严寒地区路基冻害成因分析及防治方

1、严寒地区路基冻害成因分析及防治方法一、刖言我国多年冻土分布很广，较集中的地区是东北大小兴安岭和青藏高原。前者是古代冰川 沉积残留物，目前处于退化阶段，具有不稳定的特点。后者是高海拔的近代大陆性气候的产 物，至今仍在发展，具有不稳定的特点。在铁路工程中，常常会遇到多年冻土区路基施工， 例如汤林线、鹤岗线，地处小兴安岭地区，是我国多年冻土分布地区之一。路基冻害是严寒地区，特别是多年冻土地区铁路线路上分布很广和常见的病害。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，所以有的土类对冰冻作用很敏 感。路基冻害在哈局管内的各种路基病害中，分布广、时间长、工作量大、影响行车严重程 度均占首

2、位。特别是哈局管内的线路多数地处严寒地区，甚至高寒地区，加上具有四、五十 年的历史，由于当时施工缺少经验，对冻土没有得到充分的认识，多采用普通的施工方法， 致使多年来一直普遍存在着不同程度的路基病害，使病害的形成多样化，经常会出现冻胀、 冻裂、路基下沉、路基边坡或路堑边坡坍塌、滑塌等现象。每年自10月起至次年5月止，在 长达七个月的时间里，冻害使线路长期变形，给养护维修工作带来了繁重的负担，投入的劳 动力约占全年劳动力的45%，同时耗费了大量的材料。路基冻害的存在，不仅增加了养护维 修的工作量，影响了正常维修，加大了维修成本，而且使得线路质量下降，直接影响行车安 全。特别是在铁路快速发展的新形

3、势下，科学有效地整治路基冻害，对哈局实施“内涵式发 展，低成本跨越”的跨越式发展战略，实现“客运高速化、货运重载化”都具有重要意义。下面我主要将冻害的成因、主要影响因素、冻胀基本规律及防治方法，结合具体实例加 以论述。二、路基冻害的分类按纵向外部形态划分冻峰：路基面在短距离内的冻胀高度大于相邻两地段的冻胀高度所形成的凸起部分。冻谷：路基面在短距离内的冻胀高度小于相邻两地段的冻胀高度所形成的凹槽部分。冻阶：路基面两相邻地段的冻胀高度不同而在连接处所形成的错台部分。按横向外部形态划分单侧冻害：沿路基面横断面两侧冻胀高度不等。双侧冻害：沿路基面横断面整个冻胀高度大体一致。交错冻害：在路基纵横断面上相

4、邻地段的冻胀高度均不相同形成高低交错的现象。按冻胀产生的部位划分道床冻害：由于道床不洁而产生的冻胀，虽不属于路基冻害的范围，但其性质及对线 路的影响，与路基冻害相同。表层冻害：受地表水影响产生的冻胀，发生在路基土体临界冻结深度内上半部分，一 般冻高度较小，表现为“早起早落”型。深层冻害：受地下水影响产生的冻胀，发生在路基土体临界冻结深度内下半部分，一 般冻胀高度较大，表现为“晚起晚落型”。按冻害高度大小划分一般冻害：1025mm；较大冻害：2650mm；大冻害：51100mm；特大冻害：100mm以上。三、路基冻害的成因及主要影响因素冻害，是土体在冻结过程中因冻胀所引起的病害。由于土中的水在冻

5、结过程中能向冷冻 峰面迁移、并不断冻结析出冰层，水结成冰，体积增大9%，使土颗粒相对位移而发生冻胀， 路基就被抬起，即造成土体的冻胀。土冻结时，还发生水分向冻结面转移，更使土的冻胀量 增大，融化后则使土剧烈沉陷。路基产生冻胀、下沉等冻害的影响因素是很复杂的，但主要可以归结为温、土、水和力 四个要素。四个要素中温度和压力的变化是外因，而土和水是内因。这四个要素在建筑物的 冻害过程中都是存在的。其中值得提出的是水这个要素，路基土体中的水分是形成路基冻害 的决定性因素。水分迁移是冻土中主要的物理力学过程，是路基产生冻害的基本原因。冻水 结成冰，强度剧增；冰融成水，承载力几乎等于零。水的这一特性决定了

6、冻土有很高的承载 力，而融土的承载力则大为降低。水的影响（1）土中水的分类及特征目前，在土力学中，将土中水分成以下几种：气态水：水气是由毛细区水分蒸发而形成并随温度升高而增加，它由土温变动造成的压 力的作用下迁移，由高温向低温处移动。土冻结时，水气向冻结面迁移，凝结成滴液状，进 而冻结。气态水是含水量小的砂类土冻结时水分集聚的水源。吸着水（强结合水）：它是附着在土上的近似于弹性的固态水。冻结时吸着水不发生相态 变化（不冻结）。薄膜水（弱结合水）：由于土颗粒的电分子引力作用及水分子的双极构造，当水和土颗粒 接触时，会在土颗粒表面形成一层薄膜水层。最里面的水分子吸附力最大，为强结合水，水 分子不能

