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摘要: 在高寒地区的铁路路基往往会发生冻害，影响铁路的正常运行。本文就以同煤集团青磁窑铁路专用线路基冻害影响及其整治技术进行一下讲解，分析一下路基冻害形成的原因，针对不同因素造成的冻害，采用的不同的治理措施，希望对今后相关内容的討论提供一定的参考。
关键词: 路基；冻害；原因分析；防治措施
中图分类号：U213.1 文献标识码：A
前言
青磁窑铁路全长9.79km，冻害主要集中在青磁窑专用线2.9km处，该地区干旱少雨，温差较大，最低气温－ 33.3℃；年平均降雨量为114 ～ 195 mm，东多西少，大部分集中在7 ～ 9 月。该铁路的钢轨轨面的最大冻结高度达35 mm，主要是发生在严寒地区的线路段，由于冬季长，这一路段多为冻胀敏感性土；路堤内含水率一般为18 % ～ 25 %。青磁窑专用线在每年发生线路冻害严重的时间主要集中在12月至次年的2月，严重影响行车安全。因此，应根据不同地段的情况，提出不同的治理措施，消除冻害，确保安全运营。
1 青磁窑线冻害特点调查分析
通过我公司管辖范围内冻害地段的调查可以得出:
(1) 经调查，在发生冻害线路段处，排水不良、排水设施损坏、维修养护不及时等问题尤为突出。
(2) 发生冻害地段以粉质粘土和砂粘土为主。
(3) 冻害主要发生在小路堑、低矮路堤、涵洞和路桥过渡地段。
(4) 发生冻害路段的含水率，一般都大于20 %;地下水埋藏较深路段，几乎对冻害无影响；两侧的灌溉农田对冻害影响较大。
(5) 部分涵洞地段由于设计的过水能力不足，导致涵顶有冻害产生。
(6) 部分路段路基下沉，在列车荷载作用下，道碴两侧土垄较高产生冻害。
(7) 冻胀从每年12月底开始，最大冻胀量出现在次年1 月底，2 月为稳定期，3 ～ 4 月开始消融并伴随翻浆冒泥、路基下沉。
2 青磁窑铁路冻害原因分析
形成冻害的因素有: 温度、水分、土质等。线路填料质量较差。由于降水及地表径流使路基内部含水率过大，又不能及时排出，且道床污染没有彻底清筛，致使冻害连年连续发生。通过现场调查分析和室内试验，青磁窑线路的冻害主要有:
(1) 道床冻害: 道床产生冻胀，主要与道床所含泥土的含水率较高有关。洁净的道床是不产生冻胀的。青磁窑线54 %的冻害为道床冻害，其道碴含泥量为7.91 % ～ 29.51 %，大多超过12.00 %，道床板结严重，而12.00 % 是土体在饱和状态下发生冻结的临界条件；道床两侧在列车动荷载的作用下产生了土垄，使排水不畅；又因道床含泥量较高，渗水能力低，道碴厚度不足，且土垄间道碴积水严重，使板结的道床处于高含水率或饱和状态，冬季随气温下降，使饱和土体和积水冻结，导致道床严重冻胀。
(2) 基床表层冻害: 青磁窑线部分路段冻胀量较大，路段土体属于低液限粉质粘土，粉粒含量在50 %以上，这种土体在饱和状态下冻胀率达3 %。由现场试验可知，青磁窑线路基含水率在18 % ～ 30%之间，压实度在0.8 左右，路基冻结深度按1.4 m计算可知，路基冻胀量很大，在30 ～ 45 mm 以上，造成轨道不均匀变形，影响行车安全。
3 路基水分场和温度场数值模拟
由以上分析可知: 路基填料的土质和水分变化、以及大气温度降低是形成路基冻胀的基本因素。为了选择合理的冻害整治措施，在明确路基冻胀的原因外，还需明确冻胀过程中路基的水分场和温度场的变化。为了明确冻胀过程中路基水分场和温度场的变化，以及两者之间的关系，采用了耦合模型数值模拟分析法。以青线为模型背景，道碴厚度h = 0.8 m，坡比1∶ 1.5；路肩高度h = 2.4 m，路堤上行左侧边坡坡比1∶ 1.5，路堤下行左侧边坡度比1∶ 1.75；地基深度h = 3.0 m。温度场和水分场耦合模型。
本模型采用瞬态分析，即温度随着时间而变化。提取能代表温度场变化的3 个时间和能代表水分场变化的3 个时间进行分析。
