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1、摘 要我国铁路发展迅速，正在向重载和高速发展，随着列车的提速，越来越多的既有线出现了病害情况，如路基病害。路基的病害有多种，如翻浆冒泥、路基下沉、路基冻害等。我国国土面积较大，冻土面积也大，在寒区修建的铁路因环境恶劣，出现了许多冻害，路基冻害主要有冻胀（主要为不均匀冻胀）、融沉和冻融翻浆。水、温度、土质是路基产生冻害的三因素，治理路基冻害，可采取隔水、换土和隔温等措施。本文通过阐述路基冻害产生的机理来采取不同的治理措施治理，具体措施有排水设施（如排水沟）、保温隔温设施（保温护道、片石通风路基结构、热棒路基结构）和换土措施，在青藏铁路上就采用了热棒路基。又多年冻土地区不良地质较多，如冰锥、冰丘，
2、可通过冻结沟或积冰坑防止冻害发生。冻土地区的环境保护也是至关重要的，它能够减少路基冻害的发生和延长路基的使用寿命。本设计针对冻土区路基病害的提供了一些治理措施，能有效的保证路基的稳定，不受破坏，可供同类工程借鉴。关键词:路基冻害 冻胀 温度 治理措施 目 录第1章 绪 论11.1 我国铁路发展现状及存在问题11.2 季节性冻土的分布及路基主要冻害21.3 国内外研究现状31.3.1 国外路基冻害研究现状31.3.2 我国路基冻害研究现状4第2章 路基冻害种类62.1 按外部表现特征分类62.2 按负温总量分类62.3 按产生部位分类62.3.1 道床冻害形成原因72.3.2 表层病害形成的主要
3、原因72.3.3 深层冻害的形成8第3章 路基冻害的表现形式及其产生机理93.1 融沉病害93.2 冻胀病害93.3 冰害113.4 冻融翻浆113.5 铁路路基次生灾害12第4章 路基冻害防治措施144.1 水作用的机理及治理原则144.1.1 水作用机理144.1.2 治理原则154.2 排水系统154.2.1地表排水系统154.2.2 地下排水系统194.2.3 其它排水系统及方法234.3 温度对路基冻害的影响及治理措施274.3.1 温度与路基冻害的关系274.3.2 温度在路基中的传播方式及治理路径284.3.3 温度治理措施284.4 其他路基病害及治理措施384.4.1 冰锥、
4、冰丘地段的路基整治394.4.2 路堑边坡失稳及治理40第5章 多年冻土地区的环境保护425.1 既有线运营中的环境保护425.2 多年冻土区环境监测和管理42第6章 结论与展望446.1 结论446.2 展望45参考文献46致谢48附录A 外文资料翻译49A.1 英文49A.2 译文59第1章 绪 论1.1 我国铁路发展现状及存在问题世界铁路已有180多年的历史，1803年英国人特里维西克试制了第一台行驶于轨道上的蒸汽机车，1825年英国在大林顿到斯科托顿之间修建了世界上第一条铁路，长21km。我国第一条铁路是1865年英国商人社兰德在北京宣武门外修建的窄轨铁路约0.5km试行小火车。我国铁
5、路建设在新中国成立后有很大的发展。在路网建设、线路状况、技术装备和运输效率上，都有极大的成就。在崇山峻岭的西南地区，修建了成渝、宝成、黔桂、川黔、贵昆、湘黔、湘渝、阳安、来睦（来宾-睦南关）、黎湛、内宜、达成、南昆等干线，构成了大西南的铁路网骨架。在解放前根本没有铁路的西北地区，建成了天兰、兰新、兰青、青藏（西宁格尔木拉萨）、南疆、包兰、干武、宝中、北疆等干线。在华北地区，建成了丰沙、京承、京原、京通、京秦、太焦、邯长、新荷、侯西等干线，以及纵贯南北的京九干线，首都北京已形成九条干线引入的大型枢纽。在东南沿海，建成了焦枝、枝柳、汉丹、武大、大沙、合九等干线；在东北地区，修建了沟海、通让等联络线
6、、汤林、牙林、长林、嫩林、林碧等林线，以及霍林河、伊敏河等煤矿支线。截止到2004年底，我国铁路营运里程突破7万余km，居是世界第三；其中复线2.5万多km，复线率约为40%，电气化铁路里程1.8万km，电气化率约30%，内燃化铁路里程4万多km，占营业里程的63.6%1。此外，各省区建成的地方铁路还有6218.4km。我国中长期铁路规划网的发展目标是，到2020年，全国铁路营业里程达到10万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电化率均达到50%，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。 到2010年，随着我国铁路“十一五”建设计划的即将完成，铁路网营业里程
