8-2基床冻害整治.ppt

1、基床冻害整治,黄守刚,基床冻害的整治原则,在基床冻害的整治中，采取的基本原则有：(1)深入调查认真分析冻害形成的原因和规律是正确采取整治措施的基础。在整治冻害上，缺乏调查研究或调查不充分、不确切，有时不仅不能根治冻害，甚至采取的不当措施还会引起新的或严重的病害。只有在充分调查的基础上，针对其原因，选好措施，整治冻害才可能收到预期的效果。,基床冻害的整治原则,在基床冻害的整治中，采取的基本原则有：(2)采取整治冻害措施必须是以消除局部病害地段的冻害高度为目的，这是一条非常重要的原则，必须转变观念。所谓的整治冻害，实质上是消除路基上冻害地段两相邻区段冻胀值的差值(即冻峰、冻谷、冻阶)，或使这差值在

2、一定距离内缓慢变化，使线路具有合乎要求的纵坡。采取的措施不能只是为了消除冻害处所的所有冻害值(冻害高度与均匀冻胀高度)，而不考虑该值与相邻区段冻胀值的差别。在实践中由于没有注意到这一点大量出现彻底消除冻胀值的作法，从而将冻峰制成冻谷(即把两相邻区段的均匀冻胀值所需要的冻胀量也消除了)，只不过是转移了冻害的形式，无效地浪费了工时而已。(3)采取整治冻害措施时，必须首先考虑排水，而后再考虑其他措施与之配合。因为水不仅是产生冻害的原因，它还能降低路基强度而引起其他路基病害。所以，在采取整治病害措施前必须首先考虑如何疏干路基。(4)在采取整治冻害措施时，要因材因地制宜，尽量做到就地取材。在整治冻害工程

3、设计中，要“对症下药”，持久有效，经济合理。,基床冻害的整治措施,总结多年来对基床冻害采取的整治措施大体上可分为以下几大类：(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。(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。(3)保温隔热：其目的是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。排水及隔水措施在此不做详细介绍。重点介绍换土和改土及保温隔热措施。,基床冻害的整治措施,一、更换土质换土是最普遍、采用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

4、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：一是将冻胀性土换以部分不冻胀土，以便减小冻胀值；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。换土在基床冻害的整治中是有条件的，经调查分析认定基床冻害产生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

5、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。,基床冻害的整治措施,一、更换土质1、换填冻胀土(1)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(见图)以解决病害地段的冻谷。此外，由不均匀浸湿而造成的冻害中，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。,整治冻谷,基床冻害的整治措施,一、更换土质1、换填冻胀土(2)

6、实例。富嫩线某段，在300m长度的地段内，有十条平行的黄色黏土带(见图)因而当土层冻结后，线路上产生波浪形冻胀(凡有黄色黏土带处，便凸起显冻峰状)。经换同类土后，现象明显消失。,基床冻害的整治措施,一、更换土质1、换填冻胀土(2)实例。白阿线某地段，由于修筑路堤时填土不均匀，在冻起股下填入30cm厚冻胀性大的黑色黏土，造成两股钢轨下的土质不同，冻结后产生了单股冻起(单侧冻害)左股比右股高30mm(图)。经处理，不均匀冻胀消失。,基床冻害的整治措施,一、更换土质1、换填冻胀土(3)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

7、。,基床冻害的整治措施,一、更换土质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若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。,基床冻害的整治措施,一、更换土质2、换填不冻胀土(1)作用。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。作砂垫层，在地下水充分补给条件下，能减少毛细水上升高度；另外砂中可积蓄水分，能避免翻浆。,基床冻害的

8、整治措施,一、更换土质2、换填不冻胀土(1)作用。砂垫层如图所示，此种换土方法是在道床下将道床挖成2.83.5m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。,基床冻害的整治措施,一、更换土质2、换填不冻胀土(1)作用。注意：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

