季節凍土區鐵路路基凍脹研究進展

張少欣

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

路基凍脹問題在季節性凍土區日趨突出，路基凍脹具有普遍性、不確定性和難以避免的特點，特別是在嚴寒地區，非常容易出現鐵路凍脹問題，這已然成為全世界都面臨著的一個主要問題。現階段尚無成熟的生產和經營管理的經驗可以借鑒，這些將嚴重影響著鐵路行車安全和運輸效率，高速鐵路在嚴寒氣候條件下可能出現的變形破壞，監測數據的有效管理成為路基凍脹變形分析中鐵道部的迫切需求[1]。結合季節凍土區高速鐵路工程實際，綜合季節性凍土的凍脹性、融沉性等特性，構建一套監測系統對鐵路進行路基凍脹監測，對季節凍土區高速鐵路路基凍脹監測系統及凍脹規律研究具有重大意義，有利于深入了解深季節性凍土地區高速鐵路研究、鐵路建設及安全運營[2]。

1 概況

凍土是指零攝氏度以下，土壤以及巖石中已經有冰的存在，按照凍土的實際凍結時間作為依據可以將其劃分為多年凍土，季節性凍土以及瞬時凍土這三大類。凍土按其凍結時間長短可分為三類：瞬時凍土、季節性凍土、多年凍土。季節性凍土是一種含冰晶的特殊土水體系，只在地表以下幾米范圍內，在具有一定溫度的外界環境中并受溫度變化的影響，凍結狀態持兩年或兩年以上的土。我國季節性凍土區面積大約513.7 萬km2，占國土面積的53.5%[3]。

2 保溫法防鐵路路基凍脹研究

在鋪設保溫層的路段中，由于在該處直接添加了熱阻，這樣便會直接導致實際熱交換量值的大小、強度都出現變弱現象，這樣便會讓保溫層下部的土層幅值出現降低現象，進而導致凍結深度變得越來越小，降低凍脹發生的頻率。保溫法在抑制路基凍脹方面發揮著非常有效的作用，現如今在抑制凍脹方面已經獲得了非常廣泛的應用，特別是在這幾年之中，在解決防凍脹破壞的問題方面充當著非常重要的角色。20世紀50年代，挪威、芬蘭等國就已開始嘗試采用樹皮、草炭等作為凍土路基的保溫層材料。七十年代初，日本、美國等發達國家把聚苯乙烯泡沫板來當作路基保溫材料[4]。經過Lauren a的研究最終證實，在綜合進行成本效益分析、成本效果分析及防凍脹效果分析，在進行保溫時可采用砂礫石或砂加塑料膜，這是解決凍脹問題較有效的方法。實踐證明，提高保溫隔熱功能，可以起到消除或減弱地基土凍脹狀態的實際存儲時間、存續面積的效果，并且可以有效降低路基凍脹給道路帶來的重大傷害，通過同混凝土構件之間的相互結合可以使二者處在共同工作狀態下，最終起到擋土防滲的雙重作用。對槽排水加強路面結構加設防凍層，鋪設隔溫層等進行了可行性研究，明確多年凍土區路基的設計原則。胡宇通過對凍土路基的凍脹融沉特性進行了綜述分析，并且以EPS保溫板作為研究點對其抗凍害特征展開了一系列的恒定分析工作。

3 對填料法展開進一步改良工作

在凍土區對填料法展開改良工作具體是指把凍土帷幕其范圍土壤的凍脹敏感性土的地基改良成凍脹不敏感的地基土。在很多研究領域中都得到了令人驚喜的應用。日本嚴寒地方中北海道路塹和低填淺挖路基，當回填材料為易引起凍脹的土時，換填凍脹性土層，來消除或減輕地基土的凍土。德國在道砟道床和周期的凍融循環作用下的土路基中間采用設置保護層的方式來起到對凍脹進行抑制的效果，該保護層是由可以自由排水的各種碎石構成，這些碎石都具備不黏性，因此可以共同組成一個可以不連通的保護層，該保護層也被稱作為防凍保護層，簡稱FSS。另外也可以選擇進行隔熱層的鋪設工作，需要注意一定要保證隔熱層的組成材料在導熱系數以及性能方面都非常差。現如今伴隨著我國路基凍脹研究工作的發展，各國學者也紛紛意識到凍脹研究工作的重要性，并且已經有很多國內學者開始對換填施工法用到的相關方法以及理論展開大量并且詳細的研究。其中陳肖柏學者便在1979年提出可以用砂礫石來將黏性土替換掉，從而起到讓鐵路路基的凍脹量得到一定程度的減輕這一效果。以張立新學者為代表的眾多學者則對凍脹狀態下石灰土的物理特性展開了分析，為凍脹特性實驗的展開提供大量的數據參考。葉陽升等學者則對路基防凍層的實際設置原則展開了一系列的研究，并且對路基填料的凍脹標準展開了分類工作，為人們更好的研究抑制路基凍脹提供一些思路。谷憲明的研究成果的最終呈現，在對由可能出現凍脹情況的地段，以及在高寒和多年凍土地區的次高級路面，高級路面，可以有效避免不均勻凍脹現象的發生。在對防凍層的厚度（其中包括露面結構層）展開設置工作時，需要確保其厚度不低于標準的規定，如果出現保護層比防凍最小總厚度還小的情況時，需要對水穩定性非常強并且抗凍性能也非常好的材料展開應用，即進行防凍層的設置來完成補足工作。張冬青學者則明確指出，在對換填方案展開使用的過程中需要考慮到眾多影響因素，其中最需要人們重點考慮的一項因素便是材料的自身強度，在季節冰土區，對換填材料展開選擇工作時不單單需要符合道路上部在負載方面對地基變形以及強度承載方面提出的要求，同時還需要兼顧季節凍土區鐵路路基凍脹問題，避免路基損害現象的發生。

4 改良水分條件效果研究

陳肖柏等學者在對隔離主體以及防滲主體展開選擇工作時最終采用了土工膜，借助土工膜來對甘肅酒泉地區的地基展開處理，通過對最終計算結果進行分析可以得出結論，該方法在對抑制凍脹效果進行分析方面具備一定的科學性，因此該方法的綜合評價結果也是正確的。侯紅串等人則在陳肖柏的研究基礎上對土工膜展開了進一步研究，在土工膜的力學以及物理學都處在非常低并且溫度也比較低的情況下對其展開分析，對增塑劑的添加工作來對最終效果展開探討，即讓土工織物和土工膜按照一定比例相結合來形成一種化學穩定性，耐寒性以及耐熱性都更好的復合土工膜。霍凱成等報道提出采用復合土工膜整治道路，整體上隔離外界水源，并引導到一體式排水溝內進行排放，當年冬季路基實際含水量為歷年最低，以防治由于路基凍結、融化引起的病害問題。

5 結語

土體凍脹融沉問題研究很早便有，隨著高速鐵路的發展，尤其是欠發達城市的影響顯得尤為重要。德國、法國、日本等已有成熟的預防控制措施，我國在理論與實踐的探索中積累了一些經驗，特別是哈齊、哈大、京哈高鐵沈哈段等高鐵線路的平穩運行。凍脹的發生離不開大氣負溫的影響，土粒中水分凍結、細粒土和水。所以，控制凍脹的重要三個方面是保溫、改良填料和改良水分，需要我們加強高速鐵路路基凍脹綜合監測，同時進行模擬，并開展模型試驗，驗證數值模擬結果的有效性，獲取更全面的季節性凍土的凍脹因素及其分類，促進對科學本質的理解，特殊問題特殊對待，才能更高效地解決問題，指導擬建工程項目進行施工準備和正常進行。