7、达到8.5万公里左右，其中客运专线5000公里，复线3.5万公里，电气化铁路3.5万公里。由于我国铁路建设较早，设计时速较低，对铁路的技术要求不高。在这几万里长的线路上，由于列车荷载的反复作用、自然条件、线路条件等原因，线路上产生了各种各样的病害，这些病害影响了线路的质量状态，甚至危及铁路的行车安全。既有线常见病害有2:钢轨的病害:轨头核伤、钢轨磨耗、轨腰螺栓孔裂纹、钢轨接头伤损等；轨枕病害（轨枕失效）:明显折断、纵向断裂、横裂（或斜裂）接近环状裂纹、挡肩破损、严重掉块、承轨槽压溃、钢筋（或钢丝）外露；道床病害:脏污、折断；路基病害:路基翻浆冒泥、路基下沉（基床下沉、地基下沉、边坡外臌）、基床
8、外挤、路基冻害、边坡溜塌、风化剥削、滑坡、不良地质和水文条件造成的路基破坏。路基是线路的基础，路基病害严重影响了线路的正常使用。又我国冻土面积较大，在冻土区修建了许都铁路，随着青藏铁路的建设竣工，冻土区铁路病害更值得我们关注。既有线路基冻害现状调差3:通辽枢纽为既有通辽一霍林河铁路的起点。既有线以路基为主，路基占线路全长的97%。沿线为填方，平均高度4m8m。既有线路基经过多年运营，大部分路段较为稳定，据沈阳局通辽工务段2006年秋检资料、路基病害资料、2006年2007年冻害资料，结合调查访问，现状路基病害主要类型有:一般冻害150 m6处、边坡溜坍5035 m6处。引起路基病害的最主要原因
9、为冻胀和融沉问题，经常造成路基边坡开裂、发生溜坍等，直接影响了既有线的正常运营，且每年需花费较大的工程费用进行病害治理。因此对冻土区既有线铁路路基进行全面考察处理，寻求合理有效的处置措施，以提高铁路的运营能力，就显得尤为重要。1.2 季节性冻土的分布及路基主要冻害在我国，季节性冻土的分布很广，普遍分布于长江流域以北十余个省市，约513.7万平方公里，占国土面积的55%左右。其大体分布情况（如图1.1所示）多年冻土占20%季节冻土占55%多年冻土区图1-1 我国各类冻土分布图在冻土地区修建各种工程构筑物，困难重重。许多公路、铁路、桥涵、房屋、管道、渠道和人工冻结井壁等各类工程建筑物会遭到严重冻胀
10、破坏，且量大面广，有的开裂、有的倾斜、有的甚至倒塌。铁路路基冻害主要有冻胀（主要为不均匀冻胀）、融沉、冰害、翻浆等。1.3 国内外研究现状人们很早就认识到路基冻害对道路的破坏作用。为了减小冰冻破坏，延长道路的使用寿命，改善道路的使用性能，不少道路工作者一直在进行着对冰冻作用的本质研究。自上世纪开始，人们逐渐对影响路基冰冻破坏作用的因素有了认识。认为路基冻害是由于在冰冻过程中积累了大量的水分造成的；冰冻过程中水分向冻结区的迁移是在各种梯度作用下完成的。目前，俄罗斯的西伯利亚、美国的阿拉斯加、中国的大兴安岭和青藏高原等地广泛分布有冻土环境。各地的冻土本身的性质没什么不同，但由于各地冻土年均气温、地
11、表植被等生物条件的不同，因此，世界各地的冻土研究发展过程是不同的。冻土问题是目前世界性的难题，世界上几个冻土大国，如俄罗斯、美国、加拿大、中国等都在为解决冻土难题而进行着不懈的努力。1.3.1 国外路基冻害研究现状1885年俄国工程师斯图金伯格提出了冻土水分迁移假说4，将冻胀形成与土的毛细管作用相联系。根据这个假说，水转变为冰时体积增大，结果在入冻带里形成微裂隙造成入冻土里水分迁移，土中水沿毛细管由下层向上迁移。他的这种思想在勃格达诺夫著作中得到发展（1912）。1916-1930年由美国学者泰伯研究出结晶力作用下迁移理论，使水分迁移理论向前跨出了一大步。他揭示了由于在冰的表面存在着吸附水膜，
