高速铁路路基冻害及其影响因素

1、交通基础设施检测与养护技术课程作业题目：高速铁路路基冻害及其影响任课教师：教授学生：学号：1626162017-6-28高速铁路路基冻害及其影响（162616）（东南大学交通学院道路与铁道工程系）0 前言我国是一个冻土大国，冻结深度0.5m 的冻土区占总面积的 68.6%，其中季节性冻土占面积的 46.0%。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的冰。在环境温度变化时，其结构和力学特性将有可能发生很大的变化,尤其是我国的东北、西北、华北地区，由于受当地气候、水文、地形地貌以及地质条件的影响，工程建设必须考虑土基的冻融病害防治。因我国冻土分布广泛，许多处在冻土区域内的既有线路基变形十分严重

2、。我国正值高速铁路建设的时期。截止至 2015 年底，我国铁路营业里程达到 12.1，其中高铁营业里程超过 1.9。高速铁路对路基的平顺性和稳定性要求较一般铁路路基以及公路路我国北方工程建设中重点关注的内容。目前国内外针对路基冻胀的已有很多，故有必要对路基冻融的概念，形成机理及影响进行总结分析，以便对应提出防治措施。1 路基冻害冻土区修筑工程构筑物就必须的两大问题：冻胀和融沉。土体冻胀是由于在负温的冻结作用下土体体积的发生膨胀而造成的，这是寒区铁路路基常见的工程病害。如下图 1显示了路基随环境温度的降低和升高发生的冻胀和融沉现象。图 1 路基土的冻胀和融沉由图 1 可知，冻胀包括原位冻胀和分凝

3、冻胀两种，原位冻胀就是指在负温的作用下土体内的温度不断下降、冻结锋面向下移动的过程中，包括正冻土和己冻土在内的水在原来的位置发生冻结，造成了体积增大 9%；这通常发生在秋冬温度降到冻结温度的时候发生。而冬季持续低温下，当土完全冻结之后，由于土颗粒表面能的作用能使土体中一直存在未冻结的薄膜水，在温度梯度的作用下，薄膜水会从温度比较高的土中向温度相对较低的土中迁移，使水分在冻结锋面后方并且开始发生冻结，分凝成镜体，这就是土的分凝冻胀；当由于水冻结而在土壤中形成镜时，来自相邻土壤颗粒的水膜也被去除，这干扰了土壤基要高，其中无砟轨道要求路基变形控制在 15mm 以内；且冻融病害的防治一直以来都是吸力平

4、衡，的水通过毛细管作用从水位表中提取出来，以补充镜从土壤颗粒中的水分；这个过程可能增加土壤深度 20-30的冻胀。由于路基土体不同部位所处的状体不可能完全相同，因此就会出现不均匀冻胀的现象。当外界气温持续升高时，路基中冰融化成水，路基强度将大大降低，在上部土体自重或行车荷载下，水分将被挤压排出，从而导致土体下沉，即融沉病害。评价指标土体在低温下的冻结状态的评价指标常用的有冻结速率、冻胀速率和冻胀率等。冻结速率冻结速率为试样在情况，即时间内冻结深度的增量，其反映的是时间内冻结深度变化的Vf = S/t式中Vf为冻结速率（mm/h），S为冻结深度增量（mm），t为冻结时间增量（h）。2.2 冻胀速

5、率冻胀速率为变化快慢的情况时间内试样冻胀变形量的增量，其反映的是时间内试样冻胀变形量V = h/t式中：V为冻胀速率（mm/h），h为冻胀增量（mm），t为冻结时间增量（h）。2.3 冻胀率冻胀率是试样在一定时间内冻胀变形量的增量与冻结深度的比值。 = h/Hf式中：为冻胀率（%），h为冻胀增量（mm），Hf为冻结深度（mm）。表 1 列出了两种地基土“季节性冻土分类”的指标，从表中可以看出：建设部、铁道部和交通部对于冻土季节性分类的指标选择与水利部有所不同；前者以平均冻胀率为分类指标，而后者则以冻胀量为分类指标。表 1 两种地基土“季节性冻土分类”的指标3 影响一般来说，影响路基冻胀的主要有

6、足够的负量、土中水源补给和适宜的土质。其中负温和水分是外因，适宜的土质是内因，当三个条件都具备时，路基就不可避免地发生冻胀。温度可分为土的冻结温度、冻结速率等；水分可分为质包括土的颗粒组成、矿物成分和盐的含量。3.1 路基温度水、地表水和大气降水；土在季节冻土区路基的危害主要体现在冻胀和融沉，而产生这一危害的首要就是温度变化，只有温度降低到 0以下，（当然不是0，因为水和土的作用，通常冻结温度会发生变化，但相差不大），还有一个重要原因的是水分的参与。温度对土体冻胀的影响主要反映在土体温度的冷却程度和冷却速度。土体的冻结主要是由温度决定的，而土体的冻结温度是由土体的粒度成分、含水量、矿物组成以及

