北方严寒地区路基冻害整治

路基冻害是寒冷地区，铁路线路上分布很广和常见的病害。它与寒冷的气候有关，冻结线能达到相当深度；又涉及到土的特性，因为有的土类对冰冻作用很敏感。我们管内大部分线路都铺设在多年冻害地带之上，路基冻害较为严重。主要表现形式为：在冬季路基土体冻结时，除路基（纵、横断面）在短距离地段内产生不均匀冻胀或路基发生冻结裂缝外，还存在着冰椎、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月中旬起全次年5月中旬止全部回落完。对铁路线路影响很大。为确保行车安全，每年都必须投入大量人力物力用以处理路基冻害。根据历年调查统计报告，管内现有冻害207处，其中冻害高度50mm〜300mm的冻害6处、50mm以下的冻害198处，冰椎3处。冬季线路冻胀凸起，冰椎则流水成冰，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和组织刨冰，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，每年得抬道一次，全年累计下沉达200〜300mm，情况严重的，如呼包线。每年用于路基融沉抬道的砂石料数量达3万多立方米，使用的劳力有2万多工日。第二节路基冻害成因一、道床冻害道床冻害冻起高度一般在25mm以内。近年来，由于运量的增加和列车速度的提高，道床污染板结日趋严重，导致了道床冻害的数量逐年增多。1、产生成因主要是道床污染引起的排水不良造成冻害。1.1道碴本身的质量问题引起的道床污染。由于我们管内道碴多以石灰岩为主，含少量的风化石。按照《铁路碎石道碴》要求，石灰岩各项技术指标均达不到I级道碴标准。石灰岩属碳酸盐类，抗冲击、抗压碎等性能差，易碎粉尘遇水溶解形成胶汁，影响排水，导致冻害。1.2列车运输引起的道床污染。一是列车动载频繁冲击振动，使道碴相互磨擦，产生碎石粉末。二是由于列车上的散装货物，如砂子、煤炭等货物散落而污染道床。三是高坡大岭地段较多，列车制动减速，由于机车撒砂和闸瓦粉屑落入道床，加速了道床板结等病害的产生。1.3路基翻浆冒泥引起的道床污染。翻浆冒泥使道床中石碴粉末增多，路基上的污水与石碴粉末接触化合成一种胶汁，把脏物和石碴粘结在一起，造成排水不良，道床板结。1.4因早期设计标准低及日常维修更换枕木等原因，导致道床厚度不足，在列车荷载的作用下形成道碴囊。由于以上等原因，从而使道床中形成了不透水层或道碴囊，秋季降雨时，雨水流入道床，并滞留在其中。当气温下降时道床冻结，又因含泥量过多，部分道碴孔隙被填充，为冻结时水分的重分布提供了条件。当路基土体冻结时，在道碴囊中抽吸水分，大量聚水成冰，当超过了道碴孔隙的容量时，就产生道床表面冻胀臌起。又因线路上水沟和水囊等存水量的不同，以及线路朝向的不同，使冰冻速率和深度及吸入的水量也不等，因而引起冻胀高差，最后表现为短距离内的冻胀高度不等而形成冻害。二、表层冻害表层冻害，主要是指产生在路基基床土体的临界冻结深度的上半部分的冻害。是寒冷地区比较常见的冻害形式，冻起高度一般较小，表现为“早起早落”型。（一）形成原因1、路基基床面不平整,易积水1路基基床面土的压实不均匀（固结的不均匀）；2路基基床面表层与道碴接触处被浸湿，承载力降低；3路基基床表层，冬季冻结时水分向上迁移，在春季时引起了土结构的变化；1.4道床厚度不足；1、 5路基受列车冲击与振动的影响，使得具有适当含水量的粉性土发生触变性的液化；由于以上原因，造成路基基床面积水，水分渗入基床表层，土层含水量增大，超过了起始冻胀含水量，同时在表层中水结冰，体积膨胀时，水分又向冻结峰面补给，使水分比冻前增加较大，形成冻害。2、 路基土体的表层为非均质由于路堤土质来源不同，且在填筑时，土层厚薄和夯填密实度也不同；路堑土体虽然是自然形成的，但土的覆盖堆积厚度及层次是不完全相同的。在冻期，经水分迁移、聚积时，由于这些土质、结构、层次等条件的不同，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、 地表水或地下水对路基土体的不均匀浸湿3.1路基基床面不平整，积水不等形成的冻害：当路基基床面形成道碴陷槽或道碴囊时，秋季降雨，水分掺入土中，其中水本身冻结时冻胀量并不大，而是这部分水，在冻结期间向冻结峰面迁移积聚。由于道碴所形成的基床面不平整，因而各部分抽吸的水分多少不等，冻胀量不同，形成了冻害。3.2路基两侧积水形成冻害：如果路基两侧积水量相等，土质均匀，冬季冻胀量很大，不一定形成冻害。若土质均匀，但两侧积水的水位及深度范围不同时，由于其对路基体浸湿的不同，冻结时其冻胀量也将不同，因而形成冻害。3.3上层潜水和裂隙形成的冻害：上层潜水和裂隙形成的冻害,常常发生在路堑与路堤相接的地方（即零断面或稍向路堑内部）。上层潜水是指大气降水或地表水下渗，沿山坡隔水层所发生的汇流，经路堑边坡流出，沿侧沟形成径流，其流量随降水的多少面异。雨水多时，可直渗道床，使路基表层土经常处于饱和状态。这种冻害多发生在山区。裂隙水是沿构造裂隙渗流汇集到岩层破碎带。因此水量比较集中，并夹带着一些碎屑，从路堑边坡溢出，形成不均匀浸湿而产生冻害。3.4侧沟积水形成的冻害：在路堑地段因侧沟积水造成的冻害是比较常见的事。由于地表水冲刷边坡，侧沟淤积，积水浸湿了路基基床。尤其是粉质土中的路堑，当侧沟排水不良时，侧沟附近的土会被不均匀浸湿。特别是秋季降雨时节，侧沟附近的粉质土或粉质砂粘土的湿度能达到液限，冬季形成严重的冻害。4、气温影响及路基土体导热不均匀形成的冻害气温随着地形、土质、日照及植被的不同其热交换不同，同时对土中的速率影响也不同。在土冻结时，由于表层土温及冻结速率的不同因而其水分迁移的聚流量和冻胀量便不同，产生冻害。综上所述，在表层冻害中关键是地表水，再加上寒冷的气温和土的敏感性，即只有当土、水、温等条件本身出现了差异，才能形成冻害。三、深层冻害深层冻害是指路基冻害产生在路基基床土体的临界冻结深度的下半部分。在此部位所产生的冻害大多是因地下水的作用结果。因为若无地下水，虽然土质有所差异，但因冻结进程线下移过程中，路基土体的原有水分因冰冻重新分布，已经向上迁移了，下部显现脱水现象，所以已无多少冻胀了。因深层冻害多产生在地下水充足，补给条件好的情况下，所以冻害高度较大，表现为“晚起晚落”型。深层冻害表现的程度主要与地下水位的高低有关。且危害较大。例如京包线733km冻害均属于这种类型。由于水分供应充足，冬期时水分迁移的聚流量很大。冻害高度达200mm左右，对行车安全构成了一定的危害，每年都需要投入大量的人力、物力、财力来维持行车。第一节路基冻害的预防措施在冻害的防治工作中，我们必须贯彻“预防为主，预防和整治相结合”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、疏十路基，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。采取防治措施时，还要做到因地制宜，尽量就地取材。第二节路基冻害的整治措施一、 整治冻害必须贯彻和遵循二个原则：1、 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。2、 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。二、 路基冻害的整治措施（一） 简要说明路基冻害的整治目标及整治措施1、 道床冻害（25mm以内）：整治目标：增加道床渗透能力，疏通排水。