12、它具有很大的拉力强度，所以水分向增长起来的冰晶迁移。泰伯认为，虽然水是沿着毛细管迁移，但它还是在结晶力下移动的。美国学者贝斯考认识到吸附水在结冰迁移过程中的意义。通过观察冰的形成得出结论，在自然条件下，土的分散性和毛细管作用具有重大作用。贝斯考进行了专门的试验，提出了冰析出和冻胀的土颗粒“临界尺寸”概念4。因为在水分迁移过程中土的分散性是通过毛细管作用表现出来。贝斯考选用毛细管水上升高度作为冻胀性的指标。将地下水、土颗粒性质、毛细管性质综合起来评价土的冻胀情况。随着理论研究的深入，人们对土的冻胀机理有了更进一步的认识。更多的研究者对此进行了研究，提出了众多的水分迁移理论，对未冻土和已冻土中的水
13、分结构和性质有了更清楚的了解和认识。从而对工程冻害的治理提供了有力的理论依据。据俄罗斯1994年调查，20世纪70年代建成的第2条西伯利亚铁路，线路病害率达27%。运营近百年历史的第1条西伯利亚铁路，1996年调查的线路病害率达45%。截止1978年，加拿大哈尔逊湾铁路800 km中有700余处沉降地段，年沉降量约100150mm，有38座木制桥出现不同程度的冻拔变形，但应用波纹管圆涵使用良好，这些工程病害主要在不连续多年冻土区。国外寒区施工中也尝试了各种不同的工程措施，如块石路堤和抛石护坡、通风管、热桩和保温材料等。1.3.2 我国路基冻害研究现状我国早在20世纪60年代就开始对冻土进行了许
14、多科学、综合性的考察研究。五十年代初期，道路建筑事业迅速发展，由于技术标准低，没有采用有效的防冻抗冻措施，致使道路的冻胀翻浆破坏大量出现，严重阻碍交通运输事业的发展，这时，人们才注意到研究路基土冰冻性质的重要性。五十年代和六十年代，人们主要是通过对野外道路实际情况的调查，分析产生路基冻害破坏的原因，因地制宜地采取冻害防治措施，并取得了一定的成效。在这一时期内，人们还着重研究了石灰土、粉煤灰土等混合土的抗冻性问题，并利用混合土作为防冻张路基或建筑物的基础。这些研究对当时改善运输条件，减少道路冻胀与翻浆起到了很大的作用。随着实验技术的发展和工程建筑事业的需要，对土基冰冻性质的研究走上了野外现场试验
15、与室内模拟试验并行的发展道路。随着在青藏高原地区修建的青藏铁路等工程的竣工，我国的冻土研究进入世界领先水平，在世界上首次提出解决冻土上的问题的指导思想，即主动降温、减少传入地基土的热量，保证多年冻土的热稳定性，从而保证修筑在上面的工程质量的稳定性。在工程措施方面，根据冻土状况的不同采取不同的工程措施。在稳定的冻土地段，采取以对流交换热为主要作用机理的片石路基结构、碎石护坡结构，同时采用无源重力式热虹吸技术的工程应用热棒路基结构，而这些工程措施都是在世界冻土区道路建设上第一次大规模成功运用。对于极不稳定的多年冻土地段，我国采取“以桥代路”的工程结构，青藏铁路“以桥代路”桥梁长度达120多公里。青
16、藏铁路是目前世界上海拔最高的铁路，沿线常年平均气温在零摄氏度以下，空气中的含氧量仅为平原地区的一半。铁路穿越海拔4000米以上的地段为960公里，其中翻越唐古拉山最高点海拔达到5072米。青藏铁路的修建给我们提供了大量的预防和治理冻土路基病害的资料，从而使我国冻土研究进入世界先进行列。第2章 路基冻害种类引起路基冻害的主要因素有:路基土、温度、水分、路基基床结构、荷载等。其中土质是内因，水分是条件，温度是媒介，荷载是激发。土质、水、温度是形成路基病害的3个自然因素，只有三者同时其作用才能形成病害。路基冻害从不同的角度有不同的分类方法5。2.1 按外部表现特征分类1）冻峰由于路基基床在较短距离内
17、的冻胀高度大于相邻地段的均匀冻胀高度所形成的冻胀，其最大凸起达30mm。2）冻谷由于路基基床在较短距离内的冻胀高度小于相邻地段的均匀冻胀高度所形成的冻胀，其最大凹陷达160mm。3）冻阶由于路基基床两相邻地段均匀冻胀高度不同，在该高度交换点处所形成的冻害，最大相差达80mm。4）单侧冻胀在线路同一横断面上左、右股钢轨下，由于基床的冻胀高度不同所形成的冻害。这种冻害常伴随以上三种冻害之一同时产生。5）交错冻害由于线路纵、横断面上路基基床的相邻地段及线路左、右股钢轨下基床的冻胀高度不同所形成的冻害。2.2 按负温总量分类1）当负温总量小于400500C、道床厚度为50cm时，冻害产生在道床中，路基