7、自由活动也不冻结；而外围的水层为弱结合水，可以在水分子作用下运动和在负温 下冻结。一般在土中，由于土颗粒间距离很小，甚至互相接触，可以形成公共水化膜，这时 它们的弱结合水层便会在土颗粒和水分子引力作用下达到相对的平衡状态。它的冻结温度一 般低于-1.5C。很弱结合水：这种水是土的塑性状态水。其性质处于结合水和自由水之间，具有相当大 的可移动性，是土冻结过程中水分集聚的主要来源。在土冻结过程中发生水分向冻结面强烈 迁移，能产生大量的冰析和很大冻胀。毛细水：它克服了重力作用，从自由水面向上升高不从土中流出，蒸发时也不改变自己 的水位。潜流性状态水（被动吸附水）：它处于自由状态，不受矿物颗粒表面力的

8、作用。被动吸附 水冻结时，具有双重作用：第一，依靠它补充很弱结合水在迁移和析冰过程中脱水的水膜： 第二，在它的浓缩点形成结晶中心，由于冰的吸附能力大，粘结水向它迁移，从而造成了厚 大冰体增长的条件。重力水（或自由水）：它存在于足够大的孔隙和裂隙的土中，再重力作用下移动，当有压 力差时，能从土中流出。土冻结时，重力水不能向冷锋面迁移，但它能成为参加迁移过程的 其它类型的水。（2）路基土体中水分的周期变化路基土体的水分分布状态是随着一年四季而有四个明显的阶段变化：秋季（土中水分积聚阶段）：此季节是大气降雨的集中时期，在寒冷的北方，降雨量主要 集中在七至九月，约占全年降雨量的70%以上，因而这时期地

9、表土体湿度增大，并下渗为地 下水的主要补给期冬季（土中水分重分配阶段）：当温度下降至负温后，从地表土层逐渐向下冻结，在冻结 过程中，土中水分将发生变化，冻结成冰并不断的从下面凝土层中向上抽吸水分，行成土中 水分的从分布。由于土中水分向上聚积，使得表层土体的含水量较冻结前增大，从而使土体 的结够发生变化，当土质条件适合时能形成凝冰或镜冰体。春季（土体稀释、强度下降阶段）当温度回升至正温后，路基表层土开始解冻，地表土 自上而下融化，由于下部上有未融化的冻土存在，使得上部融化土体中的水分无法下渗，当 含水量多时可达到饱和状态。从而可产生翻浆冒泥现象，此时土体强度最小。夏季（土体排水固结、强度增长阶段

10、）：此时由于气温增高，融化深度加深以至冻结消失。 土中水分蒸发及下渗，固结能力不断增强，上部基床土开始干燥。土层强度在增长，稳定性 在增加。由于这种周期变化，铁路路基的稳定性受到了影响，路基病害也在年复一年的加剧，严 重地影响着线路状态。（3）地下水位对冻胀的影响地下水位距冻结近成线的远近直接关系到冻胀值的大小。地下水位愈浅冻胀愈烈，地下 水位愈深冻胀愈小。（4）土的冻前含水量对冻害的影响土中水结冰时，体积膨胀。若土粒之间尚有足够的孔隙供冰晶自行生长，则没有冻胀力 的反映；一直到含水量大到某一程度后，土中水的冻结才造成土的冻胀，当含水量继续逐步 增大时，冻胀便明显起来。含水量越大，冻胀越严重。

11、起始冻胀含水量的大小与土质条件有 关。土体在冻结过程中，由于水分的转移及聚冰作用，使土中的含水量显著增大，因此，当 春季融化时，土体甚至处于饱和状态，若有地下水或其他水源补给时路基冻害更严重。在整个冻结深度内，冻胀强度并非均匀分布，在地表以下最大冻结深度的2/3以上才有 冻胀，以下则冻胀基本消失，在该深度以上称为有效冻胀区。各类土的起始冻胀含水量：粘土、砂粘土一般为1825，粉质的为1520 ；粘砂土一 般为1318，粉质的为1115 ；粉砂或细砂一般为1015 ；中粗砂、砾砂、砾石一般为5 8，粉质的为515。冻土的含冰量：冻土在负温条件下，仍有一部分水不冻结，叫未冻水，未冻水随温度的 降低