9、性的强弱，但同时也还必须考虑填料的强度及其反滤性能。,基床冻害的整治措施,一、更换土质2、换填不冻胀土(2)实例例1：某地段，冻高35mm，延长5m，冻层深为0.9m，冻害处为黏土，在冻害处的两侧高出最大冻害深度线0.2m，其上为砂土。将冻害地段换为砂土，换土深度为0.9m，左图所示。换土地段的砂土比冻害地段相邻的两侧黏土层深0.2m，右图所示。这样由于冻害地段相邻的两侧仍有0.2m厚的黏土，还有冻胀，在换土地段便形成冻凹。与这次同时施工的附近地段，地质条件等都相同，在冻害处所仅换0.7m厚的砂土，达到与相邻两侧的土层厚度相等，所以整治后，消除了冻害。,基床冻害的整治措施,一、更换土质2、换填

10、不冻胀土(2)实例例2：某地段，每年冻起90mm，土质情况如图所示。将黑黏土换掉，更换了与邻近土质相同的不冻胀土，冻害完全消除。,基床冻害的整治措施,一、更换土质2、换填不冻胀土(3)适用范围。适用于因地表水而引起的冻害，在作砂垫层的同时应做好排水。也可用于防治基床翻浆。,基床冻害的整治措施,二、改良土质潮湿黏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

11、质，冻害的整治措施也越来越多。改良土质的方式：(1)降低土的冻结温度；(2)分散土的颗粒，降低土的渗透性；(3)聚积土的颗粒，提高土的渗透性；(4)提高抗水性能以减小土的含水量；(5)在土中形成不透水层，增加其抗冻胀性能；(6)提高土的强度，防止基床变形。以下介绍几种国内外常用的改良土质方法：,基床冻害的整治措施,二、改良土质1、电化学加固法电化学加固法有电渗排水、电渗硅化、电渗固结、电动化学加固等。它是将一对电极插入黏土中，通过直流电，这时水分子便向阴极移动(叫电渗)，黏土离子向阳级移动(叫电泳)。(1)电渗排水的作用。电渗排水是利用土中通电后水向阴极移动的特征，将水疏导出土体，用以降低路基

12、土体中的含水量，增强基床土体的强度?从而消除或减小路基冻害。当土体的含水量降低至液限含水量左右，电渗排水可以排除其弱吸附水部分，能收到一定排水效果。但当土体中含有大量自由水或有外来水源补给时，还须配合建立防渗幕等措施，因只有在土体中水分处于封闭状态时，才能进行电渗排水，否则是起不到作用的。电渗排水只是一种临时措施，它不能彻底消除土中水分。当水分排出后，由于降雨等原因又会使土体重新饱和。如何使之持久不变，经实验认为最好与硅化加固相结合才能成为一项较好的措施。,基床冻害的整治措施,二、改良土质1、电化学加固法(2)电渗排水的适用范围。这项措施只适用于闭式系统析冰，而且冻前含水量较大，急待吸干路基土

13、体中水分的地段。把基床中多余的水分排出。这项措施只是应急措施，最好把它作为土加固前的排水之用。(3)电硅化加固法的作用。应用电硅化加固黏土地基在现阶段还在进一步的研究，应用到基床的加固仍在尝试。电硅化加固的目的是用电与化学溶液共同作用来加强黏性土地基强度，同时提高其抗冻胀性能，防止冬季冻结时，水分向上迁移。电硅化加固可以作为隔水墙或隔水层。(4)电硅化法的加固效果。实践证明，应用电硅化法加固后，土的物理力学指标有所改善。电硅化法的主要材料硅酸钠(水玻璃)用量较大，一般约占全部加固费的50左右，只是加固工程费用较高，因此在推广上受到了限制。(5)电硅化法的适用范围。此项措施可用于整治表层冻害和深

14、层冻害，以及翻浆冒泥等。对黏性土，在施工时应注意其渗入范围，不能任其下渗，否则扩散面过大浪费药液。,基床冻害的整治措施,二、改良土质1、电化学加固法(6)应用实例例1：捷克斯洛伐克，曾在两处路堑中用电渗法加固软黏土。通电42h(电压为100V)后，土的承载力增加了1倍，含水量由379，6降低到27，孔隙度从51.6降为41.6，饱和度从0.9降到0.8，土的内摩擦角从1213增加到2340。它的两极配置，阳极沿线路中心配置，阴极设置在枕木端，两者相距1.4m。例2：前苏联在某一线路上，进行了电化学加固(即电渗排水又加以化学试剂)，电极由铁管制成，电压为90105V，电流为3060A，加固了16