18、则几乎不产生冻害。2）当负温总量为8001500C且遇冻胀敏捷的土质及较好的水文地质条件时，其冻胀可达120150mm的冻害。3）当负温总量为15003000C时，冻胀量可达200250mm的冻胀。2.3 按产生部位分类1）道床冻害，即产生在路基基床面之间上的道床里。2）表层冻害，产生的部位在路基土体临界冻结深度的上半部分，当冻结深度为2m时，一般为从基床面向下至0.8或1.0m范围之内。3）深层冻害，产生的部位在立即土体临界冻结深度的下半部为，当冻结深度为2m左右时，一般为基床面以下0.8或1.0m到临界冻结深度下缘。第一种分类方法仅反映了冻害的外部表现形态，第二种分类方法仅反映了一个气温与
19、时间的概念。低三种分类法，即明确了冻害产生的部位又反映了产生冻害的情况，所以可以根据冻胀量大小预测冻害产生的原因。因此，第三种分类法较第一种和第二种分类法更为全面。下面着重介绍道床冻害、表层病害和深层病害形成的原因。2.3.1 道床冻害形成原因主要有以下几个方面3:1）道砟不洁，道砟材料不符合技术标准。2）由风吹或雨水冲洗，或因机车运行时带起的泥土，落入道床中，致使粉、粘土量超过限度。3）道砟在使用过程中遭受到列车运行中或公务养路维修机械破坏。4）因更换枕木等原因，道床厚度不足，在列车荷载作用下造成道砟压入路基基床面，从而形成贮水沟或囊。5）由于粉尘质粘土含量的增多，造成毛细水的上升，重力水滞
20、留或地表水向道床中浸透及渗透。2.3.2 表层病害形成的主要原因主要有几个方面6:1）路基基床面不平整，造成基床面积大，因水分渗到基床表面，使土层含水量增大，超过了起始冻胀含水量，在表层中水结冰，体积膨胀的同时，水分又向冰洁锋面补给，水分比冻前增加较大，形成了冻害。2）路基土体的表层为非均质。由于路基地质来源不同，且在填筑时，土层的厚薄和夯填密实不同；路堑的土体虽然自然形成，但是土和覆盖堆积厚度及层次也是不完全相同的。由于这些土质、结构、层次等条件的不同，在冻期，水分迁移、聚积时，其聚流量也不尽相同。产生的冻胀量也不等，从而形成冻害。3）地表水和地下水对路基本体的不均匀浸湿。路基基床面不平整积
21、水，因而各处抽吸的水多少不同，冻胀量不同，形成冻害。路基两侧的积水，由于积水的水位及深度、范围不同，因而形成冻害。上层潜水的裂隙水及侧沟积水，由于地形，水分的多少，都对路基土体影响及路基土体导热不均匀形成的冻害。气温影响土体的冻结，主要是随地形、地质、日照及植物的不同其热交换不同，同时对土中的冻结率的影响也不同，在土冻结时，由于表层土温及冻结速率的不同，其水分迁移的聚流量和冻胀量不相同，产生了冻害。2.3.3 深层冻害的形成路基深层冻害的产生的时间较晚3，在冻期的后半期产生，东北地区在12月中旬以后，至到冻期末冻害才停止。深层冻害的产生大多是因地下水的关系，因为如果没有地下水，虽然土质有所差异
22、，但下部呈现脱水现象，所以已无多少冻胀了。若地下水充分，冻期时水分迁移的聚流量大，引起冻胀差异，一次深层冻害的冻害可高达300mm，是较为严重的。第3章 路基冻害的表现形式及其产生机理路基冻害主要发生在多年冻土地区，因为多年冻土地区特殊的地理环境，形成了许多不良的地质现象，如地下冰、冰锥、冰丘、热融坍滑、热融沉陷、热融湖（塘）和冻土沼泽等。路基的冻害表现在路基上有不同的形式，多年冻土地区的主要冻害有融沉、冻胀、冰害、冻融翻浆等7。3.1 融沉病害融沉是多年冻土地区路基主要病害之一。一般多发生在含冰量大的粘性土地段，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时，由于地下冰层埋藏较浅，
23、在施工及运营过程中各种人为因素的影响下，改变了多年冻土的热平衡状态，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:路基下沉、路堤向阳侧路肩及边坡开裂、下滑、路堑边坡溜坍等。融沉的特点:1突然地大量下称；2周期性的持续下降。融沉的形式有:1危剧沉落型，主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地区。（据1964年铁三院实地调查，在位于大兴安岭西坡的牙林线根河工务段管内，就有严重下沉地段225处，总延长18.952km。有的地段在融化季节几天就需抬道一次，严重地段如潮乌段K0+070+200及K0+380+400路基连年下沉