通过青磁窑铁路路基水分场和温度场耦合分析，得出以下结论:
(1) 路基在冻胀期间，上部含水率逐渐增加，下部含水率逐渐减小，水分从下往上迁移明显。
(2) 路基土体随温度降低而冻结深度增加，最大可达1.60 m，而现场实测最大冻结深度为1.43m，充分说明冻结锋面向下移动，水分向上移动，形成水分重分布现象，致使冻胀加深。
图3 模拟路基含水率－深度关系曲线
(3) 在一个冻融循环周期内，冻胀开始时，距地表0.8 m 处，路基体内的含水率为42.1 %；随着路基土体温度的逐渐降低，距地表0.8 m 处，土体内含水率上升为45.0 %，且整个路基土体内水分呈上部大下部小的分布；在冻胀形成后，即稳定阶段时上部含水率增加下部含水率减小，说明水分在温度梯度作用下，发生了重分布现象。
(4) 青磁窑铁路路基部分路段填料为冻胀敏感性土，在温度和水分的作用下易产生冻害，粘性土剧烈冻胀土温为－1.0 ～ －7.0℃，砂土剧烈冻胀土温为－0.5 ～ －3.0℃，在此温度范围可达总冻胀量的80 % ～ 90 %。
4 青磁窑铁路冻害防治措施
根据青磁窑线路基床冻害的特点和产生路基冻害的原因，对其治理应遵循两个基本原则: 一是消除不均匀冻胀；二是综合整治。
4.1 清筛脏污道床
部分路段道床脏污、板结、翻浆及淤泥严重，含水量高，冬季易形成冻害，因此需要清筛道床，降低含污量，消除冻害。
(1) 对道床进行清筛，清筛深度应为55 cm，且尽力达到全断面清筛: ①将道床板结层除去；②清筛厚度为整个道床厚度和换填砂垫层之和，因仅清筛轨枕下面，对冻害的整治效果较小；③将线路两侧土垄起的高出部位铲除，使之排水良好。
(2) 做好排水，清除道床中的不透水层；清除土垄，增加道床渗透能力，疏通排水。
(3) 平整路肩至轨下标准高度，使用三七灰土封闭路肩，保持路肩和边坡平整，无裂缝、无坑洼积水。
4.2 基床换填
主要有两个方面: 一是部分路段由于填土土质不良，土体透水性不好。尤其是路桥过渡段，由于各部分结构的刚度及施工质量不一样，易形成不均匀沉降，应换填粗颗粒的土体，提高压实质量，消除冻害。二是部分路段由于压实质量差，土体软化，形成很厚的道碴囊，路拱消失积水，需要使用复合土工膜封闭基床表层，恢复路拱，防止大气降水侵入。
4.3 横向排水盲沟
部分路段以低矮路堑为主，路基两侧有排水沟。由于外界因素及本身的施工质量问题，导致排水沟有裂缝漏水，以及大气降水使得路基本体内的水不能排出，形成凹形的聚水坑。因此，这类地段易形成冻害，需将两侧的小路堑挖除，在路基本体内每隔一段距离施做横向排水盲沟。盲沟由碎石和砂垫层组成，外包土工布，下移排水沟，使其在盲沟之下，排出路基水分。
4.4 设置保温隔热层
在路基表层(顶面及侧沟) 设置保温隔热层，使表层下的土层不冻结或减少冻结深度: 挖除既有道床，将土工膜铺设在基床面下50 cm 处，基床面上不得含有尖锐杂物及碎石，土工膜上下分别铺设10 cm 厚的中粗砂垫层，中粗砂的含泥量不得大于5 %；土工膜搭接宽度50 cm。
4.5 疏干排水孔
在青磁窑线试验段施做疏干排水孔群试点，将水排出路基以外。疏干孔群是一种处理路基冻害的综合治理措施，在青磁窑线上取得了良好的效果。疏干排水孔群的设计技术要点为:
(1) 排水孔在坡面垂直向上布设，它跟路基土体冻胀沿冻深的分布有关，采用单层排水孔群或双层排水孔群;
(2) 排水孔在坡面水平向上布设: 孔的水平间距跟排水孔的排水影响的有效半径有关，根据《公路路基设计手册》中不完整渗沟的有关计算公式确定其影响半径;
(3) 排水孔布设在路基两侧，其长度以能将水排出路基为宜。
5 结语
通过对青磁窑铁路不同路段不同情况下引起的路基冻害的分析，归纳了其采用不同的防治措施。这些内容对今后其他铁路类似的情况的应对起到非常大的借鉴作用。
参考文献:
［1］ 兰州铁路局，兰州交通大学． 兰新铁路既有线路基基床病害整治技术研究［R］ .2009．
