在解凍時，特別是層狀和網(wǎng)狀構(gòu)造的凍土，無論粘著力， 還日內(nèi)磨擦角都會發(fā)生劇烈的變化。內(nèi)磨擦角在數(shù)值上接近于或較小于未凍結(jié)土的內(nèi)磨擦角， 而粘著力則較同樣土未經(jīng)凍融作用時小得多，或者接近于零。這是由于冰變成水，冰的膠結(jié) 作用受到破壞，土的強度降低，承載力下降，解凍土發(fā)生沉降。由于土的類型不同，路基發(fā) 生不均勻融化下沉及壓縮下沉。溫度的影響氣候條件是形成路基凍害的另一個重要條件，氣候條件主要指氣候的冷熱、持續(xù)時間、 降雨量、降雨持續(xù)時間等

28、。氣候條件影響聚冰層的深度、分布。若聚冰層位于距路基面頂面 較深處，一般對路基的凍害影響較小。反之，若聚冰層距路基頂面很近，位于表層，則凍害 往往嚴重。由于大氣溫度的下降，使土體溫度達到土中水的冰點時，土中的凍融層即產(chǎn)生凍結(jié)。土 體凍結(jié)時，由于土中孔隙水、外界水的補給及地下水補給的條件不同，水的冰晶形成多晶體、 透晶體和冰夾層等不同形式，使土的體積增大，引起路基凍脹。每當春季，凍結(jié)的土產(chǎn)生融 化，由于土中的水侵入體的消融發(fā)生沉陷引起路基下沉。冬季氣溫是影響土凍結(jié)溫度狀況及其動力過程的基本因素之一。主要表現(xiàn)在土層的負溫 數(shù)值和凍結(jié)速率，正在凍結(jié)的土，其凍結(jié)速率的快慢取決于環(huán)境溫度的冷卻能力。在相

29、同條 件下，大自然氣溫越低則凍結(jié)速率越快，遷移水流的時間小，重新分布的時間越短，所以造 成的凍脹量越小。當土層溫度處于相轉(zhuǎn)換區(qū)，且凍結(jié)速率較小時，土層中水分遷移的條件最 充分，可以形成較大的凍脹。不同土質(zhì)在相同含水量下，凍結(jié)速率各不相同。四、土的凍脹過程土的凍結(jié)初期，水局部結(jié)晶，在個別部位形成小冰晶。當冰晶形成后，與凍結(jié)鋒面連接 的薄膜水立刻向它移去，形成水膜，該水膜處于彈性張力狀態(tài)，并且總是力圖向凍結(jié)鋒面運 動。凍結(jié)土中水的移動和結(jié)晶，只是在水薄膜個別部位脫離其原有部分情況下才發(fā)生。薄膜水在凍結(jié)土里重新分布是凍脹形成過程的決定性階段。在結(jié)晶時，它能在封閉的土 體內(nèi)引起彈塑變形發(fā)展，結(jié)果引起土

30、凍結(jié)體的增大。凍結(jié)邊界附近的自由水又將轉(zhuǎn)變?yōu)楸∧?水，結(jié)果維持著一個水分濃度梯度。當水分遷移的通道上這個梯度在作用時，正在凍結(jié)土中 的水分遷移過程將一直進行。按照擴散層薄膜水厚度隨負溫降低而減小的過程，凍土中單位 水流將變小。當凍結(jié)土空隙量超過給定條件下結(jié)晶的水體積時，凍脹過程便停止。五、土體凍脹的基本規(guī)律凍脹量與凍脹強度：凍脹量是指某一土層在凍結(jié)前后的厚度差值，即變形高度；凍脹 強度是指某一土層的凍脹量與整個凍結(jié)土層凍脹量的比值。凍脹沿深度的分布規(guī)律：由于土層的非均質(zhì)性和地下水系的封閉、開敞情況不同，在 凍結(jié)深度內(nèi)各個部位土層的凍脹量和凍脹強度都是極不均勻的。在均質(zhì)土層中、封閉系統(tǒng)條 件下的

