季節(jié)性凍土區(qū)鐵路路基凍害研究現(xiàn)狀

朱志有，王磊，劉振奇，李雄銳

（中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司 西南分公司，重慶 404100）

0 引言

我國(guó)多年凍土面積約2.060×106km2，占陸地面積的21.5%；季節(jié)性凍土面積約5.137×106km2，占陸地面積的53.5%［1-2］。在凍結(jié)狀態(tài)下，凍土強(qiáng)度較大、壓縮模量高，具有彈性體的工程性質(zhì)特征；當(dāng)溫度升高時(shí)，其凍結(jié)狀態(tài)逐漸消失，土體強(qiáng)度急劇下降，并產(chǎn)生凍土蠕變和流變現(xiàn)象［3］。在“交通強(qiáng)國(guó)”“東北老工業(yè)基地振興”“西部大開(kāi)發(fā)”等新時(shí)代戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)凍土區(qū)鐵路網(wǎng)進(jìn)一步完善。但是，凍土地區(qū)特有的地理位置、氣候特征及地質(zhì)條件等因素，導(dǎo)致了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中的諸多問(wèn)題，鐵路路基凍害就是其中一項(xiàng)較嚴(yán)重的問(wèn)題。

由于季節(jié)性凍土區(qū)冬季溫度低、夏季溫度高，土體常年處于凍融循環(huán)過(guò)程中，導(dǎo)致該類土體在不同季節(jié)其結(jié)構(gòu)受力存在極大差異。同時(shí)，土體凍融循環(huán)還可能造成土體出現(xiàn)塌陷及鼓包現(xiàn)象，導(dǎo)致季節(jié)性凍土區(qū)常出現(xiàn)路基凍害。造成路基凍害的因素較多，近年來(lái)，越來(lái)越多的專家、學(xué)者圍繞季節(jié)性凍土區(qū)鐵路路基凍害原因及防治措施開(kāi)展了深入、系統(tǒng)的研究，以確保鐵路路基工程的性能穩(wěn)定與耐久。

1 鐵路路基凍害成因

在對(duì)鐵路路基凍害防治及預(yù)防措施進(jìn)行研究前，應(yīng)對(duì)鐵路路基凍害影響因素及產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。土體凍脹伴隨熱傳遞、水分遷移和受力變化，是一個(gè)復(fù)雜的相變過(guò)程。當(dāng)土體溫度隨大氣溫度降至凍結(jié)溫度以下，土體中自由水、結(jié)合水先后凍結(jié)成冰晶體，在分子引力和滲透吸力作用下，未凍結(jié)區(qū)域弱結(jié)合水向水膜較薄的凍結(jié)區(qū)移動(dòng)并逐漸凍結(jié)，形成更大的冰晶體和冰層，即產(chǎn)生土體凍脹。不同類型路基凍脹過(guò)程均遵循該原理，但不同類型路基凍脹形成機(jī)理具有不同的特點(diǎn)?，F(xiàn)階段，對(duì)于路基凍害的研究主要分為3個(gè)部分：（1）一般土體路基凍害；（2）涵頂及橋涵過(guò)渡段路基凍害；（3）石質(zhì)路基凍害及巖石凍脹。

1.1 土體路基凍害

馬紅絳［4］結(jié)合蘭新鐵路的地理位置、氣候特征等實(shí)際情況，從土質(zhì)、水、溫度等方面對(duì)蘭新鐵路路基凍脹的影響規(guī)律進(jìn)行了分析。夏瓊等［5］以蘭新鐵路某段海拔2 100 m路基凍害為依托，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)對(duì)路基凍脹特征、土質(zhì)等展開(kāi)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明80%凍脹量發(fā)生在路基面以下60 cm范圍內(nèi)。張先軍［6］以哈大鐵路路基凍害調(diào)查結(jié)果為依托，從溫度、填土細(xì)顆粒含量及水分等方面對(duì)路基凍害進(jìn)行研究，結(jié)果表明路基體自身水分是引起路基凍害的最主要因素。葛建銳等［7］采用正交試驗(yàn)的方法，針對(duì)東北黑龍江北安二龍山農(nóng)場(chǎng)灌渠土進(jìn)行凍脹分析，結(jié)果表明平均凍脹溫度及土體初始含水率是引起凍脹的最主要因素。