［2］ 陈肖柏，刘建坤，刘鸿绪，等． 土的冻结作用与地基［M］． 北京: 科学出版社，2006．
［3］ 齐吉琳，马巍． 冻土的力学性质及研究现状［J］． 岩土力学，2010，12 (1) : 133－143．
关键词: 路基；冻害；原因分析；防治措施
中图分类号：U213.1 文献标识码：A
前言
青磁窑铁路全长9.79km，冻害主要集中在青磁窑专用线2.9km处，该地区干旱少雨，温差较大，最低气温－ 33.3℃；年平均降雨量为114 ～ 195 mm，东多西少，大部分集中在7 ～ 9 月。该铁路的钢轨轨面的最大冻结高度达35 mm，主要是发生在严寒地区的线路段，由于冬季长，这一路段多为冻胀敏感性土；路堤内含水率一般为18 % ～ 25 %。青磁窑专用线在每年发生线路冻害严重的时间主要集中在12月至次年的2月，严重影响行车安全。因此，应根据不同地段的情况，提出不同的治理措施，消除冻害，确保安全运营。
1 青磁窑线冻害特点调查分析
通过我公司管辖范围内冻害地段的调查可以得出:
(1) 经调查，在发生冻害线路段处，排水不良、排水设施损坏、维修养护不及时等问题尤为突出。
(2) 发生冻害地段以粉质粘土和砂粘土为主。
(3) 冻害主要发生在小路堑、低矮路堤、涵洞和路桥过渡地段。
(4) 发生冻害路段的含水率，一般都大于20 %;地下水埋藏较深路段，几乎对冻害无影响；两侧的灌溉农田对冻害影响较大。
(5) 部分涵洞地段由于设计的过水能力不足，导致涵顶有冻害产生。
(6) 部分路段路基下沉，在列车荷载作用下，道碴两侧土垄较高产生冻害。
(7) 冻胀从每年12月底开始，最大冻胀量出现在次年1 月底，2 月为稳定期，3 ～ 4 月开始消融并伴随翻浆冒泥、路基下沉。
2 青磁窑铁路冻害原因分析
形成冻害的因素有: 温度、水分、土质等。线路填料质量较差。由于降水及地表径流使路基内部含水率过大，又不能及时排出，且道床污染没有彻底清筛，致使冻害连年连续发生。通过现场调查分析和室内试验，青磁窑线路的冻害主要有:
(1) 道床冻害: 道床产生冻胀，主要与道床所含泥土的含水率较高有关。洁净的道床是不产生冻胀的。青磁窑线54 %的冻害为道床冻害，其道碴含泥量为7.91 % ～ 29.51 %，大多超过12.00 %，道床板结严重，而12.00 % 是土体在饱和状态下发生冻结的临界条件；道床两侧在列车动荷载的作用下产生了土垄，使排水不畅；又因道床含泥量较高，渗水能力低，道碴厚度不足，且土垄间道碴积水严重，使板结的道床处于高含水率或饱和状态，冬季随气温下降，使饱和土体和积水冻结，导致道床严重冻胀。
(2) 基床表层冻害: 青磁窑线部分路段冻胀量较大，路段土体属于低液限粉质粘土，粉粒含量在50 %以上，这种土体在饱和状态下冻胀率达3 %。由现场试验可知，青磁窑线路基含水率在18 % ～ 30%之间，压实度在0.8 左右，路基冻结深度按1.4 m计算可知，路基冻胀量很大，在30 ～ 45 mm 以上，造成轨道不均匀变形，影响行车安全。
3 路基水分场和温度场数值模拟
由以上分析可知: 路基填料的土质和水分变化、以及大气温度降低是形成路基冻胀的基本因素。为了选择合理的冻害整治措施，在明确路基冻胀的原因外，还需明确冻胀过程中路基的水分场和温度场的变化。为了明确冻胀过程中路基水分场和温度场的变化，以及两者之间的关系，采用了耦合模型数值模拟分析法。以青线为模型背景，道碴厚度h = 0.8 m，坡比1∶ 1.5；路肩高度h = 2.4 m，路堤上行左侧边坡坡比1∶ 1.5，路堤下行左侧边坡度比1∶ 1.75；地基深度h = 3.0 m。温度场和水分场耦合模型。
本模型采用瞬态分析，即温度随着时间而变化。提取能代表温度场变化的3 个时间和能代表水分场变化的3 个时间进行分析。
通过青磁窑铁路路基水分场和温度场耦合分析，得出以下结论:
(1) 路基在冻胀期间，上部含水率逐渐增加，下部含水率逐渐减小，水分从下往上迁移明显。