具体措施：清筛（破底清筛）或更换碎石道床；平整路肩、基床面2、 表层冻害（25mm〜50mm）：整治目标：防止地表、排水设备积水；消除积水；疏导排水、防止下渗；消除不均匀冻胀减少冻结深度。具体措施：清理平整基床面，深挖或扩大侧沟，加强清理侧沟保持排水系统畅通；削减路肩或用渗水土填垫路肩；高抬道；加强基床排水换土；排水后用隔水材料封闭基床面；设横盲沟、边坡渗沟或塑料管斜孔排水。做好地表及边坡排水，尤其是排水系统；加深侧沟；设砂垫层或隔水层疏导排水、防止下渗换土、铲除不均匀土质、砂垫层、矽化加固、炉渣垫层、注盐、隔水层、聚苯乙烯保温板清除不均匀冻胀，减少冻结深度3、 深层冻害（50mm以上）：整治目标：加强地表排水拦截排出潜水；拦截、排出地下水降低地下水位；消除不均匀冻胀。具体措施：加强或完善排水沟，侧沟，截水沟等；加深侧沟；设截水沟，排水渗沟。设截水渗沟，排水渗沟、必要时设保温层；加深、加宽侧沟；渗水隧洞。部分换土、土质改良。（二） 多年实践中对基床冻害经常采取的整治措施下面将对在实践中经常应用的几种方法进行全面介绍：1、排水及隔水：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。1.1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。1.2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、换土和改土：其目的是换除路基土体中的不均匀土质，或改良土的性质，以消除和减少路基土体的冻胀。2.1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。2.1.1换填冻胀土、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，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。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。2.1.2换填不冻胀土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。砂垫层，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。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，。（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一换土地段总长度（m）；L一换土长度（m）；L0一顺坡长度（m），一般最小8〜10m，按下式计算：L0=h0/i其中h0一均匀冻胀高度（mm）；i一顺坡坡度，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。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。2.2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：、降低土的冻结温度；、分散土的颗粒，降低土的渗透性；、聚积土的颗粒，提高土的渗透性；、提高抗水性能，以减少土的含水量；、在土中形成不透水层，增加其抗冻胀性能；、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3、铺设保温层措施保温隔热：其目的使冻胀性土脱离冻结层或部分脱离冻结层，从而减少和消除路基土体的冻胀。采用保温措施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。3.1保温层的材质3.1.1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。3.1.2、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。3.1.3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哑，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；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。实验结果分析：根据现场实验表明，冻结指数小于1000°C.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1000〜1500C.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。EPS板铺设的断面形式：以双股铺设为例。EPS板的规格：1500X1000X50mmo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。EPS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：a、 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。b、 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。c、 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。d、 铺设EPS板整治路基冻害可结合线路大、中修施工一并进行。施工中应注意的问题a、 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。b、 无缝线路的施工应在锁定轨温增减10°C以内的条件下施工。c、 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。d、 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。e、 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。f、 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。几点提示a、 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。b、 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。c、 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。d、 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。3.2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。3.3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。3.4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