7、孔隙水的溶液浓度等共同影响的。当土质条件不变的情况下，土体的冻结温度是随含水量增加而降低的。当土体开始冻结后，随着负温度的逐渐降低，土中未冻水含量会逐渐减少，因而含冰量逐渐增加最终导致冻胀量增大。另外，温度梯度的变化对冻结速率有着重要的影响，温度梯度越大，冻结速率就越快。3.2 水分除了上述温度梯度的变化对冻结速率有影响外，水分也是影响土体冻结的一个主要当冻结速率比较小时，只要低温持续时间长，且土中的水分充足，土中的水分有充分时间向。冻结锋面迁移，变成镜体，也会导致冻胀率增大。水分取决于填料的天然含水量和迁移水分，天然含水量和迁移补给水分与土颗粒成分、含量、粒径等密切相关。在土质条件不变的情况

8、下，在土体冻结开始之前，土中的初始含水量以及冻结过程中的水分迁移量是影响土体冻胀性强弱的重要。并不是所有含水的土体都会发生冻胀，只有当土体中的含水量超过一定数值以后才会产生冻胀现象。水分条件包括两个方面，一是土体含水条件达到起始胀含水量时，土的冻结开始产生冻胀。二是水分补给条件，具有水分补给的开敞系统冻胀大于无补给条件的封闭系统冻胀。如下图 2 所示，当土体中体积含水率小于 12%时，土体的冻胀率基本不变；当体积含水率大于 12%以后，冻胀率随着体积含水率的增加而迅速增加，当冻胀率达到 1%时，体积含水率在 15%左右。图 2 土体中体积含水率与冻胀率的关系在寒区高铁路基的施工过程中，填料的初

9、始含水量要严格控制，因为其对于路基的冻胀以及稳定性有着重要的影响。一方面填料的初始含水量对于路基的压实度有着重要影响，为满足路基压实度的要求，要控制填料的初始含水量。另一方面，填料的初始含水量对路基的冻胀有着很大影响，其他条件一定时，随着初始含水量的逐渐增大，路基的冻胀量以及冻胀率逐渐增大。土质主要指土的粒度成分、矿物成分和密度等，其中最主要的是土的粒度成分。一般情况下，填料粒径对冻胀性影响十分显著，随着粒径的变小，颗粒与水之间的相互作用增强，渗透性减弱，填料天热含水量增大，冻胀性增强。密度在含水率的条件不变的情况下，土体密度减小，会导致土中孔隙增大，从而降低了土的饱和度。当土体发生冻结时，土

10、孔隙中有足够的空间任由相变过程中冰的膨胀，因此土体产生的冻胀变形不大。但随土体密度的增大，土中的填充孔隙的程度同样增大，土的饱和度将增高，土体产生的冻胀变形将会增大。当土的干密度增加到一定的数值时，土中孔隙最小，达到最佳的密实条件，这时土颗粒的表面能最大，能够使土颗粒中薄膜构造处于最有利的状态，冻胀强度也达到最大值。但是，当超过这个数值以后，土冻胀性开始降低。因为当土体的干密度超过这一数值以后，随着土体干密度的持续增大，土体中的断减少，使土体的冻胀性减小。土体干密度与冻胀率的关系曲线如图 3 所示。水将会不图 3 土体干密度与冻胀率的关系曲线矿物成分土质中的矿物组成对土体的冻胀性有着相当大影响

11、。因为不同的矿物成分对水的吸收和自身性质的变化情况有所不同，不同矿物成分的土体发生冻胀时便会呈现不同的状态。黏性土中所含不同矿物成分的冻胀强度顺序为：高岭石粉质土黏粒土黏砂土蒙脱土；对于粗粒土，如烁类土、砂类土，不存在矿物成分对冻胀影响的问题。粒度成分不同粒度土颗粒的比表面积不同，表面能也不同，水分迁移能力不同，颗粒间隙不同对水分迁移的阻力不同，因而土的粒度成分是影响冻胀的主要之一。图 4 不同粒径颗粒的冻胀性关系曲线如图 4 所示，当颗粒粒径由大变小时，颗粒的冻胀性有效变大，且在颗粒很小时迅速增大。分析原因认为：颗粒粒径由大变小，其比表面积由小变大，与水的作用和土在冻结过程中水分迁移的能力也

12、随着加大，在水分和冻结条件相似的情况下，土的冻胀性由大变小的排列为：黏性土砾石土粗砂砾砂。纯净的粗颗粒土在冻结过程中不会发生冻胀。这一特点决定了它是路基病害处理中最好的换填材料。当粗粒土中含有细颗粒时，增加了薄膜水的含量和连续性，粗粒土就会发生冻胀，所以细粒土的含量对土体的冻胀有很大影响。图 5 粗颗粒中细颗粒含量与冻胀率的关系曲线如图 5 所示，试样的冻胀率变化趋势是随着细颗粒含量的逐渐增多而逐渐增大。当细颗粒（粒径小于 0.075mm）含量在 3%15%时，冻胀率在 0.8%1%，细颗粒含量在这区间的变化对冻胀率的影响不敏感。当细颗粒含量大于 15%时，土体冻胀率随着颗粒含量的增加迅速增长

