季節凍土區高速鐵路路基凍脹特性研究

顏慶宇

（中鐵建貴州建設有限公司，貴陽 550000）

1 引言

凍土是一種低于0℃且含有冰的土巖【1】。根據凍土存在時間的長短可分為多年凍土和季節凍土。隨著鐵路事業的高速發展，越來越多的鐵路線穿越季節凍土區，當溫度降到負溫后，由凍脹變形引起的一系列問題將嚴重影響鐵路行車安全，同時，也是鐵路修建、運營和維護保養時面臨的一大難題。尤其對于高速鐵路，針對鐵路軌道穩定性和平穩性要求更高，需嚴格控制路基凍脹量。

2 凍脹特點

我國鐵路線路長、跨度廣，涵蓋多種氣候及地質條件，季節凍土路基凍脹特點也有所差異。季節性凍土區的鐵路路基凍脹一般涉及3 個階段：快速凍脹、穩定凍脹、凍脹回落，時間一般從11 月初到次年3 月中旬。從凍脹量大小來看，一般情況下路塹＞路堤＞過渡段。東北等寒區由于凍期長、晝夜溫差大、凍結指數大等原因，凍脹性大于華北、華中等地區且易發生不均勻凍脹，影響整體行車的安全性。

3 凍脹主要影響因素

3.1 土質

土顆粒的大小是影響路基凍脹的主要特征，粗粒土與水的結合能力較弱，實驗表明，當粒徑小于0.05mm 的土粒質量小于或等于總土粒質量的6%時，此時的土為非凍脹性土，當大于總土重的6%時為凍脹性土【2】。凍脹敏感性土容易產生凍脹，土體中細粒含量占比越大，土的凍脹敏感性越大，土體的凍脹率隨著土體中細顆粒占比的增加而增大。粒徑為0.002~0.05mm 時具有最大凍脹率，當土體顆粒小于0.002mm 時，凍脹率逐漸減小。土體的種類不同，凍脹性不同，一般情況下粉質土＞黏土＞粗砂＞砂礫土。根據礦物成分，土體凍脹性大小為：高嶺土＞伊利水云母土＞蒙脫土。

土的凍脹量與土體密度也有一定關系，密度較小時，土顆粒之間可膨脹的空間越大，顆粒之間產生的位移越小，從而凍脹量越小。隨密度的增加，凍脹量逐漸增加，當達到某一值時，凍脹量將達到最大值，接下來隨密度的增加，土顆粒之間孔隙越來越小，約束水分遷移，凍脹量逐漸減小。

3.2 含水量

水分遷移對熱量傳遞和凍結鋒面的形成有重大影響，季節凍土區，當路基土體的溫度下降至0℃以下，土體中的水分逐漸形成冰透鏡體，進一步引起土顆粒之間的相對位移，造成土體膨脹。同時，在熱力學影響下，土體中的未凍水移動至凍結鋒面，進而致使凍結鋒面下移，凍深增大，直到達到最大值。土體凍脹根據凍脹機理可分為原位凍脹和分凝凍脹，原位凍脹是孔隙水在凍結鋒面上形成分凝冰，體積增大9%，分凝凍脹是水分遷移在凍結鋒面后面，體積增大109%。同時，當土體處于封閉系統中時，土體凍脹主要取決于初始含水量。此外，路基土體中的含水量還受地下水位高低的影響，當路基處于封閉系統中時，路基的凍脹受土體中含水率的影響，產生原位凍結；當有地下水補給時，凍結期內冰透鏡體不斷增大。

3.3 溫度

溫度是土體凍脹變形的直接因素，當氣溫剛開始降低時，路基表層會出現反復凍融現象，當氣溫迅速降低到0℃以下并長期在0℃以下時，凍結深度和凍脹量會迅速增長，當溫度降低到-20℃后，隨著溫度的降低，凍脹量將緩慢增長直到凍脹增長量達到穩定的動態平衡狀態【3】。在氣溫開始逐漸回升到達0℃時達到最大凍結溫度，超過0℃后隨著溫度的升高，路基表層開始逐漸向下融化，凍結線開始向上移動，雙向融化，直到路基全部融化。凍結深度隨著逐日積溫負溫的增大而增大。