12、、土颗粒的增大而减少。未冻水多时，则土粒被冰胶结程度差，强度降低，并影响土的 热物理性质。故冻土的含水量并不是等于其融化时的含水量。衡量冻土中含冰多少的指标有 体积含冰量、重量含冰量和相对含冰量。（5）土冻结时水分的迁移当路基土体冻结时，路基土体中水分进行重新分布。水分由未冻结区向冻结区迁移。这 种现象揭示了土表面冻胀的实质。当上部土体发生冻结时，由于形成冰晶，就从靠近冻锋面 的土颗粒外围的水化膜中夺走一部分水，使水膜变薄，使公共水化膜产生不平衡。这时，减 薄了的水膜就会从邻近处抽吸水分来补充，以恢复平衡。所以在冻结过程中，增长着的冰晶 不断地从水化膜中夺走水分，而相邻的厚膜中的水分子又不断地

13、向薄膜补充。这样，不断地 依次传递就形成了冻结时下部土体的水分向冻结锋面的迁移。水分迁移分为两个区域，第一个区域是与彻底结冻带相连接的未冻土带，既水分迁移的 缓冲带。缓冲带是补充冻结面上结晶水的平衡水源。第二个区域是结冻区，在这里，水延薄 膜运动来实现薄膜结晶机构。根据土的类型不同，我们发现粘性土和砂类土中水分的迁移情况是不同的：冻结的粘性 土中越接近冻结封面水分的含量越高；相反在砂粒土中越接近冻结封面水分的含量越低。（6）多年冻土地区的地下水多年冻土层上部界限，称为多年冻土上限，简称上限；下部界限，称为多年冻土下限， 简称下限。在大自然条件下形成的上限，称为天然上限；经过人工活动后形成的新上

14、限，称 为人工上限。层上水：季节融冻层内的季节地下水，非衔接的多年冻土地区的季节融冻层与多年冻 土之间的常年地下水，均在上限界面以上，统称为层上水。层间水：上限界面以下，下限界面以上，多年冻土层内局部融区的地下水，称为层间 水。层下水：下限界面以下的地下水，称为层下水。土的影响路基的冻害变形与土质条件有直接关系。粗粒土的砂砾土具有良好排水条件，很少产生 水分迁移和聚冰作用，冻害变形一般较小。黏砂土若有地下水补给，则往往发生较严重的冻 害，黏土则可能形成较大的冻胀。当土中含水量超过起始冻胀含水量时，由于土颗间水膜厚 度增大，土粒间的磨擦阻力降低以致消失，使土的抗剪强度显著减弱，在荷载作用下则造成

15、 下沉等病害。随着气温下降，在地一一气热交换过程中，土温达到土中水结晶点时，便产生冻结，形 成冻土。根据冻土存在的时间，可以把冻土分为：持续冻结三年以上的多年冻土；冬季冻结、 夏季全部融化的季节冻土和仅维持冻结数小时或数日的瞬时冻土。冻土是一种复杂的由土颗粒、水、冰组成的复合体，是一种非均质、各向导性的介质。 我国东北地区的多年冻土属于高纬度地区多年冻土，其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，它对冻土地区的路基稳定性有着极大的影响。路基基床已经存在变形时，各种道碴陷槽等都可能使冻害严重发展，在一定条件下，它 可能是形成路基冻害的主要原因。另外，线路道床不

16、洁，排水不良也会加剧路基的冻害。（1）土的冻结温度土中水结晶的开始，标志着土开始冻结，成为冻土。这时的温度总是低于零度。原因是 水中存在着可融盐份，它同矿物质之间相互作用的结果。土的冻结温度标志着土冻结的开始， 为此也常称为起始冻结温度。土的起始冻结温度取决于土的含水量、土粒的大小及矿物成分。 土的颗粒愈细土冻结温度的变动范围愈大，同时又与水溶液的浓度密切相关，因此土的冻结 不能以某一温度来表征。（2）路基土体的温度变化为了保证路基土体的稳定，必须掌握地温的温度分布状况和其年变化规律，特别是水发 生相变时温度所构成的冻结面位置和形态及其冻结面变化规律。现以季节冻土地区的路基为 例，概述如下：秋

17、季:地表土温度随着气温的下降而逐渐下降。这时地温由低于气温而渐变为高于气温， 因地表下12m处的低温较高，再下深度为多年地温平均值（此处平均值低于其上部地温）。 这时期地中热流是自地表下的高温层向上、下两个方向散热。当高温层消失后，整个地表土 体温度才进一步降低。冬季：当气温继续降低，这时地温高于气温，且表层地温低于深层地温。这时期地中热 流方向始终向上，向大气散热。此时土层中开始形成冻结面，由地表逐渐向下移动，地表土 层为单向冻结。春季：地表土层随气温的逐渐回升低温也在提高，但其变化幅度较小，在时间上较气温 滞后，且地温低于气温。此时地表下12m深处地温较低，再向下时地温又逐渐升高至多年 地