24、，1961年和1962年下降量分别达到1.5m及1.8m，线路坡道标志沉至地面。1963年在长60m范围内卸混碴7车，经捣固后仍不见路基形状。因路基下沉抬道，全段每年用砂石达3万余立方米，花费人工2万多工日。） 3.2 冻胀病害冻胀病害（图3-1所示）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。冻夹层冻夹线图3-1 路基
25、土冻结时产生不均匀冻胀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 mm40 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 mm50 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
26、量可达10 mm20 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。（如牙林线91km处冰锥冰丘地段，与1956年一季度线路中心突然冻起1.3m，长达50m，曾采取紧急措施防水落道。以后虽经整治，但有时仍有比较严重的冻胀隆起，危及行车安全。又如1973年2月下旬就曾在线路延长10m范围内，钢轨面突然鼓起2
27、00mm，致使线路的水平、高低、方向等出现严重超载。牙林线阿乌呢至满归间438km附近，由于受线路右侧约10m处出现的冰丘影响，1973年5约25日线路突然发生水平超限100mm，高低超限42mm，并有严重超限的三角坑。现场除进行人工爆破、防水落道外，曾一度定开满归开往齐齐哈尔的旅客列车，后改为慢行通过；京包、包兰线呼局管界内，属季节性冻土区，年平均气温在7以上，历年最低气温低于零下30，冻胀病害十分显著。据呼局05年3月份统计的野外冻害调查及现场观测资料，京包、包兰线呼局管界内冻胀量在20mm以上就多达124处，延展米达5000多米，冻胀量在20mm以下更是达到了近30公里。对铁路运行安全带
28、来严重威胁，严重制约着列车速度的提升8。）3.3 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，在隆冬季节随流随冻，形成积冰掩埋路基面或边坡挂冰，堑内积冰等冰害。是发生在寒冷及严寒地区特有的路基病害，在严寒的多年冻土的去则尤为严重。对于路堑内的工程来讲，路堑地段较路堤地段冰害要多，尤其发生在浅层地下冰发育的低填浅挖及零断面地段的冰害，危及程度更大。对有一定填土高度的路堤，危害程度相对较小。（例如牙林线依加段140km洪积扇上的一处路堑，1962年春，堑内普遍积冰，致使线路无法通车。白阿线K311、牙林线K437，博林线K52等处，由于积冰掩埋路面，都曾发生脱轨事故。牙
29、林线的青年龄、十年、八里沟、小二坑等4处深路堑，堑内冬季积冰。去其中尤以青年龄路堑最为严重，1964年冬季（临管期间），40天内积冰量即达24000立方米，较长时间内路堑不能交付运营。牙林线阿满段K1158附近，山坡草皮下潜流水在冬季白天流，晚上冻，1011约积冰量最严重，只得设专人看守。曾发生积冰越过轨面，造成机车脱轨事件。）3.4 冻融翻浆“冻融翻浆”（图3-2所示）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9。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465m
30、，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。融化后湿土壤未化冻土图3-2 路基土融化时未化冻土隔水层形成翻浆翻浆形成原因如下: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