3.4 荷載

在附加荷載作用下，可以增加土體密實度影響土體水分遷移速率，進而使得外部荷載對土樣的凍脹變形產生抑制效果。通過室外試驗，研究了外部荷載和地基土的凍脹關系，得出荷載與凍脹量曲線呈指數關系，荷載越大凍脹量越小。田亞護等【4】對包蘭線路基土進行凍脹試驗，模擬列車荷載作用下的路基凍脹變形情況，在無荷載施加的情況下土體的凍脹率大于有荷載施加情況下的凍脹率，同時，增加外部荷載會使土體的凍脹率減小，附加荷載幾乎不影響粉質土的凍脹。

4 防護措施

當路基凍脹變形達到一定程度時會對車輛行駛造成一定的威脅，所以在修建和維護過程中需要采取一些防護措施。

4.1 設置保溫層

當溫度降到0℃以下時路基才會產生凍脹，在路基中設置保溫層可以在一定程度上減弱路基與外界的熱交換，控制負溫向路基傳遞，降低凍結深度，減弱凍脹危害。近年來，保溫法被廣泛應用于路基凍脹防治中，目前常用的保溫材料是聚乙烯泡沫材料，根據生產方式不同分為EPS 板和XPS 板。室內模型試驗在層厚不同保溫板下對路基AB 組填料經過多次凍融循環，試驗表明，XPS 保溫板隔溫效果良好，厚度越大，效果越好。

4.2 改良路基填料

在季節凍土區，路基變形要滿足相關規范，高鐵路基基床優先使用細粒含量小于5%的A、B 組防凍填料或改良土料。實際工程中有些天然填料不能滿足工程要求，所以需要改良路基填料以滿足防凍脹要求。許健等【5】以哈大鐵路路基A、B組填料為研究對象，室內研究試驗表明，路基填料中粉黏粒含量增加，增強土粒之間的毛細作用，凍結時毛細水向凍結鋒面遷移增加凍結系數，通過更換A、B 組中填料使其不含粉黏粒，結果證明路基凍脹明顯減弱。

4.3 改良水分條件

改良水分條件可以采取防水措施、排水措施和隔水措施。防水措施主要是防止路基表面下水向下滲透，哈大鐵路路基表面采取纖維混凝土防水層并對路基和軌道地板接縫處進行封閉處理；地下水補給使路基凍脹嚴重，設置排水溝、排水側溝、滲管、排水槽等排水設施，降低地下水水位，控制路床含水量，減少凍區水分富集，從而有效控制路基凍脹。當地下水為淺層地下水時可以設置隔水層防止地下水進入地基。隔水層主要包括透水隔水層與不透水隔水層，透水隔水層的厚度為0.1～0.2m，主要使用粗砂、礫石等；不透水隔水層又包括封閉式與不封閉性，通常使用柏油、瀝青、塑料薄膜等材料，厚度為2.5～3.0m。

4.4 人工鹽化路基

將鹽溶液注入土體后可以減弱土顆粒的表面力和毛細作用，從而抑制土體水分遷移速率，因此降低土體的凍結溫度、增大未凍水含量，當溫度降低時部分鹽從溶液中析出產生結晶。在開放系統下進行單向凍結試驗證明，土體變形以凍脹為主，鹽脹量幾乎不計。

因此，人工鹽化路基簡單、方便是防治凍脹的措施之一。沈陽鐵路局在遼陽、丹東、章黨等工務段采取注鹽法，有效治理凍害。雖然人工注鹽法可以在一定程度上防治路基凍脹危害，但并不能根除，而且土體的抗壓強度會隨著含鹽量的增加而減少，所以應該根據工程要求合理控制用鹽量。

4.5 抬道法

在地表水比較豐富的地區，地下水水位高，路基離地下水近時可以通過抬高路基增加與地下水之間的距離，減少地下水對路基的水分補給，控制凍脹量。

5 結語

凍脹是寒區高速鐵路修建過程中不可避免的問題。土質、水、溫度是影響路基凍脹的主要因素。通過改良路基填料、控制水分條件、設置保溫層等方法在一定程度上可以控制和減輕路基凍脹。在接下來的寒區鐵路工程建設中，要更加注重土質、水分、溫度對凍脹的影響，加強凍脹檢測系統研究，總結凍脹規律，為今后寒區高速鐵路抗凍脹結構的設計提供借鑒。