摘要：路基冻胀是影响铁路运行速度的安全的重大隐患之一，文章结合哈牡客专的建设，对引起哈牡客专路基冻胀的原因进行了分析，详细阐述了引起路基冻胀的原因、防治措施及处理方法。从而为路基冻胀地区的铁路施工及养护提供参考。
关键词：严寒；路基；客运专线；冻胀；防治措施
引言
新建哈尔滨至牡丹江铁路客运专线工程我单位施工区段为DK208＋400～DK224＋800，线路全长16.4km，设计时速250km/h。位于黑龙江省哈尔滨市尚志市亚布力西和虎峰岭隧道之间，属严寒地区，地表普遍分布季节性冻土，一般每年10月下旬开始冻结，3月中旬达到最大冻结深度，最大冻结深度1.91～2.05m，4月中旬开始融化，5月下旬冻融结束。管段共有路基9.987km，其中基床表层70cm，采用掺加5%水泥的级配碎石，基床底层230cm，采用A、B组填料，基床底层以下采用A、B、C组填料。
东北地区铁路路基冻害普遍且严重，路基冻胀及冻融使路基产生不均匀变形，进而对轨道的平顺造成破坏，影响铁路运行速度及安全，是高速铁路主要病害之一。
1 研究目的和内容
冻土是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩土和土壤，即冻土是一种由固体土颗粒、冰、液态水和气体四种基本成分所组成的多相复合体，土中孔隙水的体积由于冻结成冰而膨胀，体积将在原位增加9%。根据冻土存在的时间将冻土分为多年冻土（两年或两年以上）、季节冻土（冬季冻结，夏季全部融化）和瞬时冻土（几个小时至半月）。
随着我国铁路提速范围的扩大以及列车速度的不断提高，路基暴露出的问题也越来越严重。提速后行车密度加大，维修作业时间相对减少，而且列车提速对线路的标准要求更高。现阶段北方地区已建或在建的高速铁路（客运专线），变形要求很高，且铁路路基对于冻胀反映比较敏感，我国各地区工务段每年需要投入大量人力物力进行钢轨线形调整，效果并不理想。部分列车必须限速200km/h以下，严重影响了客运专线快捷、安全优势的发挥，所以进行路基冻害成因和路基防冻胀结构措施的研究具有十分重要的现实意义。
2 路基冻胀的主要机理
路基冻胀是指土体在冻结过程中，土中水分冻结形成冰晶体并排挤土颗粒引起土体积增大的现象，冻结发生时，冰晶从水膜吸进水分子，水膜变薄，形成“负压”，引起新的水分子迁移补充，造成冰晶增长聚集，引起冻胀，冻胀就是土在冻结过程中，土中水分（包括土体孔隙中原有水分以及从外部迁移到土体来的水分）转化为冰，引起土颗粒间相对位移，使土体积产生膨胀，是土微观结构变化的宏观体现。其宏观表现为路基的表面隆起，路基土的冻结特征为湿土结冰，主要指标为冻结深度。路基冻胀由路基面开始，并向路基深处发展，直至气温与土体的温度达到平衡，冻结为止。路基冻结所能达到的最大深度为路基的冻结深度。冻结深度与冬季的负温总量、冻结速率、土的含水量及导热系数有关，冬季负温总量越大，冻结速率越快，冻结越深。
3 路基冻胀的主要影响因素
影响路基冻胀的因素很多，大体可以分为内因和外因两类。内因主要是填土土质和水分；外因主要是环境温度和荷载。对于铁路来说，外因是客观存在的，无法改变，因此路基设计及施工时，防冻胀措施主要是从内因考虑。
3.1 填料土质对冻胀的影响
3.1.1填料中细粒含量对冻胀的影响
填料土质对路基冻胀的影响主要是填料中细粒含量对冻胀的影响。土中细粒组（＜0.075mm）含量大于或等于总质量50％的土称为细粒土。其中，根据粘粒（＜0.005mm）和粗粒（0.075~60mm）含量的多少又分为粉土、粉质亚砂土、粉质亚粘土和粘土。由于随着土粒径变细，土粒与水相互作用增强，当粉粒含量占主要组成时，冻胀性最强。而粘粒含量占主要组成时，虽然土分散性增加，颗粒自由能增加，颗粒与土中水作用增强，但不参与土冻胀的强结合水含量也随之增大，使土渗透性减弱，影响水分向冻结缘迁移聚集，故冻胀性降低。因此，路基施工规范中明确规定非冻胀材料中细粒含量必须小于5%，就是减弱冻胀性。
3.1.2盐渍化与冻胀的内在关系
易溶盐类既可以呈固态，也可以液态存在于土中，而且经常因为外部环境和成分的改变而相互转化，它们溶解于孔隙溶液中的阳离子与土粒表面吸附的阳离子之间可以互相置换，并处于动态平衡，因此易溶盐的含量、成分和状态及其变换对土粒表面结合水含量等有较大影响。土中水溶液浓度是影响土冻结深度的主要因素之一，由于易溶盐含量越高，土冻结时起始冻结温度越低，且在冻结过程中未冻水含量越多。