18、温平均值。这时期，地中热流方向是从上、下地层流向低温层，低温层在逐渐缩小，整个 土体温度在进一步升高。夏季：气温在继续升高，气温高于地温。这时期地中热流方向是：无冻土层者由上向下 流动，地表及地中温度都在升高；有冻土层者由上、下两个方向向冻土层流动，直至冻土层 全部消失为止，有的地方可直至秋季时期，才能完全融化。在多年冻土地区，地表土体的表层为季节融冻层，其下为负温的多年冻土。当不衔接时， 它的融冻规律基本上是季节动土的融冻规律。当其衔接时，它的融冻规律与当不衔接时恰恰 相反。（3）冻土的结构形式由于水分在土中的转移情况不同，而造成多年冻土在结构上有以下的不同形式。整体结构：由于温度骤然降低，

19、冻结很快，土中水分来不及转移，只部分得到转移的 水分与冻土结成冰，这种结构的冻土含冰量不大，冰粒散布于土颗粒之间，其特点是土中没 有肉眼可见的冰体（透镜体或冰夹层）。这种冰体是普遍的，它是在没有地下水向冻层补给， 含水量小的土冻结时，或粗、中砂冻结时，以及在不同含水量的土中快速冻结等条件下生成 的。冻土的整体构造一般具有较高的强度，在融化时仍能保持土的骨架，也比层状和网状够 造土强度降低的少。层状结构：地温不很低，冻结缓慢，土中的水重新分布双向转移；经过多次冻结和融 化的循环作用，当多年冻土上限缓慢上升，则形成薄层状或厚层状的结构。这种冻土在融化 后，骨架整个破坏成可塑工流塑状态。常在具有高含

20、水量或有外来地下水补给条件时发生， 它主要是粉质粘砂土及粘土，粘砂土及粘土单向慢速冻结的条件下产生离析冰。网状结构：由于地表起伏不平（如山坡、小丘）冻结时受地形的影响，水分向不同方 向转移，或土骨架有网状的层理和节理，就形成网状结构的冰。这种结构的冻土含有大量的 冰，融化后，呈软塑或流塑状态。扁豆体结构：由于季节冻结及融化作用，土中的水分向冷的地方转移，使冻层上限以 上的水受低温影响形成扁豆体结构。楔形冰体：在多年冻土上限以下的岩层或土的裂隙中，由于季节融化层的冻结及融化 作用，使水分转移到裂隙中冻结成楔形冰体。在冻结过程中不同尺寸、不同形状和不同方位 的冰体，形成大小不一的不连续的冰体。（4

21、）冻土的分类按发展趋势可分为发展的与退化的两种。由于地质、气候等因素的影响，地温逐渐下 降，冻土的厚度和分布范围仍在继续发展的称为发展的多年冻土；地温逐渐上升，多年冻土 的厚度和分布范围在退化减小的称为退化的多年冻土。按垂直构造可分为衔接的与不衔接的两种。冻土层中没有不冻结的活动层，冻层上限 与受季节气候影响的季节性融冻层下限相衔接的称为衔接的多年冻土；冻层上限与季节性融 冻层下限不衔接，中间有一层不冻结层的称为不衔接的多年冻土。按平面分布情况可分为整体的、断续的和岛状的。在较大的地区内呈整体分布称为整 体多年冻土；多年冻土层为不冻土切割的称为断续多年冻土；呈岛状分布在不冻土区域内的 称为岛状

22、多年冻土。按冻土的总含水量和融化后的下沉特征可分为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰 冻土和含土冰层五类。它们是以土的类别、总含水量、融化后的潮湿程度和融沉分级来区分 的，级别逐渐升高，共分为V级。冻土还可分为：坚硬冻土（或低温冻土）、塑性冻土、松散冻土。坚硬冻土（或低温 冻土）：指被冰牢固胶结一起，成为坚固的整体物质。它的特点是在荷载作用下，表现脆性和 不可压缩性；塑性冻土：是土冻结时，土骨架未被冰全部胶结，因而冻土尚保持塑性稠度。 这种冻土在荷载作用下，具有可压缩性。塑性冻土主要是粘性土（粘砂土、砂粘土、粘土） 松散冻土:含水量很小时冻结的粗碎石土和砂土。此时冰的胶结作用只在个别集成体中发

23、生， 而整个土体仍处于松散状态。（5）冻土地区的不良地质现象厚层地下冰：当多年冻土层层上水发育，季节融化层达到最大融化深度时，多呈饱和 状态；冻结时水分又向上转移，只要上限位置有条件向上移动，就能形成新的冰层，这种作 用不断进行，就形成厚度相当大的厚层地下冰。也有少量厚层地下冰是埋藏的冰川冰。厚度 大于0.3米的冰层，即称为厚层地下冰。热融滑坍：由于自然营力或人为活动，破坏了有厚层地下冰分布的斜坡的热平衡状态 后，地表土体在重力作用下沿融冻界面呈牵引式位移而形成的滑坍，称为热融滑坍。冰椎、冰丘：在寒季流出封冻地表或封冻冰面的地下水或河水，冻结后形成丘状隆起 的冰体称为冰椎，前者为泉冰椎，后者为