31、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。3.5 铁路路基次生灾害在路基稳定性方面，也时常面临着各种冻融灾害问题，即不良冻土现象。它包括以冻结过程为主的冻胀丘、冰锥、冰丘等，以热融过程为主的热融湖塘、热融洼地、融冻泥流、融冻滑塌
32、、边坡滑塌、路堤纵向裂缝等10。这些现象大都是工程构筑物修建后破坏了原有的水热平衡条件而产生的。这些与冻融过程有关的不良地质现象，当它们威胁到铁路安全运营和工程稳定性时，就演变为破坏铁路路基稳定性的冻融灾害。这种工程灾害主要与地下冰、冻融过程和冻土温度有关。特别是在高含冰量、高温多年冻土的斜坡地带，微弱的工程热扰动可能就会引起冻土区斜坡稳定性变化。对于斜坡地段出现的冰锥、冰丘，对工程的危害非常之大，常会导致铁路运营出现问题。对于路基附近出现的冰锥、冰丘，常会引起路基产生冻胀问题，也应对其给予极大的重视。例如:1）边坡滑塌，主要是热融滑塌，当冻融作用路堤边坡时，土体的平衡状态改变，产生滑塌。主要
33、原因包括:挖方边坡未采取保护措施，导致边坡的融化加快；排水措施不合理形成积水或水流加速引起路基冻土融化；以及路堤下路基冻土融。2）路堤纵向裂缝，是由于路堤的不均匀受力而产生变形，产生原因一般是挖方段地基底部发生条带状融化，或路基不均匀冻胀引起上伏路堤纵向裂缝。3）冰锥，又称涎流冰，指水在地表冻结而成的地面冰体。主要是由于路堤阻隔了正常的水系而造成水多次流出地面而形成的。4）冻胀丘，指土的不均匀冻胀作用形成的丘状地形，由于融化层冻结过程中冻结层上水处于承压状态，同时水分发生迁移产生聚冰层，随冻结面向下发展，当冻结层上水的压力大于上覆土层强度时发生隆起而形成的。这些次生灾害在我国多年冻土区的青藏公
34、路上经常可以发现，在以往对灾害的治理中花费了许多人力资源和经费，总结以往经验和教训，可为当前的铁路建设打下基础。对于这样一些地表敏感性极强的多年冻土地带，工程勘测、设计、施工及养护维修都应引起极大的重视。第4章 路基冻害防治措施路基冻害是在水、温度、土质的不利组合下形成的。其中土质是内因，水分是条件，温度是媒介，荷载是激发。土质、水、温度是形成路基病害的3个自然因素，只有三者同时其作用才能形成病害。所以，路基冻害的治理可以从这三个方面入手。4.1 水作用的机理及治理原则4.1.1 水作用机理在一定的土质、温度条件下，土中水分的多寡是引起土体冻胀性强弱的基本因素之一，路基中的水的来源主要有地表水
35、、地下水、路基填料中的水等。土中水分在冻结时有迁移现象，即当温度降至土体冻结温度以下时，土中的自由水线冻结成冰粒，温度继续降低，冰粒会吸引土粒表面的薄膜水参与冻结，这样就形成水向低温迁移的现象。具体表现为:当孔隙中的水产生结晶，冰晶体便在这冷区中形成。冻结期间，当通过地表进入土中的冷能与孔隙水结冰而放出的潜热以及下卧未冻土中传来的地热相平衡时，冻结锋面便相对的稳定在某个位置，靠着土颗粒及冰结晶的吸附力把附近的水分子吸附到自身表面，构成一层水膜，新的冰晶又首先从这里产生。这样，在冻结锋面上的冰晶体就不断地增长。土颗粒为了恢复水膜中的吸力和压力的平衡，就要从邻近处，即非冻结土体中的土颗粒束缚水膜，
36、把水分子拉过来，以补充迁移走的水量。这就产生了向冻结锋面迁移的水分子流，以保持冰晶体增长成冰透镜体时能够得到源源不断的水分补给。在冰晶体增长引起土颗粒间距扩展与土粒位移过程中，外界水流侵入且结晶，产生“冰劈”作用11 ，使冻土体分成层理，形成厚度不等的冰透镜体。当冰晶分凝作用远比土颗粒的薄膜水向冻结锋面迁移大时，导致下卧有效水分补给区的土体含水量减小，冻结线前缘的土体产生收缩。由于冻结锋面上得不到水分补给而破坏了其热平衡状态，随着土体温度继续下降，冻结线就继续下移。在到达土体中含水量较多、水分补给充裕地带，又出现新的热平衡状态，冻结线又缓慢地停止移动，冰晶分凝作用又活跃了起来，形成新的冰透镜体