31、凍脹強度分布的基本規(guī)律一般為一近似三角形，并可分為厚度相等的上、中、下三層。 在均質(zhì)土層中若夾有砂層、或在非均質(zhì)土層中有地下水補給時，凍脹強度會有多種多樣的形 態(tài)。凍結(jié)深度的調(diào)查及計算方法：凍結(jié)深度可靠的調(diào)查方法是實地勘測，觀測的儀器有凍 土器、地溫計及直接挖驗觀測。由于受氣溫變化的影響及存在的滯后現(xiàn)象，凍結(jié)深度是一個 變化值。測試及挖驗一定要注明時間，表示當時的凍結(jié)深度值。最大凍結(jié)深度出現(xiàn)在最低月 平均氣溫之后，并隨凍結(jié)深度每增加1米，滯后近一個月，一般在三、四月份。其凍結(jié)深度 的計算參見工業(yè)與民用建筑地基基礎設計規(guī)范。六、路基凍害的整治在路基工程中除要做好排水系統(tǒng)外，常利用粗顆粒土作為填料

32、或換填材料，來消除凍脹 和融沉。但從土的保溫性能來說，土中小孔隙愈多，保溫性能愈好，從這一點來考慮，粗顆 粒則遠不如細顆粒土好。故在設計中要保持上限位置不變，防止凍害發(fā)生，擬利用天然土作 為保溫材料時，常利用細顆粒土，以減少工程量。路基凍害的調(diào)查凍害的調(diào)查工作應包括兩大部分：一是從外貌方面調(diào)查研究凍害的發(fā)生發(fā)展過程，即凍害發(fā) 生的部位、形狀、長度、起落時間及發(fā)展過程；二是通過鉆探、挖探等方法，觀察土層的土 質(zhì)種類、厚度、水文地質(zhì)、凍土結(jié)構(gòu)等。所有這些調(diào)查項目都是為分析凍害產(chǎn)生原因，確定 整治方案，為做出具體設計，提供可靠資料。（1）了解凍土類型：了解凍土的類型是發(fā)展的還是退化的，是多年凍土還是

33、季節(jié)凍土; 線路處在相對穩(wěn)定地帶還是相對不穩(wěn)定的邊緣地帶。凍土的上限位置和季節(jié)融化層土的類型 及其物理、熱物理、力學性質(zhì)。在多年凍土較薄的邊緣地帶還要了解下限的位置。（2）氣象觀測：應按氣象臺的要求設立：氣溫、地面溫度、風向風速、降雨、蒸發(fā)、日 照等項目的觀測，還應包括當?shù)氐湫屯恋膬錾?，地表表層溫度、分層凍脹量的觀測。收集當 地的氣溫、地溫、降水量等氣象資料。（3）地溫：可設立長期觀測站和短期觀測站。地溫孔要有足夠的深度，一般應達15米， 短期的孔深也應大于上限深5米左右。以了解和掌握活動層和凍土層的溫度性質(zhì)與動態(tài)，及 上限變遷與病害的關(guān)系。（4）地形、地貌及植被：應詳細記述病害地點的地形地貌

34、單元，微地形地貌特征，包括 部位、坡度和坡向，并測繪具有代表性的地形縱、橫斷面，查明病害分布的特點和規(guī)律。（5）地質(zhì)條件：根據(jù)鐵路工程地質(zhì)分區(qū)圖的劃分，把勘測調(diào)查的重點放在凍害嚴重的地 段。尤其是通過不良地質(zhì)現(xiàn)象如厚層地下冰、凍土沼澤、冰椎冰丘、熱融湖（塘）等地下水 較發(fā)育的地段，要收集足夠的資料。同時，通過挖探、鉆探等方法查明地層結(jié)構(gòu)、土層類型 和凍土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，并試驗測取不同土層的顆粒組成、含水（冰）量、及在凍融狀態(tài)下與病 害有關(guān)的特殊物理力學性質(zhì)和參數(shù)。查明地表水、地下水的補給、徑流、排泄條件，包括測 量水量、水溫，記錄它們在病害區(qū)域內(nèi)的運動變遷狀況，及對病害的影響。可用實際挖探、 計算