24、河冰椎。在寒季地面冻结，地下水受地面和下部多 年冻土的遏阻，冻结膨胀把地表抬起形成隆起的丘状，称为冰丘，它的特点是冰体没有外露。 有的地下水中含气体，使地表在暖季发生爆炸的丘状隆起，称为爆炸性鼓丘。热融沉陷和热融湖（塘）：由于自然营力或人为活动破坏了多年冻土（或地下冰）的 热平衡状态后，使地表下沉所形成的凹地或积水凹地，称为热融沉陷或热融湖（塘）。冻土沼泽：多年冻土层地表因受积雪及地表水的影响，在平坦与低洼地带形成沼泽。 此种现象在东北较多。因沼泽中多长有喜水植物（如东北的塔头草）及覆盖有泥炭层，使地 表长期积水或处于潮湿状态。（6）冻土的危害冻土地区季节融化层中的水，冻结时向地表及上限两个方

25、向转移，形成的水分进行重分 布。待季节融化层融化时，表层特别松软，且随融化深度的加深，水亦逐渐下渗，直至上限 附近不能再下渗，由于上限附近的土聚积的水分最大，土的抗剪强度就大大降低。若路基边 坡底下的上限位置是倾斜的，则路基边坡有沿上限面滑动的可能。即使不会滑动，这种层上 水也可能从边坡面渗出，冲蚀边坡。故在冻土地区的路基工程中，处理土中水的问题是很重 要的。没有土中水的冻结和融化，就不会发生冻害。而土中水的多少，又直接与土的颗粒粗 细有关，粗颗粒的土排水条件好，存水少，就不易产生冻胀或融沉现象；反之，细颗粒土中 水分难以排走，就会产生冻胀和融沉现象。故其危害主要有以下几种：冻胀：路基的季节融

26、冻层内，如含水量超过一定限值，土中水冻结时路基就会发生冻 胀。融化下沉：路基基底土层为富冰、饱冰冻土及含土冰层，由于地表水渗入后的热交换 过程，和因保温层厚度不够，以及路基土的压力、列车震动的作用等，使基底一定范围内的 原地表和原始多年冻土上限发生相应的下沉、下降变化，形成路基基底融化槽。热融滑坍：由于自然营力或人为活动，破坏了有厚层地下冰分布的斜坡的热平衡状态 后，地表土体在重力作用下，沿融冻界面呈牵引式位移而形成的滑坍。（7）解冻时冻土的性质解冻时冻土结构的变化。冻土在解冻时其结构会因融化水压出后的增密作用和先前冻 结压缩换失水的矿物聚体的膨胀作用发生明显的变化，颗粒间的粘聚力发生很大变化

27、，同时 冰夹层冰透镜体和冰的其它包裹体从坚固的状态变化为液体，这种变化发生在负温度区内的 温度任何上升时，从而影响到解冻土的物理力学性质。解冻土的承载力及沉降。土在解冻时，特别是层状和网状构造的冻土，无论粘着力， 还日内磨擦角都会发生剧烈的变化。内磨擦角在数值上接近于或较小于未冻结土的内磨擦角， 而粘着力则较同样土未经冻融作用时小得多，或者接近于零。这是由于冰变成水，冰的胶结 作用受到破坏，土的强度降低，承载力下降，解冻土发生沉降。由于土的类型不同，路基发 生不均匀融化下沉及压缩下沉。温度的影响气候条件是形成路基冻害的另一个重要条件，气候条件主要指气候的冷热、持续时间、 降雨量、降雨持续时间等

28、。气候条件影响聚冰层的深度、分布。若聚冰层位于距路基面顶面 较深处，一般对路基的冻害影响较小。反之，若聚冰层距路基顶面很近，位于表层，则冻害 往往严重。由于大气温度的下降，使土体温度达到土中水的冰点时，土中的冻融层即产生冻结。土 体冻结时，由于土中孔隙水、外界水的补给及地下水补给的条件不同，水的冰晶形成多晶体、 透晶体和冰夹层等不同形式，使土的体积增大，引起路基冻胀。每当春季，冻结的土产生融 化，由于土中的水侵入体的消融发生沉陷引起路基下沉。冬季气温是影响土冻结温度状况及其动力过程的基本因素之一。主要表现在土层的负温 数值和冻结速率，正在冻结的土，其冻结速率的快慢取决于环境温度的冷却能力。在相

