藏铁路路基与涵洞冻害分析及防冻措施.doc

青藏铁路路基与涵洞冻害分析及防冻措施
雷金山，杨秀竹，王星华，徐占军，徐永胜
(中南大学铁道校区土木建筑学院，湖南长沙410075)
摘 要：对青藏铁路冻土路基与涵洞冻害的类型和成因作了较详细的分析，并提出了防冻措施，供青藏铁路设计和施工技术人员参考。
关键词：青藏铁路；路基；涵洞；冻害；防冻措施
青藏高原是我国多年冻土分布较集中的地区，它是低纬度、高海拔的近代大陆性气候的产物。由于海拔高，冷期较长，决定了该地区的大面积冻土的存在与发育，这里的年平均气温达-2ºC～-7ºC，昼夜温差大，在该地区修建铁路时必须合理选择路基和涵洞的结构和形式，并采取切实可行的防冻措施，以防止和减少因冻融现象的大面积发生对铁路的正常运营造成的危害。
1 冻土路基病害类型
铁路冻土路基病害类型主要有：冻胀开裂、基底融化下沉及路基边坡滑塌。
(1)冻胀开裂：冻胀开裂作为一种十分普遍的路基冻害，从外观形式上可分为纵向裂缝、横向裂缝两种，且经冻融反复作用而不断加宽，使路基面呈破碎状，从而导致路基融冻期间翻浆冒泥。
(2)路基基底的融化下沉：由于原始地表热状态的改变，地表水渗入基底，引起热交换作用，使基底以下多年冻土层的上限下移，引起路基基底发生缓慢、持续、大幅度的下沉，并在基底内部形成纵向融化槽形态，从而引起融解期间路基承载力下降。
(3)路基边坡滑塌：由于基底的富冰冻土层融化，在路基边坡或坡脚处会突然发生滑塌变形。
2 涵洞冻害破坏类型
冻土区修建的涵洞常常会由于地基土的反复冻融作用而遭致破坏，主要破坏类型有：涵洞人口隆起、端翼墙开裂、涵身拔节及洞身塌腰、错节。
(1)涵洞人口隆起：由于洞口管节冻胀上抬一般大于中间管节，会使涵洞出人口隆起并导致洞口管节与中间管节的底部接缝产生拉裂而渗水，这是最常见的冻害现象。
(2)端翼墙开裂及涵身拔节：涵洞管节特别是洞口管节向外挤出，融冻后不能复原。而反复冻融又加剧了情况的发生。
(3)洞身塌腰、错节：涵洞地基融沉后使得洞口高而中间低，形成凹形即为塌腰，而错节则是由于洞身冻胀和融沉的不均匀性所致。塌腰，使得冬季涵洞积冰，减小了有效过水面积，影响排洪功能，春夏又由于错节而渗水。
3 冻土工程病害的冻胀机理、影响因素及冻胀指标
3.1 冻胀机理
(1)土液相形成结晶中心：目前对土体冻胀的解释普遍采用“结合水迁移学说”当近地面土层温度降至负温时，土中的水首先冻结成冰晶体，随着温度的继续下降，土颗(粘)粒表面最外层的结合水也开始冻结，使冰晶体逐渐扩大；这样使得冰晶体周围土颗(粘)粒的结合水减薄，而水膜减薄时的粘粒表面电荷没有全部平衡因而对它下面相邻粘粒表面上的结合水产生了吸附引力；在这种作用下就发生了未冻结区粘粒表面上被吸附的结合水向冻结区迁移的现象。 ；
(2)冰晶体增长与冰透镜体的形成：由于迁移到冻结区的弱，结合水在一定负温下也会冻结，这样水分迁移将持续发展。如果无外界水源补给，由于冰晶体连续生长到一定程度，孔隙水就在原位置冻结，且充填土孔隙，与土颗粒胶结在一起。如果冻结区下面有充足的地下水水源，能向上及时输送水分的毛细通道，则水分迁移将使得冻结区冰晶体持续增大；由于土层的不均匀性，冰晶体增长时就产生了“冰劈”作用，而使冻结土体分成层理形成