35、或測量等方法，準確測取病害前天然條件下凍土上限位置，病害過程中人為的凍土上限 的變遷情況。尋求引起凍土上限變遷的有關(guān)因素，上限變化與病害的關(guān)系，以及由此可能造 成的長遠影響。冬季挖探、鉆探是調(diào)查路基凍害最有效的方法，其判斷準確，可以直接觀察 構(gòu)成路基土壤的種類、含水量、凍土的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、地下水位、凍結(jié)深度及有無異物等為分析 凍害提供可靠資料。其位置應布置在路肩或側(cè)溝中和路基邊坡上，必要時需挖驗路基中心部 位。除在凍害處挖探、鉆探外，還應在凍害兩端進行挖探、鉆探，以便用對比方法分析凍因。（6）加密測點測量縱斷面：凍害調(diào)查時，應在凍害的初凍、最大凍高、回落三個階段分 別進行縱斷面測量。在凍包處每2m

36、設一測點，其它各點可適當延長。通過不同時期測出的縱 斷面加以比較，就可準確找出凍害位置及凍高變化情況，正確分析出凍害成因。（7）調(diào)查當?shù)匾延新坊幚韮龊Φ膶嵺`經(jīng)驗:當?shù)乜勺髡蝺龊Σ牧系漠a(chǎn)地及運輸條件。路基凍害的防治方法整治凍害必須貫徹和遵循兩個原則：一是消除不均勻凍脹；二是強調(diào)綜合整治的整體效 果。消除不均勻凍脹。主要是指消除路基病害地段與相鄰地段的凍脹差值，或使這一差值在 規(guī)定距離內(nèi)逐步消失，使線路達到合乎要求的標準。強調(diào)綜合整治的整體效果。各種整治凍害措施的目的、作用和效果不盡相同，各有針對 性和適用范圍。因此要根據(jù)凍害的具體情況分析研究不同措施的互相搭配，注重它們的整體 效果，以爭取達

37、到根除凍害的目的。（1）季節(jié)凍土地區(qū)路基凍害的防治措施1路基凍害的防制措施基本上分為四大類：a.排水及隔水一一由于水是形成路基凍害各因素中關(guān)鍵性的條件，因此控制土體中的 水分，其目的在于排除地表水或降低疏導地下水及隔斷下層水以消除或減少路基土體的凍脹。 排水設備應具有抗凍、防凍的能力，不被凍融破壞，能發(fā)揮正常排水作用。其類型有：地 表排水一一應進一切可能使地表排水暢通，并能將大量的地表水由橋梁及涵洞排走并防止 地表水的下滲。具體措施有：側(cè)溝、天溝、排水溝、跌水、吊溝、排水槽、截水溝及取土坑 排水等；基床排水一一多數(shù)凍害的產(chǎn)生與基床不平整有關(guān)。因此基床排水在防治凍害中也起 著相當重要的作用。具體

38、措施有：基床整形（平整基床及路肩）挖除道碴陷槽、路肩換滲水 性土壤、加設橫向盲溝、砂井、縱向盲溝、橫向排水管等；排除地下水一一地下水的存在和 變化，能在土中引起靜水壓力和動水壓力，并且是土中凍、融、干、濕循環(huán)而造成各種病害 的基本條件。排除地下水的基本措施有：截水明溝、滲水暗溝（截水滲溝、邊坡滲溝、支撐 滲溝）、滲水隧洞、平孔排水、積水井等。隔水措施一一是指用各種材料制成的隔水層， 使地下水不能透過，或隔斷毛細水的補給，阻止凍結(jié)時所產(chǎn)生的水分向上遷移作用，以減少 或消除凍脹。具體措施有：粘土、耐寒塑料薄膜、土工纖維防滲布、聚苯乙烯薄板、聚氯乙 烯軟板、樹脂類注入、電硅化層等。另外，用改性土如乳

