【兰新铁路冻害现状调查及应对措施分析6700字（论文）】

兰新铁路冻害现状调查及应对措施分析目录TOC\o"1-3"\h\u10367前言 168171冻害区概况 1147262土体冻胀机理 2194983兰新铁路冻害现状调查 363284冻害原因分析 5282394.1填料 686324.2道床脏污、板结 6310104.3排水及其它 8131534.4低矮路堤和浅路堑 9171195路基防护措施 1068186结论及建议 1132211参考文献 11前言兰新铁路从兰州始，穿越海拔3000m的乌鞘岭后，沿祁连山走向，至新疆乌鲁木齐，经多年运营，线路冻害是最突出的问题。发生冻害线路区段位于河西走廊中部，冬季气候寒冷，持续时间长。该区段路基在冬季产生冻胀，春季形成融沉、融陷，给铁路运输造成很大影响[1]。兰新铁路建设时标准较低，到21世纪初，已不能满足社会经济发展要求，为了提高运输能力，分别在兰新铁路进行提速改造。武嘉段既有线于1952～1956年修建，复线于1992～1995年修建，2006年开始逐步对既有线进行提速处理，但当时并没有成熟的经验和相应的技术标准[2]，导致线路建成后路基产生很多病害。2006年8～9月先后对兰武二线、武嘉电气化提速改造后，兰新铁路武威至嘉峪关区段的速度达160km/h，计481km。运营中，据兰州局统计，2007年冬至2008年春，发生线路冻害计1541处，最大冻胀高度达31mm。在甘肃境内的冻害80%集中在大青阳口—尖山区间。为确保行车安全，从2008年元月起，对冻害严重的16处（共73.38km）采取限速，严重影响了列车的运营。在冻土地区，随着土中水的冻结和融化，发生一种现象这种现象就是冻土现象。冻土现象严重威胁着建筑物的稳定和安全。冻土现象是冻土地区特有的不良地质现象，是由冻结和融化两种作所引起的。某些细粒土层在冻结时往往会发生土特技的膨胀，是土地隆起成丘，即所谓的冻胀现象。土层发生冻胀的原因，不仅是由于水分冻结成冰时体积要增大的缘故，主要原因是由于土层冻结时，周围未冻结区土中的水分会向表层冻结去迁移集聚，使冻结区土层中水分增加，冻结后的冰晶体不断增大，土体积也随之发生膨胀隆起。冻土的冻胀会使路基隆起，使柔性路面鼓包开裂，使刚性路面错峰或折断。冻胀还使修建在其上的建筑物抬起，引起建筑物开裂、倾斜，甚至倒塌。针对兰新铁路的线路条件和线路跨越的地区环境特点，在分析铁路局管内铁路沿线地质、水文、气象的基础上，重点调查铁路沿线路基冻害的现状特征，研究路基冻害形成原因、机理，并对不同类型的路基冻害，提出防治措施，消除或最大程度地降低路基冻害程度，保证了行车安全。1冻害区概况兰新铁路全长1903km。经现场调查，兰州铁路局管内冻害严重区段的地形、地貌、线路经过地层工程地质，地基土质及运营线路基床现状如下：（1）地形、地貌。大青阳口—尖山区间（K407～K422）位于河西走廊中部，南临祁连山脉，北靠龙首山脉。走廊南北宽约10km，东西贯穿甘肃全境。兰新铁路处在山前冲积区上，区域内地表植被稀少，主要为耐旱植物。（2）地层岩性。上层为洪积层砂质黄土，厚度为0～3m；底层为第四系上更新统及第四系全新统角砾土，厚度大于10m。本区段年降雨量仅129mm，且多集中在6～9月，占全年总量的70%左右，春季仅占14%；蒸发强烈，年平均蒸发量2047mm。（3）路基基床。①道床脏污较为严重，枕下清砟厚度不足，无清砟地段较长，板结造成积水无法外排；②道床未按规定铺设，道砟层下未设置砂垫层，积水下渗后直接进入道床下的路基表面，造成路基积水，含水量增高；③由于多种因素的作用，线路道床外侧的土垅较多，道床下形成积水槽，积水无法外排，为路基冻胀创造了必要条件。2土体冻胀机理一定深度的土温随大气温度而改变。当地温降至0℃以下，土体就会因土中水冻结而形成冻土。细粒土冻结时，水变成冰（体积膨胀9%），导致土体膨胀，即所谓冻胀现象。