厚度不等的冰透镜体或冰夹层。
3.2 冻胀影响因素
(1)温度：一般来说土中的水不可能恰好在o℃冻结，往入会出现过冷现象，土体冻结过程当中有两个特征温度及冻结的起始温度和冻胀的停止温度。根据试验资料表明：同一类土的冻结温度是随土体的含水量而变化的，含水量增加土体的起始冻结温度也升高，反之则降低；此外冻结温度与土的颗粒分散度、颗粒的矿物成份、导热系数入、热容量C有关。
(2)水：试验与工程实践证明并非所有的含水土体冻结时会产生冻胀，只有土中的水份超过一定的界限之后才会产生冻胀，称之为起始冻胀含水量，起始冻胀含水量与干容重、土的塑限相关密切。同时地基土的冻胀与土体的密闭性有关；在封闭体系中，土体的冻胀性强弱主要取决于土体持水数量，而在开敞体系中，尽管土体的初始含水量较小，但在冻结过程中外界水源补给可以大大增加土体的冻胀性。
(3)地基土的土质：大量的试验与现场经验表明：土颗粒大小对土体冻胀性有着显著的影响。当含水量相同时，土的颗粒越细，冻胀性越强。此外在细颗粒土中，还存在土的矿物成分对冻胀性的影响。就粘性土矿物类型而言，单质粘土的冻胀强度按下列顺序降低，高岭土>水云母>蒙脱石。而砂砾等粗颗粒土由于没有或只有很少量的结合水，很少发生冻胀现象。
(4)土体的压实情况：试验结果表明，其它条件相同时，土的密度越大，其冻胀性越强，当土体达到某一密度时，冻胀性减小这称之为临界密度。临界密度与土体的起始冻胀含水量有关。如果临界密度的含水量接近或达到该密度·下的起始冻胀含水量，则土体的冻胀系数减小至零。
4冻土路基与涵洞冻害原因
路基的冻胀病害主要与气温、土质及水源条件有关。青藏高原气温常年偏低，年平均气温仅为一2℃～一7℃，故在土质以细颗粒土为主而又富含地·厂水的地区就极易发生冻胀病害。
4．1形成路基冻胀病害的主要原因
(1)基床面不平，基床集水结冰。
(2)路基的压实度与水分条件是引起的冻胀的决定性因素。当路基土压实度没有达到一定的标准而导致含水量超过其起始冻胀含水量时，路面便有可能有不均匀冻胀发生。如果地表水或地下水对路基土存在不均匀浸润，(如路基两侧或上方积水、侧沟积水与地下水)就会加剧这种不均匀冻胀的发生。
路堤填土不均匀和路堑基底土质土层的不均匀引起的不均匀冻胀。就是因为土的性质及结构的不同其冻胀性不同。路基的不同朝向会造成不均匀性冻胀，如线路东西走向时出现的阳和阴坡，其明显的温差而导致的冻结程度是不一样的。
4.2造成涵洞冻害破坏的主要原因
(1)涵洞洞口直接与外界进行热交换原因，地基的冻结深度和作用于底部的法向冻胀力均大于洞身中间部分。而一般的洞口管节上部填土厚度也小于洞身中间部分，故在冻胀时表现为洞口冻胀上抬，同时也导致端翼墙开裂，和涵洞管节接头脱开。
(2)由于作用于洞口管节的水平切向冻胀力和作用于端墙侧向水平法向冻胀力的影响，使得涵洞管节特别是洞口管节向外挤出而导至洞身拔节而破坏，融冻后不能复原而造成的端翼墙开裂及涵身拔节。
(3)涵洞地基土质土层的不均匀性和反复融冻作用，又加剧了关节的接缝脱离、错位和挡墙端翼墙的开裂，虽然这些都不会直接造成涵洞的破坏，但为涵洞的渗透和淘刷破坏，雍水阻水创造了条件，最终导至涵洞的破坏。
5青藏铁路合理防冻措施的选择