39、化瀝青，或灌漿、矽化加固等方法。換填法（改土）一一對于由土質(zhì)不良而造成的路基凍害，且又有換填條件時，常廣 泛使用換填法，其目的是換除路基土體中的不均勻土質(zhì)，或改良土的性質(zhì)，以消除或減少路 基土體的凍脹。挖除凍害地段的凍脹性土，換以物理力學性質(zhì)較好的土。換土分兩種情況： 一種是換填砂墊層，主要用于凍結(jié)深度內(nèi)的土層是凍脹性較強的土；另一種是換填與周圍土 層凍脹性相同的土，主要用于因土質(zhì)不同或不均勻的凍害地段。因此，換土前應調(diào)查掌握凍 害深度、凍脹土的有關(guān)物理力學性質(zhì)等，準確掌握凍包（坑）高度、長度及均勻凍起的高度 等，確定換土的土質(zhì)、深度、寬度、長度及縱斷面形式等。采用的換填材料主要為粗砂、礫 石

40、等非凍脹性材料或弱凍脹性材料。換填法防治路基凍害的效果與換填的深度、換填材料的 粉黏粒含量、換填材料的排水條件、地下水位及補給條件有關(guān)。保溫法（隔溫）一一在路基表層（頂面及側(cè)溝）設置保溫隔熱層，使表層下的土層 不凍結(jié)或減少凍法深度，推遲土體凍結(jié)，提高土中溫度，減少凍結(jié)深度，其目的是使凍脹性 土脫離凍結(jié)層或部分脫離凍結(jié)層，從而消除或減少路基土體的凍脹。隔熱材料可采用草皮、 樹皮、爐渣、泡沫混凝土、玻璃纖維以及其他一些合成材料。物理化學法一一物理化學法是指采用人工材料，改變土粒與水之間的相互作用，使 土體在凍結(jié)時水分的轉(zhuǎn)移強度和冰點發(fā)生變化，減輕凍害的影響。采用爐碴、石屑或滲水性 能較好的砂性土，

41、通過多次高抬道分層墊入枕底，將路基面抬高至需要的高度，使抬道范圍 內(nèi)的凍害地段有一層保溫層，適用于沼澤地區(qū)路基和兩側(cè)常年積水的低路堤地段，以及地表 水較豐富，地下水位較高的淺路塹地段，高抬道施工前，必須做好縱斷面設計，盡可能使縱 斷面得到改善，施工時必須注意分層填夯密實，軌枕長度范圍內(nèi)，可以采用分層將枕盒填夯 密實的方法，也可以采用密鋪枕木利用列車重量分層壓實的辦法。另外，在路基土體中加入 一定量的可溶性無機鹽如氯化鈉、氯化鈣、氯化鉀等，可使土粒表面水膜增厚，降低表面能 和毛細作用，降低土的凍結(jié)溫度與水分轉(zhuǎn)移強度。一般可將鹽鋪在需防治凍害的地段，經(jīng)雨 淋滲入地面；亦可在事先鉆好的淺孔中填入結(jié)晶

42、鹽。采用憎水性材料摻入填土中，可減少或 消除地表水下滲、阻止地下水上升，使土體含水量降低，以減弱路基凍害。常用的增水性材 料有重油、柴油、液態(tài)石油瀝青、液態(tài)煤焦油等石油產(chǎn)品及四甲基乙二胺漠化物、四甲基乙 二胺氯化物、三甲基十八烷基氯化胺等化學表面活性劑。同時采用使土粒聚集或分散劑也可 收到明顯的防凍效果。道床凍害：經(jīng)常保持道床清潔，清篩道床或更換碎石道床防止泥土雜物混入道床，及 時清除土壟，增加道床滲透能力，疏通排水；削減路肩高度，平整路肩、基床面，保持路肩 和邊坡平整，無裂縫、無坑洼積水。（2）多年凍土地區(qū)路基凍害的防治措施多年凍土地區(qū)路基的構(gòu)成，其上部為季節(jié)融化層，下部為多年凍土層。所以它