37、。这样，冻结线时而快，时而慢地向着土体深部推进。每阶段都是一直到土的结构、散热速率、向上迁移的土中水分子流束和限制压力之间平衡遭到破坏时，冰透镜体的生长停止，冻结线向前延伸。这样，冻结过程便形成冻土中冰透镜体成层分布的规律。由于冻土中负温度是逐渐降低的。尽管冻结锋面已经向深部推进，但在已冻结土中未冻水膜外界面的水仍具有自由活动性。随着冻土中温度下降，在冻结锋面后面的冰透镜体就靠着这部分未冻水供给，继续缓慢地扩大。当孔隙水发生结晶并在冻结锋面附近形成冰透镜体和冰夹层时，土体的冻胀就由此而产生。这是土中的水分及从地下水面处迁移来的水分结晶作用的结果。冻结锋面上形成的冰透镜体和已冻结土体内未冻水结晶
38、形成的分凝冰体所产生的冻胀增量构成了土体的最大冻胀量。当温度生高时，土中冻结部位就会融化，形成沉降。土中水反复冻融，路基就会形成冻融翻浆。另外水还会使路基产生边坡堆塌、冰害、路堑边坡失稳等多种病害。这将严重影响铁路的运营。4.1.2 治理原则针对冻害产生的原因，采用综合治理措施。因此治理水因素以截排地表水、地下水、降低路基土体的含水量为原则，使路基土体长期保持通风、干燥。4.2 排水系统排水措施具体包括:基床排水通过基床整形（平整基床及路肩）、挖除道碴陷槽、路肩换渗水性土壤、加设横向盲沟、纵向盲沟、横向排水管等排水；地表排水通过修建侧沟、天沟、排水沟、排水槽、截水沟等，尽一切可能使地表排水畅通
39、，并将大量地表水由桥梁及涵洞排走；排除地下水通过截水明沟、渗水暗沟（截水渗沟、边坡渗沟、支撑渗沟）、渗水隧洞等排水；隔水利用塑料薄膜、聚苯乙烯薄板、聚氯乙烯软板材料制成的隔水层或树脂类注入等方式隔断毛细水的上升厦隔断冬季土冻结时所产生的水分向上迁移。4.2.1地表排水系统排水是治理冻胀最常用也是必不可少的一种措施。路基排水设计的任务是针对不同水源，设置相应的排水措施，把影响路基强度和稳定性的水排到路基范围以外的适当地点，将土基湿度降低到一定范围，保持路基处于干燥或者中湿的状态。排水设施有排水沟、侧沟、截水沟（天沟）、急流槽和缓流井等2。排水设施能够排除路基两侧积水、渗透、最大程度的减轻路基土体
40、在冻融过程中的各种物理力学性质的变化。但是设置地表排水系统会破坏原有的自然地表，如果不准确掌握地质条件，就可能改变和破坏多年冻土的生存状态，反而引起新的病害。排水设备的作用是排除路基本体范围内的地面水及自田野方向流向路基的水，并将水导引至铁路过水建筑物或自然沟渠中排走。由于汇水面积一般不大，流量不多，故除特殊情况外均不作个别水力计算，直接采用规范规定的断面尺寸和有关规定（纵坡和加固等）。排水设计应首先作好排水规划，规划排水设施平面布置的原则是使地面水尽快通过水沟汇集排除，水沟应尽可能设在距路基本体较近位置，使流向路基的水和降落在路基内的雨雪水均可由此排除。水沟的长度应取短，但如地形起伏，为减小
41、工程量，可按最大纵坡顺地形绕行。水沟的拍水能力，在不允许满溢的情况下，如路堑的水沟、滑坡地区水沟，若流量较大，应作水力计算检算。1）排水沟用以排除路堤范围内的地面水。当地面较平坦时，设于路堤两岸，当地面较陡时，应设于迎水一侧（图4-1所示）。当有取土坑时，可用取土坑代替排水沟。排水沟应设在路堤天然护道内。开挖排水沟会破坏冻土影响路堤。根据大量的既有线调查资料表明，开挖排水沟对两侧沟边多年冻土的并影响不大，一般进35m左右。而且排水沟水流对水沟两边的影响亦很小。因此，从70年代起排水沟至路堤坡脚（含护道）的距离改为不小于5m。对埋藏较浅的厚层地下冰地段定为距坡脚10m。图4-1纵向排水沟排水沟长
42、采用梯形断面（图4-2所示）。根据需要，有时也采用矩形断面。为避免水流冲刷或淤积，水沟纵坡最大不得超过8，最小不得小于2，困难地段不得小于1。水沟纵坡大于8的地段，应对水沟的沟身进行加固，防治冲刷破坏。在水沟纵坡变化段、水沟弯曲段尤应注意。1:m1:mhb图4-2梯形排水沟横断面2）侧沟（图4-3所示）。在路堑地段用以排除路基面和路堑边坡面的地面水，设于路基两侧或 一侧（半路堑）。3）天沟（图4-3所示）。用于排除山坡迎水方向流向路堑的地下水。天沟侧沟侧沟图4-3侧沟及天沟4）跌水（图4-4所示）主槽底部呈台阶状的急流槽，其结构可有单级和多级两类，每级高差为0.22.0m，利用台阶跌水消能。一