15、昼夜，耗电量37kWh方。它的两极配置是阴极位于路肩，阳极位于线路中间，从样机向线路土中注入了浓度为30的氯化钙溶液。处理后当年没发生冻害。,基床冻害的整治措施,二、改良土质2、化学方法近年来，由于国内外化学工业的发展，化工产品及工业废料的大量出现，废物利用，变废为宝，将其用于土质的改良方面，正大量的实验研究。所谓化学方法，主要是指采用化工产品或工业废料作化学添加剂，向土中添加化学试剂，利用土中某些成分与化学试剂反应，从而改良土的性质，以达到加固、抗水或抗冻胀等等。,基床冻害的整治措施,二、改良土质2、化学方法(1)国内外常用的化学添加剂按其作用性质分为以下四类：(a)孔隙填充剂及胶合剂(如水

16、玻璃及树脂类)；(b)聚合剂(如聚乙烯醇、聚合丙烯酸钠等)；(c)分散剂(如四偏磷酸钠等磷酸盐类)；(d)防水剂(如硅油、沥青等)。按添加方法可分为三种：(a)电渗方法，前已述及；(b)掺拌、埋入或喷洒(此种方法以下简称为化学试剂法)；(c)压力注浆加固法。,基床冻害的整治措施,二、改良土质2、化学方法(2)压力注浆加固法这种方法，主要是将化学浆液采用注浆泵或空压机等机械压力，通过注浆管均匀灌入土中，因压力浆液从土粒空隙间降水及空气挤出，浆液通过空隙待一定时间后，凝固的浆液将原来松散的土固结为一体，使之成为一种防渗、防水性能好强度高的新结构。作用。压力灌浆法的作用是采用机械压力将化学浆液注入土

17、中，将土加固为一整体，或作为封闭层。施工方法虽然是单一的，但注浆的浆液种类是多样的，而且浆液的选择又直接涉及到土质和材料来源、经济与否，最后关系到效果等。土体经过注浆加固后，可提高土的承载力，提高抗水性和抗冻胀能力。当然还要根据化学试剂的特性去选用，否则也达不到预期效果。,基床冻害的整治措施,二、改良土质2、化学方法(2)压力注浆加固法适用范围。这种方法适用于防治各种基床冻害，对翻浆冒泥的防治也有特效。只是其价格昂贵，所以在使用和推广上受到了限制。应注意的问题(a)如用沥青、油脂和石油化合物浸透的土，当地下水的pH值大于9及地下水中有含量较高的酸、碱成分时，不宜采用；(b)加固体的抗折强度低；

18、(c)灌浆部位的表面须有覆盖层。,基床冻害的整治措施,二、改良土质2、化学方法(2)压力注浆加固法应用实例例1：加拿大铁路上曾用木浆废液整治基床冻害。其目的是在路基土体中形成不透水层，隔断水分向上移，用以防治冻害。木浆废液(即纸浆废液)是造纸工业的费品，即亚硫酸盐溶液，并含有一部分木质胶。用注浆管将废液注入土中冻结线附近使其形成不透水层。使用的是40的溶液，其用量为每延长米104L。由于这种方法简单，成本低廉，近些年，日本、前苏联、奥地利等国也开始实验研究。实验证明，如果在纸浆废液之外再加重铬酸钾，得到的效果会更好。例2：前苏联在旧喀汕铁路上，曾采用过有机硅化物(憎水化合物)将这种化合物注入土

19、中后，在土颗粒表面形成极薄的聚合膜，此膜由有机硅化合物、孔隙水与土颗粒的某些化学元素相互作用而成，因此使土获得抗水性，土的强度提高，而土的冻结温度有很大降低。在喀汕铁路采用的是乙基硅酸钠溶液，其用量使每延长米线路1230kg。将化学试剂注入到冻结线附近，形成毛细水隔离层，也可注入到基床表层形成封闭层。,基床冻害的整治措施,二、改良土质2、化学方法(3)化学试剂法化学试剂法即掺拌、埋入或喷洒添加剂方法。化学试剂方法是添加剂方法中最简单的也是历史最悠久的一种方法。即向土中掺拌、埋入或喷洒盐类(如氯化钠、氯化钙或氯化钾等)或其他化合物等。近几年，有实验研究向土中掺拌、喷洒阳离子表面活性剂等，从而达到