13、。分析原因认为随着路基填料中细颗粒含量的增加，土颗粒之间的毛细作用逐渐增强，冻结时毛细水和外界补充的水分源源不断的向冻结锋面迁移，从而引起土体的冻胀，冻胀率增大。3.3.4 小结影响路基土体冻胀性能的主要有温度、水和土体本身性能，除了这些还有其他影响，如盐碱度、环境等。正是因为寒区路基冻害受到这些的影响，所以对高铁路基的设计便更为严格，须做好防排水设计，填料的选择。防治措施根据影响路基土体冻胀性能主要措施主要有以下几种：合理选取冻结深度，从路基设计施工的全过程出发，目前防治路基冻害的冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，因而气候是对冻土有重要影响的，此外土质、水位、日照以及积雪程度的变化将影响路

14、基土体的最大冻结深度的变化。最大冻结深度的确定对于寒区高速铁路路基的防冻设计有着重要的意义。一般工程设计时，冻结深度都是参考气象部门提供的气象数据。实际工程中，因为会对原状土造成扰动，那么冻结深度也会发生变化。表 2 青藏铁路路基实际冻深与设计冻深对比根据青藏铁路、青藏公路的科研资料，如表 2 所示，原状土换填为 A、B 组填料后，冻结深度会有不同程度的增加，换填深度与当地最大冻结深度的比值能达到 1.21.5。【芝】在对哈大高铁路基冻深实测值的分析后，也有相同结论。同一地区路段的冻结深度总体上要大于天然地面的冻结深度，路堑段的冻结深度要大于路堤地段，路堤段路肩的冻结深度要大于线路中心。故在实

15、际工程设计时，我觉得就应该考虑这种影响。适当的扩大冻害深度范围，使得设计防冻害深度包含上边的那些差异，保证结构全深度不出现冻害。4.2 设置防冻层设置隔温层，密实同时热阻高，保证路基土体温度场稳定，不出现低况。国内【】将 EPS 作为保温材料设置保温层，【】将 XPS 与集料混合作保温层材料；国外在路基防冻层设置上采取了不同的标准等级和处置方法：德国在冻结区冻结深度范围内，路床表层换填细粒含量5%的砾、砂，基床底层换填细粒含量15%的砾、砂；法国路基由砟垫层和底基层组成，从上至下分别采用厚度为 2025cm 的纯砾碎石和粒径 15cm 的级配碎石，在其下加设一层油毛毡的砂层作为防污层；将 40

16、cm 的砂砾和 8cm苯乙烯保温板的砂层作为防冻层。4.3 路基填筑填料合理选择填料的优劣便取决于填料的细颗粒含量、初始含水率、压实度、土的矿物成分以及土中的的含盐量等。选择级配碎石等细颗粒含量小于 15%的 A、B 组填料。对填料中的不良类进行物理或者化学改良后再进行填筑。【林永清】对级配碎石和水泥稳定碎石进行了冻胀融沉实验，发现土样级配和水泥掺量是影响水泥稳定碎石试样冻胀率的关键，冻胀率随水泥掺量增多而减小，随细粒土减少而减小。【石刚强】通过对掺加水泥对级配碎石的抗冻性影响进行了研究，发现水泥掺量大于 5%时，基本上可以消除细粒土的冻胀敏感性，并提出了将基床表层改性为不冻的胀整体结构。表

17、3 铁路路基填料冻胀分类方案根据铁路路基设计规范的要求，如表 3 所示，冻胀率 1%定义为不冻胀土，并且我国高速铁路对路基冻胀率的规定是要求控制在 1%以内。因此，从图中可以得出，当细颗粒含量大约控制在 15%以内，可以达到冻胀率 1%的要求。根据高速铁路设计规范，常采用 AB 组土作为路基的基床填料，为了降低天然含水量，减小填料冻胀性，在满足压实条件下，细颗粒含量要求尽量少。高速铁路路基采用非冻胀 AB 组土作为填料，能够明显有效地减少和降低这一危害，保障铁路的安全运营与畅通。4.4 做好路基防排水设计土体中水分的主要来源主要包括有三个方面：大气降水、水补给以及人类在工程建设过程中（例如工业生活排水工程、灌概工程等）的水分补给等。在基床表面以及底面设置防水层，保证路基土干燥，使路基土含水量尽可能小于 12%；也可在两侧路肩及两线轨道板底座之间路基面设置沥青混凝土封闭层，甚至在基床表面设置全断面的沥青混凝土防水层，并将路基表面的水分及时排出。同时路基外也应该做好防排水设计，防止路基外水分侵入路基范围，对路基状态造成影响。以桥代路在以上各项措施都很难防止路基冻害的发生时，可以考虑采用以桥代路的方式。不仅防冻害，同