土体冻胀机理主要是：当大气负温传入土中时，自由水先冻结成冰晶体，且弱结合水的最外层也开始冻结，导致冰晶体逐渐扩大，其冰晶体周围土粒的结合水膜变薄，土粒产生剩余的分子引力，使得土水势降低，同时使未冻区的水分向正冻区迁移，抵消冻结吸力，补偿减薄了的结合水膜和降低了的土水势。随着气温的不断下降，弱结合水的最外层也开始冻结，使冰晶体逐渐扩大，这样使冰晶体周围土粒的结合水膜减薄，土粒就产生剩余的分子引力。另外，由于结合水膜中离子浓度的增加，这样就产生了渗负压力。在这两种作用力下，附近未冻结区水膜较厚处的结合水，被吸引到水膜较薄处。一旦水分被吸引到冻结区后，因为负温作用，水即冻结，使冰晶体增大，而不平和引力继续存在。若未冻结区存在着水源及适当的水源补给通道，能够源源不断的补给被吸引的结合水，则未冻结区的水分就会不断的向冻结区集聚迁移，使冰晶体扩大，在土层中形成冰夹层，土体积发生膨胀，即冻胀现象。这种冰晶体不断增大，一直要到水源补给给断绝后才停止。由于结合水膜变薄，又使水膜中的离子浓度增加，产生渗附压力，因此，下卧未冻区自由水或水膜较厚处的弱结合水，便被吸到水膜较薄的冻结区，并参与冻结，使得冻结区的冰晶体增大，而不平衡引力却持续存在。若下卧未冻区存在着水源及适当的水源补给通道，就能持续不断地补充冻结区，而未冻结区的水分就会持续向冻结区迁移和积聚，导致冰晶体不断扩大，在土层中形成冰夹层，土体随之出现冻胀现象。当解冻时，土中的冰晶体融化，即出现融沉、融陷现象。这是季节性冻土的特性，也是土的冻胀性[3]。3兰新铁路冻害现状调查在分析兰新铁路沿线地质、水文、气象的基础上，进行了全线病害调查，重点对铁路沿线路基冻害的特征进行了分析，现状如下：（1）兰新铁路冻害集中发生区域为武威工务段管内的芨岭地区。发生冻害的路基高度一般都是2m左右的低矮路堤及浅路堑，冻害的主要类型为道床冻害和路基基床表层冻害。（2）发生路基冻害的路基填料多为粉质粘土和砂粘土，该类土质为冻胀敏感性填料。（3）冻害集中地段地下水位埋深较浅，发生冻害的地段路基基床表层含水率高，0～90cm含水率＞19%，冻前含水率一般为18%～25%。（4）冻害集中发生地段线路所处海拔较高，其中武（威南）—张（掖）段穿越海拔2198m的芨岭，上行线连续上坡124km，下行线连续上坡133km。自每年10月下旬至次年3月，冬季长达6个月，低温持续时间长，为冻胀的发生提供了必要的负温条件。（5）发生冻害地点道床脏污较为严重，且均存在不同程度的道砟板结、含泥量超标的情况。部分人工换砟后道床依然不洁，经2006年～2008年统计：冻胀变形量15mm以下冻害占77%（图1）；冻胀影响长度10m以下占60%（图2）；既有线地段冻害占全部冻害的80%以上。图1路基冻胀量统计图2路基冻胀影响长度及段落数量分布（6）线路道床外侧的土垅较多，造成道床排水系统不畅，整体路基本体含水率增高。（7）每年11月底至次年1月底为冻害的集中爆发期，尤以每年12月的冻结初期冻害发生最为集中，其冻害数量占全年冻害的54%，为冻胀高度10mm以下的冻害。每年的2月为冻害稳定期，3月中旬至4月中旬为冻害的消融期，时间短、融沉快，容易造成路基下沉、翻浆冒泥。路基冻结、融化时间曲线，见图3。图3路基冻结融化时间曲线4冻害原因分析土发生冻胀的原因是因为冻结时土中水分向冻结区迁移和集聚的结果。目前的理论研究成果和工程经验表明:在可能发生路基冻害的区段，温度(气温、地温)、土质(土的颗粒组成及矿物成分)和水(地下水、地表水)是引起路基冻害的主要因素；另外，水中含盐量、外荷载等因素对土体冻结也有一定影响。从本质上说，土体和水是冻害发生的内因，气温变化、荷载因素是冻害发展的外因，外因通过内因而起作用。在季节性冻土地区，为更好地研究冻害的发生、发展机理及整治措施，通常采用从内、外因入手，进行路基病害的分析和治理。冻胀敏感性是指某种土体，对影响土体冻结的各种因素的总的响应水平。