20、降低土的冻结温度或增加抗水性能等，以改良土性质的一种方法防治冻害。,基床冻害的整治措施,二、改良土质2、化学方法(3)化学试剂法作用。对化工产品及工业废料的选用，应根据其特点和性能。例如，拟降低土的冻结温度为目的，应向土中掺拌或埋入盐类；若想获得憎水性能，应向土中喷洒或掺拌阳离子表面活性剂等。此种方法从实践上看，都不是根治冻害的方法，而是应急的措施，引起大部分的效果都有时间性，如加盐最长时间可达8年之久，若处理不当，可能23年就会失效。因为这些化工产品和工业废料本身也会由于水的作用而降低其效果或失效。如果能使这些措施的有效时间长些，还是有其发展前景的。,基床冻害的整治措施,二、改良土质2、化学

21、方法(3)化学试剂法适用范围。向土中添加化学试剂的方法，对路基表层冻害，一般效果是较好的。如果处理得当，有效时间还是较长的，可达数年到十几年；如果处理的不得当，近15年左右有效。这种措施从时间上看，无论在花费人力或物力上都是不合适的。但它对路基基床的表层冻害小于25mm的地段，还是可以广泛应用的，因为这种冻害用换土来整治的话，工程量较大，整治过量，有可能产生更严重的冻害，例如在道床上撒盐、埋盐等即可解决问题。所以，这种措施是简单可行的。这项措施使用很广泛，但需注意地下水及秋雨情况，因地下水或下渗的雨水能很快的将土中的化学试剂冲掉，使措施减效或失效。此项措施，不适用于防治深层冻害。,基床冻害的整

22、治措施,二、改良土质2、化学方法(3)化学试剂法情况分析(a)我国北方各铁路局的一些工务段，在应用加盐法整治路基冻害中，已取得了许多经验，在时间上有的整治处所已达到8年之久。但是，有些地段尚需年年处理，经济消耗与效果相比是得不偿失。(b)阳离子表面活性剂，系利用石油产品赋予土体憎水性，来限制或控制地表水向土体下渗及地下水在土体中上升，不使土体水量超过其起始冻胀含水量，从而达到防治土体冻胀的目的。为此目的，铁道科学研究院金化所，合成了二铵盐盐型阳离子表面活性剂。表面活性剂的用法有喷洒法和拌和法两种。,基床冻害的整治措施,二、改良土质2、化学方法(3)化学试剂法情况分析(c)采用聚合剂的目的是用化

23、学添加剂使粉黏粒聚结成为较大的团粒，以此来消除土体的冻胀，如表所示。由表可以看出，除黏粒以外，聚合剂对粉土和粉质黏土都有较明显的防冻效果。,基床冻害的整治措施,二、改良土质2、化学方法(3)化学试剂法情况分析(d)与聚合剂相反，化学分散剂可以使土体中细颗粒含量增多，即使天然胶团分散，但土体的密实度增高，这样，土体的渗透性和其内部水分迁移强度均有明显下降，因此也导致土体冻胀性明显下降。美国和西德用磷酸盐作分散剂进行过实验，并取得了较好的效果，见表。磷酸盐防治土体冻胀的效果显著，由表看出，平均冻胀比为0.2，而且天然冻胀率越大效果越好，耐久性强。分散剂越便宜，使用量越小。施工简便，反应速度快，对土

24、不需预处理，整治后也不需养护。这是一种有发展前途的防治土体冻胀的化学添加剂。,基床冻害的整治措施,三、保温措施采用保温措施的目的是将冬季冻结线控制在保温层内，或将冬季冻结进程线按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，从路基基床面往下作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设计要求超过保温层一定深度。近年来，由于化学工业的发展，新的保温材料层出不穷。在采用保温措施整治基床冻害的工程中，应根据就地取材，因地制宜的原则进行选用。保温材料的种类很多，但从就地取材及经