43、除了上部 的季節(jié)融化層具有季節(jié)凍土地區(qū)路基凍害的特點外，下部則有多年凍土路基的特殊病害一路 基熱融沉陷，路基凍融坍塌，路塹邊坡熱融滑坍及路堤邊坡表層滑坍。除此以外，多年凍土 地區(qū)的不良地質(zhì)現(xiàn)象一凍脹丘及冰錐，也給線路造成危害。多年凍土地區(qū)路基特殊病害的防 治總的概括為兩大類：一是在使用中保持土凍結(jié)狀態(tài)的原則（即采用保溫措施等）這種原則 適用于含冰豐富的凍土或厚層地下冰地帶；二是在使用中凍土可以融化，或局部融化，或控 制融化速度，這一原則一般使用于厚度較薄的凍土層或含冰量局部較大的島壯凍土地帶。對于多年凍土路基，目前主要采用以下幾種治理措施來防凍脹、抗融沉，盡量減少路基 病害。a.填方取土堅持“

44、集中取土”的原則。取土坑、取土場必須設置在少冰凍土、多冰凍土 地段，在高寒冰地區(qū)嚴禁取土。開挖爆破時，必須遵循兩大原則：按保持凍結(jié)原則設計的爆破開挖只能在寒季施工； 按允許融化原則設計的開挖可在暖季施工，但必須快速開挖、快速施工回填、換填。換填處理。對不良凍土（熱融湖塘、濕地、低路堤、路塹基床、邊坡采用砂卵石或細 粒土進行隔熱換填處理。鋪設隔熱保溫層。在基底或基面以下一定深度處鋪設硬質(zhì)聚氨酯板或聚苯乙烯板等隔 熱保溫材料，防止對下伏凍土的執(zhí)振動。保溫護道。在路堤兩側(cè)填筑一定寬度、高度的護道，阻斷熱量傳輸。護道填料一般沒 有特殊要求。熱棒冷凍。熱棒是一種高效熱傳輸裝置，長度較大，一般在810m范

45、圍內(nèi)，用鉆機鉆 孔插入地基，將地基吸收的熱量向外輸送，保持地基凍結(jié)狀態(tài)，防止融沉。通風路堤。在高溫極不穩(wěn)定區(qū)的路堤可在適當位置埋設通風管（直徑30cm的鋼筋混凝 土管、鋼管、PVC管）或在路堤下部采用片石填筑，加強通風，改變路堤熱傳輸特性。多年凍土地區(qū)路基施工。多年凍土地區(qū)路基工程施工首先做好排水工程，在保持多年 凍土不融化的地段，排水溝至路塹坡腳或保溫護道應有足夠的距離，以防止凍土融化，影響 路基穩(wěn)固。這一距離一般不小于1.5m。天溝至塹頂邊緣不小于10m。厚層地下冰地段，為保 護凍層，不宜修筑排水溝和天溝，可修筑擋水埝。而多冰凍土地帶排水溝和天溝深度不宜淺 于0.6m，寬不小于0.6m。在

46、凍土地區(qū)修筑的排水溝與天溝必要時應予以加固防滲。施工取土 的地點應慎重選擇，防止由于取土引起凍土融沉及熱融滑坍，影響路基的穩(wěn)定。在地下水發(fā) 育地段取土若開挖過深，可能地下水出露形成冰椎，影響路基穩(wěn)定，所以不可開挖過深。凍 土地區(qū)的路基施工應盡可能保護施工地段的自然條件，在路塹頂和路堤坡腳以外20m范圍內(nèi) 的草皮應予保護，并在這一保護地帶內(nèi)不設施工便道及其他臨時設施，以保護凍土，防止凍 土融化。路堤基底的植被應予以保護。多年凍土地區(qū)路基一般在凍結(jié)季節(jié)施工，由于凍土開 挖會促使其融化，應進行快速施工。七、路基凍害整治實例病害情況病害地段位于鶴北線k7+525k7+750位于鶴崗寶泉嶺間，冬季最低氣溫為-33C，年 降雨量300mm左右。該地段路堤高0.4m，線路縱坡為6%。，直線地段，81型鋼筋混凝土軌枕， 50kg/m長25m軌普通線路。線路位于陽坡溝谷地段，地勢較平坦，路堤高1.5m，路堤填料 為砂粘土。線路右側(cè)有兩處積水坑，形成潛流及滲透作用