许多国家，以土的细颗粒含量作为冻胀敏感性的判断指标，但具体判断的指标（如细颗粒粒径、含量）不尽相同。各个国家和地区采用的判断冻胀敏感性的界限指标有多种，粒径分别为：0.02，0.06，0.10，0.05，0.074mm，而采用最多的是0.074mm这一粒径。也可采用粒径分布图判别土的冻胀性，目前主要有：Ontario公路部门冻结敏感性，加拿大交通运输部门冻结敏感性界限，Croney冻胀敏感性界限，NielsenandRauscnemherger冻结敏感性分类，Orama冻结敏感。另外，还可采用土性综合指标进行冻胀分级，即冻胀分类中除采用土性的指标外，还结合诸如水文、气温指标综合判断土的冻胀性，比如：B·0·奥尔洛夫冻胀分类方法，美国陆军工程兵团冻结敏感性分类，美军工程航道实验站冻结敏感性分类，瑞士冻胀敏感性评价，日本（沙伊伯）冻胀危险性判别标准。不同地区及气候条件下路基冻胀是多种因素综合作用的结果，基本因素包括路基土质条件、水分的变化和大气温度引起路基土温度场的变化三个方面。4.1填料土质是路基发生冻胀的内因，在一定土质条件下，土中水分多少是引起土体冻胀性强弱的基本因素之一。既有线路修建时途经由粉质粘土、黄土、卵石土等组成的地层，由于对填料要求较低，采取就近取土原则，填料主要以C组填料为主，局部为B组填料，填料压实后的密实度及承载力差别较大，水浸入后，路基基床及道床冬季发生冻害，春季融化后又产生翻浆冒泥等病害。通过室内土工试验[3]得到基床填料的基本物理性质，如表1。由表1可知：兰新铁路路基填料土体属低液限低渗透性粉质粘土；通过土的颗粒分析，粉粘粒含量达81.2%，国内外学者的研究表明：土颗粒粒径在0.075mm以下和这种粉粘粒含量下，土体的冻胀系数很大，属于冻胀敏感性土体。该地段地下水位埋深较浅，处于毛细水作用层和斜坡地形上游地下水补给作用范围，给每年低温季节冻害的发生提供了相应的水分补充条件，加剧了该段冻害的程度。表1路基土基本物理力学性质4.2道床脏污、板结洁净的道床是不产生冻胀的。但道床中碎石或砂混入了粉土质粘土（粒径0.05～0.005mm）且其混入量为12%～15%时，也能产生冻胀，其量约占路基冻害总数的50%，当表层冻胀量为25mm以下时，就是典型的道床冻害[4]。小于0.075mm的颗粒在道床道砟中所占质量百分比，为道床中粉粘土颗粒含量。按《铁路工程土工试验规程》[5]，采用兰新铁路K407+100～K413+300段存在路基冻害的10个不同里程处的道砟进行粉粘土颗粒含量测定，其结果见表2。表2道床粉、粘土颗粒含量测定结果通过室内不同含水率及不同含泥量的板结道床冻胀试验，结果如表3、图4、图5。表3道床含泥量及冻胀分析图4粉粘土颗粒含量为29.51%时不同含水量冻胀率图5当含水率w=10%时不同含泥量冻胀率由表3、图4、图5可知：在固定的含泥量下，道砟的冻胀率与其含水率有很大关系：当含水率为12%时，冻胀率可达3.84%，在该冻胀率下，以兰新铁路平均300mm的污砟板结厚度分析，将引起大约11.5mm道床冻胀量，根据《铁路线路修理规则》[6]中线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值的规定，时速120km＜Vmax≤160km的线路，左右两股钢轨以及每股钢轨在10m以内的变形差均不能超过4mm，否则即为超限。由此可知，脏污、板结道床所引起的冻胀量，已超过验收标准的2倍，将严重影响铁路的安全运行。4.3排水及其它（1）排水设施：含水量太低时，土体在冻结时不会产生冻胀，只有当土体中水分超过起始冻胀含水量时，土体在冻结时才产生冻胀。在正线地段，发生冻害的路基两侧排水沟，由于各种因素导致沉降变形、断裂，维修不及时；部分地段垃圾堵塞，排水不畅，水流通过排水沟，时易渗透浸入到路基本体内，导致基床表层含水量超过起始冻胀含水量，为冬季冻害提供水源补给。