29、同条 件下，大自然气温越低则冻结速率越快，迁移水流的时间小，重新分布的时间越短，所以造 成的冻胀量越小。当土层温度处于相转换区，且冻结速率较小时，土层中水分迁移的条件最 充分，可以形成较大的冻胀。不同土质在相同含水量下，冻结速率各不相同。四、土的冻胀过程土的冻结初期，水局部结晶，在个别部位形成小冰晶。当冰晶形成后，与冻结锋面连接 的薄膜水立刻向它移去，形成水膜，该水膜处于弹性张力状态，并且总是力图向冻结锋面运 动。冻结土中水的移动和结晶，只是在水薄膜个别部位脱离其原有部分情况下才发生。薄膜水在冻结土里重新分布是冻胀形成过程的决定性阶段。在结晶时，它能在封闭的土 体内引起弹塑变形发展，结果引起土

30、冻结体的增大。冻结边界附近的自由水又将转变为薄膜 水，结果维持着一个水分浓度梯度。当水分迁移的通道上这个梯度在作用时，正在冻结土中 的水分迁移过程将一直进行。按照扩散层薄膜水厚度随负温降低而减小的过程，冻土中单位 水流将变小。当冻结土空隙量超过给定条件下结晶的水体积时，冻胀过程便停止。五、土体冻胀的基本规律冻胀量与冻胀强度：冻胀量是指某一土层在冻结前后的厚度差值，即变形高度；冻胀 强度是指某一土层的冻胀量与整个冻结土层冻胀量的比值。冻胀沿深度的分布规律：由于土层的非均质性和地下水系的封闭、开敞情况不同，在 冻结深度内各个部位土层的冻胀量和冻胀强度都是极不均匀的。在均质土层中、封闭系统条 件下的

31、冻胀强度分布的基本规律一般为一近似三角形，并可分为厚度相等的上、中、下三层。 在均质土层中若夹有砂层、或在非均质土层中有地下水补给时，冻胀强度会有多种多样的形 态。冻结深度的调查及计算方法：冻结深度可靠的调查方法是实地勘测，观测的仪器有冻 土器、地温计及直接挖验观测。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1米，滞后近一个月，一般在三、四月份。其冻结深度 的计算参见工业与民用建筑地基基础设计规范。六、路基冻害的整治在路基工程中除要做好排水系统外，常利用粗颗粒土作为填料

32、或换填材料，来消除冻胀 和融沉。但从土的保温性能来说，土中小孔隙愈多，保温性能愈好，从这一点来考虑，粗颗 粒则远不如细颗粒土好。故在设计中要保持上限位置不变，防止冻害发生，拟利用天然土作 为保温材料时，常利用细颗粒土，以减少工程量。路基冻害的调查冻害的调查工作应包括两大部分：一是从外貌方面调查研究冻害的发生发展过程，即冻害发 生的部位、形状、长度、起落时间及发展过程；二是通过钻探、挖探等方法，观察土层的土 质种类、厚度、水文地质、冻土结构等。所有这些调查项目都是为分析冻害产生原因，确定 整治方案，为做出具体设计，提供可靠资料。（1）了解冻土类型：了解冻土的类型是发展的还是退化的，是多年冻土还是

33、季节冻土; 线路处在相对稳定地带还是相对不稳定的边缘地带。冻土的上限位置和季节融化层土的类型 及其物理、热物理、力学性质。在多年冻土较薄的边缘地带还要了解下限的位置。（2）气象观测：应按气象台的要求设立：气温、地面温度、风向风速、降雨、蒸发、日 照等项目的观测，还应包括当地典型土的冻深，地表表层温度、分层冻胀量的观测。收集当 地的气温、地温、降水量等气象资料。（3）地温：可设立长期观测站和短期观测站。地温孔要有足够的深度，一般应达15米， 短期的孔深也应大于上限深5米左右。以了解和掌握活动层和冻土层的温度性质与动态，及 上限变迁与病害的关系。（4）地形、地貌及植被：应详细记述病害地点的地形地貌

34、单元，微地形地貌特征，包括 部位、坡度和坡向，并测绘具有代表性的地形纵、横断面，查明病害分布的特点和规律。（5）地质条件：根据铁路工程地质分区图的划分，把勘测调查的重点放在冻害严重的地 段。尤其是通过不良地质现象如厚层地下冰、冻土沼泽、冰椎冰丘、热融湖（塘）等地下水 较发育的地段，要收集足够的资料。同时，通过挖探、钻探等方法查明地层结构、土层类型 和冻土的结构构造，并试验测取不同土层的颗粒组成、含水（冰）量、及在冻融状态下与病 害有关的特殊物理力学性质和参数。查明地表水、地下水的补给、径流、排泄条件，包括测 量水量、水温，记录它们在病害区域内的运动变迁状况，及对病害的影响。可用实际挖探、 计算