25、济的观点出发，一般用的比较多的是炉渣及塔头草等。在国内，膨胀珍珠岩制品及泡沫聚苯乙烯板、泡沫塑料等，方兴未艾。以下根据常用的材料，分别进行介绍。,基床冻害的整治措施,三、保温措施1、炉渣垫层炉渣在我国防治路基冻害中是最普遍最常用的一种材料。它就地取材容易，来源既丰富、又经济。(1)炉渣保温性能。炉渣是一种多孔性材料，孔隙较大，水稳定性较好，受潮后仍能保持相当的强度，而且还具有一定的保温性能。由表58可以看出：有炉渣垫层与无炉渣垫层相比较，当冻深为2.70m者可减小冻深14，当冻深为1.90m者则减小269，6，当冻深为1.80m者减小45。其中也可以看出，无垫层时冻结越深，设垫层之后冻深减小的

26、越少。同时也意味着冻结的越浅保温垫层的性能就越好。炉渣经过清筛的与没有清筛的比较，在相同的条件下所取得的效果也不相同。实践证明，路基土体中，炉渣仅按干燥情况考虑是不实际的，应当考虑到含水量可能发生的最大值，如考虑不充分时，炉渣垫层下的土还是要冻结的。而且仍然要聚冰，有时是达不到预期的目的的。再则要从当地的冻结深度来考虑，因此在设计炉渣保温垫层时对这些都应给与充分的考虑。,基床冻害的整治措施,三、保温措施1、炉渣垫层(2)炉渣垫层的作用。炉渣垫层(图)在基床冻害的整治过程中，有三个作用：保温作用，能减小一定的冻结深度。可做不冻胀土，因炉渣经过清筛，颗粒间孔隙较大，能蓄水，同时水分向上迁移差，但当

27、含水量为50以上或炉渣较破碎时，也有微量的冻胀。减小了临界冻结温度，降低了冻胀量。,基床冻害的整治措施,三、保温措施1、炉渣垫层(3)炉渣垫层的适用范围。炉渣垫层适用于表层及深层冻害，对翻浆也同样适用。在炉渣来源丰富的地区可大量使用。但一定做好排水工程。具备以下条件时，可采用炉渣垫层：渗水性能较低的土，当渗沟又不易排出土中水时，可采用这种方法；地下水位较高，修建渗沟无出口的地段；如修建渗沟深度过大且工程量很大时，可换炉渣垫层；局部冻害绵延较长的地段，可将全部地段换为炉渣垫层；冻胀性土很深，换土工作量较大时，可换炉渣垫层。,基床冻害的整治措施,三、保温措施2、炉渣盖被所谓炉渣盖被就是用炉渣作保材

28、料对路基土体表面进行全面覆盖的一种路基冻害整治措施，如图所示。炉渣垫层和炉渣盖被的保温厚度设计，应根据热工计算来确定，两者相比仅是在处理上对路基表面的覆盖面大小不同而已。目的虽然是一样的，但炉渣材料的用量大不一样，后者成倍的增加，不过施工简便，在材料丰富的地区采用此措施是值得的。,基床冻害的整治措施,三、保温措施3、泥炭垫层在北欧各国曾大量采用泥炭和冷压泥炭砖作保温垫层，日本也曾采用过泥炭。泥炭的导热系数低于干燥炉渣。不论是泥炭还是冷压泥炭砖都具有良好的保温性能。在北欧也曾铺过未分解的泥炭，经50多年的运营考验，证明这种垫层的效果是很好的，使用年限也是很长的。在挪威铺设冷压泥炭砖作垫层时，是用木条和铁线将其作成箱形木框，将泥炭装载木框内捣成砖。将这种砖铺设在3.7m宽的凹槽内，施工比较简单。泥炭湿度大时，其导热系数将要增大，但其中水分冻结时，会放出大量潜热，又能使泥炭的导热系数降低，因而泥炭越潮湿，效果也越好。实际调查表明，在线路上使用多年的泥炭垫层是很潮湿的，一般泥炭中含水量最多约占85，孔隙率5，泥炭为10，这种垫层防治冻害的效果很好。因此，85被认为是最佳含水量。在挪威的泥炭砖垫层标准断面中，没有考虑排水问题，泥炭垫层的上层干燥，导热系数低，而下层潮湿，放热能力大是很理想的。,基床冻害的整治措施,四、采用EPS材料整治基床冻害