部分车站站场内（图6）无排水系统，道床脏污、板结严重，部分轨枕下道砟厚度不足或道砟囊较厚，水渗入后不易排出，冬季易产生冻害。图6无排水系统的嘉峪关车站冬季结冰现象（2）既有线改造时的施工：在2005年兰新线电气化改造和提速改造工程中，由于施工造成道床两侧形成土垅，导致基床排水不畅，冬季易形成冻害，后期人工换填道砟厚度不足和土垅挖除不彻底，导致冻害原因并没有完全消除。4.4低矮路堤和浅路堑一般路段，路堤高度或路堑深度足够，满足路基临界高度的要求。个别路段，路堤高度低于按地下水位或地面积水水位计算的临界高度或路堑开挖深度较浅，形成了矮路堤（浅路堑）。在同样环境气候和土质条件下，由于毛细作用和渗流作用，矮路堤（浅路堑）更易受到地表水和地下水的影响。同时，气温对矮路堤（浅路堑）的影响更大，因此矮路堤（浅路堑）更易发生冻害。矮路堤（浅路堑）的基床填料处于行车荷载应力作用范围内，同时受着地面和地下水不利水温的影响。在矮路堤（浅路堑）地段，地温随气温而变化，地表水和地下水季节交替作用明显，干湿循环和冻融循环经常在一年中随季节、气温、降雨的变化可能不止一次发生，这都促使路基填料密实度降低，再加上列车动荷载的作用，加速了基床范围路基填料性能的恶化。恶化后的路基基床填料处于较为松散状态，在天然降雨、地下水或地表积水形成的毛细饱和区范围，易发生程度更显著的冻胀和融沉病害。总之，冻土是一种特殊土，冻土地区地基土、路基填料的冻胀特性主要表现在当土质、含水量、含盐量和外荷载不变时，它的工程使用性质随温度发生变化，呈典型的季节变化特性。而常规土的性质主要受其颗粒的矿物、成分、密度和含水量的控制，一经确定，土的性质就基本确定，且多半表现为静力特性。冻土的特性除与上述因素有关外，还受含冰量、未冻水含量的控制，而这又直接与温度有关，温度升高含冰量减少，温度降低含冰量增高，在无外界水源补给下，未冻水含量也会降低。要彻底解决既有运营线路路基的冻害问题，还需深入研究。5路基防护措施（1）块石护坡是指在路基两侧边坡上铺设一定厚度的块石，最终通过块石层调节路基与外部环境间的热交换，起到了热半导体的效果[9]。根据块石护坡作用原理，可以将块石护坡作用过程分为夏季和冬季两个区间。在夏季，块石层上部受热产生的热空气上升而未进入块石层内部。在冬季，块石层下冻土温度高于块石层上的外界空气，因此块石层下部热空气由于密度较小上升，同时上部的冷空气下降，通过这一热量交换过程实现了冻土降温。在整个冻融周期内，由于块石层中较大的空隙和发生的单向对流，冻土与外接系统发生了热量交换最终达到降低冻土温度的目的。（2）热棒是一种气液两相的导热系统，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，能够实现透过热管将热管蒸发段吸收的热量通过在上部冷凝段与外界产生的热交换而排出，具有很强的导热能力。在冻土路基上使用的重力式热棒主要是在外界环境温度低时工作，此时路基内部冻土温度高，而外部空气温度低，由此插入冻土层中的热棒蒸发段内部介质受热蒸发，传递至上部暴露于空气中的冷凝段，遇冷液化后又在重力的作用下流回下部蒸发段。周而复始，路基中的热量就被带出土体，最终达到冻土降温的效果。而当外部温度较高时，热管内部不发生介质的相变，因此无热量交换。热棒不受路基结构限制、安装方便和使用寿命长等特点使其相较通风管等措施更具有应用价值，因此在青藏铁路的维护中占据了重要角色。（3）置换法。作为防治道路冻胀的置换法是采用非冻胀材料，换填部分冻胀性土，应用时主要确定采用何种粗颗粒材料，置换到何种深度的问题。采用置换法，根据实践和经济方面考虑，可以采用廉价的粗颗粒材料，置换深度约为最大冻深的70%左右。对置换法所采用的粗颗粒材料，要符合质量和规格方面的要求，同时，要求这种材料本身不能产生冻胀，这是必须保证的条件，什么样的材料是非冻胀性的材料？主要是根据室内冻胀试验来判断。一般来说，包括砂、砂砾、碎石等材料。2）隔温法。为