(2) 路基土体随温度降低而冻结深度增加，最大可达1.60 m，而现场实测最大冻结深度为1.43m，充分说明冻结锋面向下移动，水分向上移动，形成水分重分布现象，致使冻胀加深。
图3 模拟路基含水率－深度关系曲线
(3) 在一个冻融循环周期内，冻胀开始时，距地表0.8 m 处，路基体内的含水率为42.1 %；随着路基土体温度的逐渐降低，距地表0.8 m 处，土体内含水率上升为45.0 %，且整个路基土体内水分呈上部大下部小的分布；在冻胀形成后，即稳定阶段时上部含水率增加下部含水率减小，说明水分在温度梯度作用下，发生了重分布现象。
(4) 青磁窑铁路路基部分路段填料为冻胀敏感性土，在温度和水分的作用下易产生冻害，粘性土剧烈冻胀土温为－1.0 ～ －7.0℃，砂土剧烈冻胀土温为－0.5 ～ －3.0℃，在此温度范围可达总冻胀量的80 % ～ 90 %。
4 青磁窑铁路冻害防治措施
根据青磁窑线路基床冻害的特点和产生路基冻害的原因，对其治理应遵循两个基本原则: 一是消除不均匀冻胀；二是综合整治。
4.1 清筛脏污道床
部分路段道床脏污、板结、翻浆及淤泥严重，含水量高，冬季易形成冻害，因此需要清筛道床，降低含污量，消除冻害。
(1) 对道床进行清筛，清筛深度应为55 cm，且尽力达到全断面清筛: ①将道床板结层除去；②清筛厚度为整个道床厚度和换填砂垫层之和，因仅清筛轨枕下面，对冻害的整治效果较小；③将线路两侧土垄起的高出部位铲除，使之排水良好。
(2) 做好排水，清除道床中的不透水层；清除土垄，增加道床渗透能力，疏通排水。
(3) 平整路肩至轨下标准高度，使用三七灰土封闭路肩，保持路肩和边坡平整，无裂缝、无坑洼积水。
4.2 基床换填
主要有两个方面: 一是部分路段由于填土土质不良，土体透水性不好。尤其是路桥过渡段，由于各部分结构的刚度及施工质量不一样，易形成不均匀沉降，应换填粗颗粒的土体，提高压实质量，消除冻害。二是部分路段由于压实质量差，土体软化，形成很厚的道碴囊，路拱消失积水，需要使用复合土工膜封闭基床表层，恢复路拱，防止大气降水侵入。
4.3 横向排水盲沟
部分路段以低矮路堑为主，路基两侧有排水沟。由于外界因素及本身的施工质量问题，导致排水沟有裂缝漏水，以及大气降水使得路基本体内的水不能排出，形成凹形的聚水坑。因此，这类地段易形成冻害，需将两侧的小路堑挖除，在路基本体内每隔一段距离施做横向排水盲沟。盲沟由碎石和砂垫层组成，外包土工布，下移排水沟，使其在盲沟之下，排出路基水分。
4.4 设置保温隔热层
在路基表层(顶面及侧沟) 设置保温隔热层，使表层下的土层不冻结或减少冻结深度: 挖除既有道床，将土工膜铺设在基床面下50 cm 处，基床面上不得含有尖锐杂物及碎石，土工膜上下分别铺设10 cm 厚的中粗砂垫层，中粗砂的含泥量不得大于5 %；土工膜搭接宽度50 cm。
4.5 疏干排水孔
在青磁窑线试验段施做疏干排水孔群试点，将水排出路基以外。疏干孔群是一种处理路基冻害的综合治理措施，在青磁窑线上取得了良好的效果。疏干排水孔群的设计技术要点为:
(1) 排水孔在坡面垂直向上布设，它跟路基土体冻胀沿冻深的分布有关，采用单层排水孔群或双层排水孔群;
(2) 排水孔在坡面水平向上布设: 孔的水平间距跟排水孔的排水影响的有效半径有关，根据《公路路基设计手册》中不完整渗沟的有关计算公式确定其影响半径;
(3) 排水孔布设在路基两侧，其长度以能将水排出路基为宜。
5 结语
通过对青磁窑铁路不同路段不同情况下引起的路基冻害的分析，归纳了其采用不同的防治措施。这些内容对今后其他铁路类似的情况的应对起到非常大的借鉴作用。
参考文献:
［1］ 兰州铁路局，兰州交通大学． 兰新铁路既有线路基基床病害整治技术研究［R］ .2009．
［2］ 陈肖柏，刘建坤，刘鸿绪，等． 土的冻结作用与地基［M］． 北京: 科学出版社，2006．
［3］ 齐吉琳，马巍． 冻土的力学性质及研究现状［J］． 岩土力学，2010，12 (1) : 133－143．