为了修建高原铁路，就必须了解青藏高原多年冻土的特性和研究路基与涵洞的防冻措施，并合理的进行选择。
(1)在多年冻土地区修建铁路，为保证其正常使用，对路基和涵洞有一些基本的防冻要求：
①路堤最小设计高度要求：路堤临界高度是最有效的综合保温防冻措施之一，它能有效地控制人为上限的深度，保护路基下的多年冻土不被融化确保路基的稳定。一般可根据临界高度的K倍确定最小设计高度为，K取1.o～1.3，青藏高原多年冻土地区铁路路堤的最小设计高度可按表1取值。
表1 青藏高原多年冻土地区铁路路堤的最小设计高度
多年冻土区
低温稳定区
低温基本稳定区
高温不稳定区
高温极不稳定区
冻土平均地温℃
≤-2.0
-2.0～1.0
-1.0～0.5
-0.5～0
最小设计高度m
1.50
1.90
2.30
≥2.50
②路基基床填土土质及压实度和含水量的控制：从冻害的分析可知地基的冻胀与地基土的矿物成分，颗粒级配有关，一般以渗水性较好的粗颗粒填料填筑，要求细粒土粒径为0.02mm的含址≤10％为宜。要防止和减小冻胀的发生，必须做好压实度和含水扯的控制，一般要求土体压实后容重要小于土体冻胀临界容重γ。
③路基的隔水排水措施；加强地表排水，近距离设置大面积排水沟，不使路基坡脚积水。以保证地表水不再渗人基地，消除了热源。适当增加路基高度，最小≥1．5m。保护地基天然状态包括植被、水被。排除坡脚积水，保护地表植被。
(2)在冻胀性强的地区采用换填的方法，用粗颗粒土换填整个地段的细颗土，但应根据不同情况控制不同的换填深度。
①路基换填深度要求：对路基而言，应根据土质、地下水位及冻结深度综合考虑，一般可根据表2采用
表2 多年冻土地区铁路路基换填深度建议值)
冻结深度cm
换填深度cm
换填率%
70
60
86
90
70
78
120
80
67
150
90
60
180
100
55
210
110
52

②涵洞换填深度要求：涵洞地基一般采用保温隔热防冻法，只有在富水地区才采用换填法，其换填深度采用板厚加换填总厚度等于冻结深度的办法来确定换填深度。或采用保温法加换填50em砂卵石的办法防冻。而端翼墙的换填则用以下方法确定：(a)确定墙后冻结线；(b)以40~角确定向侧墙和向地表冻结区及边界冻深Z；(c)确定换填边界线。
(3)保温防冻措施。隔热保温主要是指结构物底部和四周设置隔热层，增大热阻，以推迟地基土的冻结来提高土中的温度，减小冻结深度，进而起到防冻胀的发生。可修筑土质护道或保温护道防护。对于高路堤，可采用双侧双层台阶式护道，电可设挡土墙或干砌片石垛支挡，或采用放缓边坡坡度，种草皮隔热保温防护。目前隔热材料一般采用耐久性好，吸水性小、在受荷时有足够的强度的聚苯乙烯。
6 结语
在高原多年冻土地区修建铁路，必须做好水文地质、地形地貌的工程勘察工作，结合气候地温采用各种防冻措施，以保证工程竣工后的正常使用。在防冻设计中，隔水保温是首要问题；一般而言，在砂砾石料丰富的地区，宜采用换填法，而在少砂砾石地区则采用聚苯乙烯较为合适。而土工格栅、格室在冻土中的使用年限及效果则是需要进一步研究的。以上各种防冻措施的目的、作用和效果不尽相同，各有其针对性和适用范围。在选用时，要注重各种措施相互间的搭配，注重它们的整体效果，以争取达到根除冻害的目的。