3.2填料中含水量对冻胀的影响
路基之所以产生冻胀，与填料中含有水分有直接的关系，水分是引起路基冻胀的必要条件。但并不是有水分就一定产生冻胀，只有含水量超过其起始冻胀量时，才会发生冻胀，结合本项目，在含水率达到4.4%时，为最佳含水率，过低的含水量虽更不易产生冻胀，但对路基压实度将产生较大影响。冻胀率表示土的冻胀程度（η=冻结量/冻结深度*100%），冻胀量为零时的含水量即为起始冻胀含水量。当冻胀率≤1时，冻胀量对建筑物不构成威胁，图1为本标段不同土质对冻胀率与含水量的统计关系曲线，从图1中可知，随着含水量的增大，各种土的冻胀率也在不断增大。
图1、填料含水率与冻胀率折线图
路基中水分主要有两个来源：地表水与地下水，地表水主要是自然降水最终渗透到路基中的部分；地下水主要是从地底下通过土壤的毛细作用不断补充到土体中的水分。在无外界水源补给的情况，填料的冻胀系数随含水量的的增大而增大，但最终会趋近与一个稳定数值；在有外界水源补给的情况下，在温度梯度作用下，填土中未冻结区的水分会向冻结区牵引和积聚，使冰晶体不断扩大，在土层中形成冰夹层，土体随之隆起，冻胀系数变大。因此，为了防止路基冻胀，必须采取防止地表水流入路基和降低地下水位的措施。
3.3其他对路基冻胀影响的因素
除上述主要影响因素外，其他对路基冻胀影响的因素还有环境的温度、荷载、填料在施工过程中的施工质量、地下水位至地面的距离等。
4 路基冻胀的防治措施
针对引起路基冻胀的各因素，从材料到施工都要考虑防冻胀的措施，要以预防为主，防治结合，综合治理的思想进行防治。其中填料土质和防排水为防治路基冻胀的主要方向。
4.1路基基床填料的选用
图2、标准路基横断面图
哈牡客运专线对路基填料的选择非常严格，且有具体明确的要求，路堤基床表层厚0.7m，采用级配碎石掺加5%水泥填筑，基床底层厚度为2.3m，上部1.8m，采用非冻胀A、B组土填筑，其下0.5m采用A、B组土填筑，标准横断面图见图2
根据规范要求，路基基床以下路堤填料额最大粒径应小于75mm，基床底层填料的最大粒径应小于60mm，用于寒冷地区路基冻结影响范围的填料，设计无要求时，砾石类土的细粒含量不应大于15%，砂类土细粒含量不应大于5%。在本项目，细粒含量是建设单位、设计单位非常关注的一项指标，为此，我们选取了一段路基作为试验段，对路基的细粒含量进行检测，再通过这段路基的冻胀量进行对比，进而判断细粒含量与冻胀量之间的对应关系。
表1、细粒含量与含水率监测数据表
通过上述表格数据表明，基床底层A、B组填料细粒含量在7%以下时，基本能够保证冻胀量在8mm以下，8mm是哈牡客专给定的冻胀量最大限制，其理论依据，此处不予探讨。但处于7.5mm-8.0mm临界点附近的有6个点位，通过数据观察可以发现，这些点位基本是细粒含量与含水率都比较大的，或某一数据非常大。因此在施工基床底层时，除了满足设计要求外，还应根据实际情况，具体环境及土质的研究，确定填料的细粒含量及含水率限值，防止冻胀病害的出现。
4.2水因素的处理
水是引起路基冻胀的另一个重要原因，除去填料本身含的水外，填料中水的来源主要有地表水与地下水。地表水的来源主要是自然降水，地表水渗入到路基基体内，如不能有效排出，就会造成填料含水率过大，引起冻胀，所以在施工中必须通过排水措施，使水及时排出，不积聚，有效消除路基冻胀的必要条件。
4.2.1设置天沟、排水沟、边沟，路基设置横坡。
对于路基来说，水是影响路基质量与寿命的最主要因素。同样，也是影响路基冻胀的必要条件，所以，做好排水，是保证路基质量必不可少的措施。哈牡项目对排水设施的设置非常细致，路堤两侧，全部设置底部60cm，高度60cm，顶宽120cm倒梯形排水沟，路堑地段在路堑顶部设置天沟，形式与路堤处一致。在路堑路肩两侧设置矩形排水沟，这些排水沟最终汇聚到涵洞或自然排水沟处。路肩处按照1m间距设置直径8cm的排水管，路基基床全部按照4%人字坡设置。通过这些措施，最终保证地表水能够顺利排出到路基本体外，消除或减少路基冻胀的可能。
4.2.2路桥路涵过渡段的处理