35、或测量等方法，准确测取病害前天然条件下冻土上限位置，病害过程中人为的冻土上限 的变迁情况。寻求引起冻土上限变迁的有关因素，上限变化与病害的关系，以及由此可能造 成的长远影响。冬季挖探、钻探是调查路基冻害最有效的方法，其判断准确，可以直接观察 构成路基土壤的种类、含水量、冻土的结构状态、地下水位、冻结深度及有无异物等为分析 冻害提供可靠资料。其位置应布置在路肩或侧沟中和路基边坡上，必要时需挖验路基中心部 位。除在冻害处挖探、钻探外，还应在冻害两端进行挖探、钻探，以便用对比方法分析冻因。（6）加密测点测量纵断面：冻害调查时，应在冻害的初冻、最大冻高、回落三个阶段分 别进行纵断面测量。在冻包处每2m

36、设一测点，其它各点可适当延长。通过不同时期测出的纵 断面加以比较，就可准确找出冻害位置及冻高变化情况，正确分析出冻害成因。（7）调查当地已有路基处理冻害的实践经验:当地可作整治冻害材料的产地及运输条件。路基冻害的防治方法整治冻害必须贯彻和遵循两个原则：一是消除不均匀冻胀；二是强调综合整治的整体效 果。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。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

37、到根除冻害的目的。（1）季节冻土地区路基冻害的防治措施1路基冻害的防制措施基本上分为四大类：a.排水及隔水一一由于水是形成路基冻害各因素中关键性的条件，因此控制土体中的 水分，其目的在于排除地表水或降低疏导地下水及隔断下层水以消除或减少路基土体的冻胀。 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。其类型有：地 表排水一一应进一切可能使地表排水畅通，并能将大量的地表水由桥梁及涵洞排走并防止 地表水的下渗。具体措施有：侧沟、天沟、排水沟、跌水、吊沟、排水槽、截水沟及取土坑 排水等；基床排水一一多数冻害的产生与基床不平整有关。因此基床排水在防治冻害中也起 着相当重要的作用。具体

38、措施有：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、砂井、纵向盲沟、横向排水管等；排除地下水一一地下水的存在和 变化，能在土中引起静水压力和动水压力，并且是土中冻、融、干、湿循环而造成各种病害 的基本条件。排除地下水的基本措施有：截水明沟、渗水暗沟（截水渗沟、边坡渗沟、支撑 渗沟）、渗水隧洞、平孔排水、积水井等。隔水措施一一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，阻止冻结时所产生的水分向上迁移作用，以减少 或消除冻胀。具体措施有：粘土、耐寒塑料薄膜、土工纤维防渗布、聚苯乙烯薄板、聚氯乙 烯软板、树脂类注入、电硅化层等。另外，用改性土如乳

39、化沥青，或灌浆、矽化加固等方法。换填法（改土）一一对于由土质不良而造成的路基冻害，且又有换填条件时，常广 泛使用换填法，其目的是换除路基土体中的不均匀土质，或改良土的性质，以消除或减少路 基土体的冻胀。挖除冻害地段的冻胀性土，换以物理力学性质较好的土。换土分两种情况： 一种是换填砂垫层，主要用于冻结深度内的土层是冻胀性较强的土；另一种是换填与周围土 层冻胀性相同的土，主要用于因土质不同或不均匀的冻害地段。因此，换土前应调查掌握冻 害深度、冻胀土的有关物理力学性质等，准确掌握冻包（坑）高度、长度及均匀冻起的高度 等，确定换土的土质、深度、宽度、长度及纵断面形式等。采用的换填材料主要为粗砂、砾 石

40、等非冻胀性材料或弱冻胀性材料。换填法防治路基冻害的效果与换填的深度、换填材料的 粉黏粒含量、换填材料的排水条件、地下水位及补给条件有关。保温法（隔温）一一在路基表层（顶面及侧沟）设置保温隔热层，使表层下的土层 不冻结或减少冻法深度，推迟土体冻结，提高土中温度，减少冻结深度，其目的是使冻胀性 土脱离冻结层或部分脱离冻结层，从而消除或减少路基土体的冻胀。隔热材料可采用草皮、 树皮、炉渣、泡沫混凝土、玻璃纤维以及其他一些合成材料。物理化学法一一物理化学法是指采用人工材料，改变土粒与水之间的相互作用，使 土体在冻结时水分的转移强度和冰点发生变化，减轻冻害的影响。采用炉碴、石屑或渗水性 能较好的砂性土，

41、通过多次高抬道分层垫入枕底，将路基面抬高至需要的高度，使抬道范围 内的冻害地段有一层保温层，适用于沼泽地区路基和两侧常年积水的低路堤地段，以及地表 水较丰富，地下水位较高的浅路堑地段，高抬道施工前，必须做好纵断面设计，尽可能使纵 断面得到改善，施工时必须注意分层填夯密实，轨枕长度范围内，可以采用分层将枕盒填夯 密实的方法，也可以采用密铺枕木利用列车重量分层压实的办法。另外，在路基土体中加入 一定量的可溶性无机盐如氯化钠、氯化钙、氯化钾等，可使土粒表面水膜增厚，降低表面能 和毛细作用，降低土的冻结温度与水分转移强度。一般可将盐铺在需防治冻害的地段，经雨 淋渗入地面；亦可在事先钻好的浅孔中填入结晶