43、般应作铺砌防护。图4-4 跌水5）急流井沟底纵坡较陡的水沟，可设计成两段较缓坡的水沟用缓流井连接起来。两段水沟的落水差最大可达15m（图4-5所示）。图4-5 急流井6）急流槽是用片石、混凝土材料筑成的衔接两段高程较大的排水设施。主槽纵坡大，水流急，出口设有消力池、消能槛等消能装置，沟底纵坡可达1:2。设在路堑坡上的急流槽又叫吊沟（图4-6所示）。图4-6 急流槽注意:排水沟、侧沟、天沟、边坡平台截水沟等各类排水沟的出口，应将水应将水排至路基以外，以防止水流冲刷路基。路基横坡明显的地段，排水沟天沟可在上方一侧设置。若地面横坡不明显，宜在路基两侧设置。排水沟、侧沟、天沟的横断面，应有足够的过水能
44、力。位于反坡排水地段或小于2线路坡道路堑侧沟，其分水点的沟深可减少至0.2m。边坡平台截水沟尺寸，可采用底宽0.4m，深度0.20.4m。7）防渗墙为防止路基两侧积水渗入路基，在路基坡脚设置隔排水渗墙， 以减轻路基外侧积水对线路的影响。尤其是路基两侧积水没有处于同一位置，对路基形成不均匀浸湿，极易发生单冻胀病害，对线路安全运营的威胁更大7,12。防渗墙一般设墙高2.5m，高出路基坡脚1.0m，埋人地下1.50 m，墙宽0.3m，采用C15素混凝土现场浇注，墙两侧设置渗水滤层，滤层共由三层组成，每层厚0.2m，由外往里分别为粗砂、砾石和碎、卵石，滤层底铺设隔水土工布，土工布下设20cm厚细砂垫层
45、。沿墙长每10 m设伸缩缝一道，缝宽2cm，内填沥青麻筋。它兼具隔渗水及拍水功能，设计中还应注意其底部低排水坡度。（防渗墙大样如图4-7）图4-7 防渗墙大样图（单位:除注明者外余均为m）4.2.2 地下排水系统铁路沿线多年冻地段，冻土在垂向的发育状况可分为衔接状和不衔接装（有融化夹层）。多年冻土的分布制约着地下水的发育，因此，路基下地下水按其其赋存方式基本上分两类8。（1）季节融化层（或季节冻结层）内水:是指路基下的多年冻土在垂向上衔接路段的季节融化层内水或在不衔接路段内的季节冻结层内水。该类水埋藏浅，含水层底板即为冻土融化的界面，含水层不稳定，随季节融化深度而变化，每年910月含水层最厚，
46、此时地下水最丰富。该类水多具有潜水性质，水量小，不稳定，水的相态随气温而发生变化，每年12月至翌年4月则变为固态。（2）路基下融化核内水:是指赋存于路基下常年不冻的融化核内水。该类地下水性质主要取决于融化核的厚度、岩性及路段所处的微地貌部位，含水层较稳定，局部具有承压性，常年为液态水。这两类水的共同点是均以冻土层作为隔水层地板，以大气降水、地表水和冻土融化水作为补给源。地下水与顶土层相互依托、互相作用，冰并向下渗流。尤其是在有融化核发育的路段，当每年暖季来临，随着气温逐渐升高亦达最大；在季节冻结层向下融化过程中，路基下垂向剖面上可同时出现两个含水层，即季节冻结层内水和水并存阶段；当季节冻结层全
47、部融完后，季节冻结层内水可补充于融化核内水。路基内地下水的存在，制约多年冻土的分布和发育，同时也直接影响路基稳定。由于路基内水的冻融作用，产生冻胀和融化下沉。铁路冻害现象的实质是图层中水的相变造成的，其物理过程是地下水直接参与的。地下水的处理原理一般为疏干、拦截、降低及引排措施。以降低地下水位来整治冻害。降低路基地下水及排除地下水设备的选择，应根据不同类型的地下水及工程具体条件、要求确定。常用的降低和排除地下水的设备主要有:1）明沟及排水槽明沟是兼排地面水及地下水的排水设备。沟底一般应挖至不透水层（图4-8所示）。若不透水层太深，沟底置于透水层内（图4-9所示），则沟底及水沟边坡应用不透水材料
48、作护层，以免彀中水渗入土中。图4-8 沟底为不透水层的深水沟图4-9 沟底进入深水层的深水沟排水槽也是一种兼排地面水的设备（如图4-10所示）。排水槽侧壁有渗水孔，侧壁外最好天一层粗砂、细砾石或炉渣组成反滤层。渗水孔在槽壁的上部，槽内水面以下的槽壁述不透水的，以免水反渗入土中2。渗水孔填土夯实1:n1:n图4-10 排水槽2）站区排水渗沟站区排水渗沟（图4-11所示）是一种排除地表水及浅层地下水的工程措施，在站区各股道之间设置纵向渗沟， 以一定的坡度将地下水或下渗的地表水引至横向渗沟，再由横向渗沟将水排至路基以外13。由于站区排水渗沟兼具渗排水功能，能有效地疏排浅层地下水，大气降水等地表水能迅速地