路基与桥梁及涵洞过渡段是防止路基冻胀，重点处理的部位，并有专门设计。过渡段的填料选用掺加3%水泥的级配碎石，分层压实，与路基段落通过设置台阶进行连接。在桥台与路基之间设置有10cm宽空心砖，因此必须处理好此处的防排水问题，台后空心砖对应位置，设置排水软管，锥体铺砌设置间距1.5m，深度不小于1m的PVC排水管。排出的水最终汇到排水沟中。
4.2.3对路基冻胀超标地段的治理措施
路基冻胀的防治是首位的，当出现路基冻胀数据超标的情况下，制定合理可行的治理措施，防止冻胀的继续恶化，也是相当必要的。本标段路基冻胀超标的段落见下表：
表3、2018年度超标冻胀量统计表
注：表中测量数据由设计院及本项目部共同测定，冻胀量设计要求为≤8，细粒含量设计要求为≥7%。
由表中数据可知，本标段冻胀量超标位置主要集中在一个段落，冻胀量测量位置一个断面选取左中右3个点，冻胀超标位置每个断面并不一样，针对这种情况，本项目结合业主及设计建议，分析原因如下：
（1）局部段落路基两侧填料压实度欠佳，导致表水易渗，致使填料含水量偏高；部分段落，填料细颗粒含量偏高，从而引起冻胀变形。
（2）部分地段电缆槽侧壁高于路基面，路基面水排水不畅，路肩积水下，
致使填料含水量偏高，引起路基两侧冻变形胀。
（3）部分地段电缆槽及护肩泄水孔排水不畅，不能及时排除基床表层下渗水引起冻胀变形。
针对引起路基冻胀原因，治理措施如下：
（1）路基中心冻胀量大于 8mm 地段，参考路基两侧冻胀量，并结合路基填挖 高度，采取路堤两侧或单侧设置横向渗水盲管的措施，以便尽快疏干基床内渗水，减小冻害。并疏通电缆槽及护肩泄水孔，整平路基面坡度，避免路肩积水等综合 措施。
（2）路基中心冻胀量小于8mm，路肩冻胀量大于10mm地段，结合路基填挖高度，采取路堤相应侧设置横向渗水盲管，并疏通电缆槽及护肩泄水孔、侧沟、渗水盲沟，整平路基面坡度，避免路肩积水等综合措施。
（3）路基中心冻胀量小于8mm，两侧或一侧冻胀量 8～10mm，采取疏通电缆槽 及护肩泄水孔、侧沟、渗水盲沟，整平路基面坡度，避免路肩积水等综合措施。
渗水盲管设置如下图：
两侧设置双排横向渗水盲管地段，上下排盲管交错设置，第一排距路 基面竖向 1.6m，沿线路方向间距 3.8m；第二排距路基面竖向 2.4m，沿线路方向 间距 1.9m。盲管深度至中心点交叉 1.0m。单侧设置横向渗水盲管地段，盲管设置要求与两侧设置相同，盲管深 度至对侧中心线外 2.0m。渗水盲管采用空心型 RCP-10NC（A）渗排水管材，管径 100mm，环刚度≥32KPa，管壁空隙率≥80%，外包透水土工布。钻孔直径 110mm。
4.2.4其他防排水措施
在土质路堑、全风化硬质岩、强风化软质岩和全风化软质岩地段，故在路基基床表层以下夹铺两布一膜，防止基床表层在长期列车荷载及温差作用下破坏，同时防止地表水通过破坏处渗入到路基基床，导致冻胀。
在地下水位较高且路基高度小于最大冻结深度的地段，主要是路堑地段。沿线路方向设置渗水暗沟，每隔30m左右对称设置圆形检查井，两侧检查井通过双臂打孔波纹管进行连接。渗水暗沟出口采取保温出口，保证冬季水流畅通不阻塞。渗水暗沟设置形式见下图。
图5.渗水暗沟设置形式
5、结语
路基冻胀病害虽然危害大且引起病害的因素较多，但从设计、施工及养护维修各个环节能充分认识路基冻胀病害的发病机理、危害影响及严重后果，并给予足够的重视，各方单位加强沟通，全面治理，本着修路架桥，造福社会的责任心去研究处理，那么，路基冻胀病害是完全可控的。
参考文献
［1］铁道第三勘察设计院哈牡客专相关路基设计图纸.
［2］赵润涛 李季宏 李曙光.客运专线路基工程防冻胀处理处理措施.铁道勘察，2011年第4期.
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[6]哈牡客专路基冻胀整治报告.中国铁路设计集团有限公司.2018年6月
论文作者:刘青,郑新
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第27期
论文发表时间:2019/1/3
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