42、盐。采用憎水性材料掺入填土中，可减少或 消除地表水下渗、阻止地下水上升，使土体含水量降低，以减弱路基冻害。常用的增水性材 料有重油、柴油、液态石油沥青、液态煤焦油等石油产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学表面活性剂。同时采用使土粒聚集或分散剂也可 收到明显的防冻效果。道床冻害：经常保持道床清洁，清筛道床或更换碎石道床防止泥土杂物混入道床，及 时清除土垄，增加道床渗透能力，疏通排水；削减路肩高度，平整路肩、基床面，保持路肩 和边坡平整，无裂缝、无坑洼积水。（2）多年冻土地区路基冻害的防治措施多年冻土地区路基的构成，其上部为季节融化层，下部为多年冻土层。所以它

43、除了上部 的季节融化层具有季节冻土地区路基冻害的特点外，下部则有多年冻土路基的特殊病害一路 基热融沉陷，路基冻融坍塌，路堑边坡热融滑坍及路堤边坡表层滑坍。除此以外，多年冻土 地区的不良地质现象一冻胀丘及冰锥，也给线路造成危害。多年冻土地区路基特殊病害的防 治总的概括为两大类：一是在使用中保持土冻结状态的原则（即采用保温措施等）这种原则 适用于含冰丰富的冻土或厚层地下冰地带；二是在使用中冻土可以融化，或局部融化，或控 制融化速度，这一原则一般使用于厚度较薄的冻土层或含冰量局部较大的岛壮冻土地带。对于多年冻土路基，目前主要采用以下几种治理措施来防冻胀、抗融沉，尽量减少路基 病害。a.填方取土坚持“

44、集中取土”的原则。取土坑、取土场必须设置在少冰冻土、多冰冻土 地段，在高寒冰地区严禁取土。开挖爆破时，必须遵循两大原则：按保持冻结原则设计的爆破开挖只能在寒季施工； 按允许融化原则设计的开挖可在暖季施工，但必须快速开挖、快速施工回填、换填。换填处理。对不良冻土（热融湖塘、湿地、低路堤、路堑基床、边坡采用砂卵石或细 粒土进行隔热换填处理。铺设隔热保温层。在基底或基面以下一定深度处铺设硬质聚氨酯板或聚苯乙烯板等隔 热保温材料，防止对下伏冻土的执振动。保温护道。在路堤两侧填筑一定宽度、高度的护道，阻断热量传输。护道填料一般没 有特殊要求。热棒冷冻。热棒是一种高效热传输装置，长度较大，一般在810m范

45、围内，用钻机钻 孔插入地基，将地基吸收的热量向外输送，保持地基冻结状态，防止融沉。通风路堤。在高温极不稳定区的路堤可在适当位置埋设通风管（直径30cm的钢筋混凝 土管、钢管、PVC管）或在路堤下部采用片石填筑，加强通风，改变路堤热传输特性。多年冻土地区路基施工。多年冻土地区路基工程施工首先做好排水工程，在保持多年 冻土不融化的地段，排水沟至路堑坡脚或保温护道应有足够的距离，以防止冻土融化，影响 路基稳固。这一距离一般不小于1.5m。天沟至堑顶边缘不小于10m。厚层地下冰地段，为保 护冻层，不宜修筑排水沟和天沟，可修筑挡水埝。而多冰冻土地带排水沟和天沟深度不宜浅 于0.6m，宽不小于0.6m。在

46、冻土地区修筑的排水沟与天沟必要时应予以加固防渗。施工取土 的地点应慎重选择，防止由于取土引起冻土融沉及热融滑坍，影响路基的稳定。在地下水发 育地段取土若开挖过深，可能地下水出露形成冰椎，影响路基稳定，所以不可开挖过深。冻 土地区的路基施工应尽可能保护施工地段的自然条件，在路堑顶和路堤坡脚以外20m范围内 的草皮应予保护，并在这一保护地带内不设施工便道及其他临时设施，以保护冻土，防止冻 土融化。路堤基底的植被应予以保护。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。七、路基冻害整治实例病害情况病害地段位于鹤北线k7+525k7+750位于鹤岗宝泉岭间，冬季最低气温为-33C，年 降雨量300mm左右。该地段路堤高0.4m，线路纵坡为6%。，直线地段，81型钢筋混凝土轨枕， 50kg/m长25m轨普通线路。线路位于阳坡沟谷地段，地势较平坦，路堤高1.5m，路堤填料 为砂粘土。线路右侧有两处积水坑，形成潜流及渗透作用