田亞護(hù)等［8］分別對(duì)包蘭鐵路、京包鐵路進(jìn)行鐵路路基土級(jí)配試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明造成路基凍害最主要原因是路基填土級(jí)配不良；3年后，田亞護(hù)等［9］采用有限元數(shù)值方法對(duì)路基設(shè)有隔熱層的哈齊客運(yùn)專線和新建客運(yùn)專線溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)路基粗顆粒土進(jìn)行室內(nèi)凍脹試驗(yàn)，結(jié)果表明粗顆粒土的持水性及凍脹率與細(xì)顆粒含量成正相關(guān)。Liu等［10］考慮封閉系統(tǒng)凍結(jié)階段壓實(shí)能量影響，在不同壓實(shí)能量條件下，進(jìn)行不同細(xì)顆粒含量和水分含量的凍脹試驗(yàn)，研究壓實(shí)能量與凍脹比關(guān)系，結(jié)果表明凍脹比隨細(xì)粒含量增加先增大后減小。趙洪勇等［11］分別設(shè)置不同的細(xì)顆粒含量、含水率和溫度對(duì)某客運(yùn)專線路基填料進(jìn)行凍脹試驗(yàn)，結(jié)果表明填料凍脹率隨含水率、細(xì)顆粒含量的增加而增大。王青志等［12］在研究級(jí)配碎石凍脹率時(shí)，分別在不同含水率、溫度、細(xì)顆粒含量等條件下進(jìn)行室內(nèi)凍脹正交試驗(yàn)，同時(shí)采用灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)凍脹正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明2種方法所得結(jié)論一致，認(rèn)為土體含水率是引起凍脹的最主要因素。令狐勇生等［13］以寒區(qū)某高速鐵路為依托，在該路段取部分路基填料，針對(duì)填料的溫度、含水率及細(xì)顆粒含量對(duì)路基凍害進(jìn)行分析，結(jié)果表明該段路基中含水率較高且未進(jìn)行疏排，細(xì)顆粒含量較高、地區(qū)溫度低、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等因素共同作用導(dǎo)致了路基凍害。

張遠(yuǎn)芳等［14］取天山達(dá)坂喬爾瑪至那拉提沿線凍土作為樣本，根據(jù)灰色系統(tǒng)理論，在分析凍土凍脹系數(shù)的基礎(chǔ)上建立灰色關(guān)聯(lián)模型，分析得出含水率、有機(jī)質(zhì)、含鹽率等是影響凍脹系數(shù)的最主要因素，為了驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確性，采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，所得結(jié)果與灰色關(guān)聯(lián)度法一致。倪鐵山［15］以京哈鐵路吉林段路基凍害為背景，通過(guò)野外凍害調(diào)查及凍脹試驗(yàn)，針對(duì)水、溫度、含鹽量等因素對(duì)凍脹影響規(guī)律進(jìn)行分析，將土體含水率、含鹽量作為重點(diǎn)，研究其對(duì)路基凍害的影響。鞏麗麗等［16］以青海湖凍土區(qū)典型分布的粉質(zhì)黏土為試驗(yàn)材料，通過(guò)正交試驗(yàn)法、灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)各因素對(duì)凍脹影響的主次關(guān)系進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明影響凍脹因素由主到次依次為：溫度、含鹽量、含水率等。

1.2 涵頂及橋涵過(guò)渡段路基凍害

在鐵路路基工程中，涵頂及橋涵過(guò)渡段路基極易出現(xiàn)路基凍害，兩者產(chǎn)生凍害原理類似［17］，因此，僅對(duì)涵頂過(guò)渡段路基凍害進(jìn)行分析。涵頂上部土體位于道砟層和涵洞混凝土蓋板之間，道砟層和混凝土蓋板較薄、導(dǎo)熱系數(shù)較大，冷量較易傳遞至涵頂土體使其產(chǎn)生雙向凍結(jié)，且凍結(jié)速度和深度均大幅增加。尤其當(dāng)涵頂填土較薄時(shí)，整個(gè)涵頂填土均發(fā)生凍結(jié)，但涵頂前后兩端臨空面填土層受到3個(gè)方向的凍結(jié)，凍脹量遠(yuǎn)大于中間路基凍脹量，導(dǎo)致涵頂路基在橫向產(chǎn)生不均勻變形，影響鐵路運(yùn)營(yíng)安全。涵頂及涵側(cè)路基凍結(jié)原理見(jiàn)圖1。

圖1 涵頂及涵側(cè)路基凍害原理

梁恒祥［17］以烏奎城際鐵路路基凍害為背景，分別采用室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模型理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、氣候、水文特點(diǎn)對(duì)路基凍害的分布及影響因素進(jìn)行研究分析，結(jié)果表明路基凍害絕大部分出現(xiàn)在涵頂路基段、橋涵與路基相鄰過(guò)渡段，將凍脹敏感性土作為路基填料、土體含水率較高、地區(qū)氣候嚴(yán)寒等因素是引起路基凍害的主要影響因素。湯曉光［18］以秦沈客專、丹大鐵路等有砟軌道路基凍害為背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及凍脹監(jiān)測(cè)試驗(yàn)等方式，對(duì)路基凍害與路基所采用結(jié)構(gòu)形式的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果表明雖然鐵路在設(shè)計(jì)時(shí)便有針對(duì)性地對(duì)路基凍害進(jìn)行防凍設(shè)計(jì)，但在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中仍不可避免地出現(xiàn)凍害，最嚴(yán)重路基凍害出現(xiàn)在涵頂及橋涵路基過(guò)渡段。曹密等［19］以丹大鐵路典型地段路基凍害為背景，采用現(xiàn)場(chǎng)取樣調(diào)查及數(shù)值模型理論分析方法，針對(duì)涵頂及橋涵路基過(guò)渡段路基凍害的主要原因進(jìn)行研究分析，結(jié)果表明路基基床底層填料細(xì)顆粒含量較高是引起路基凍害的最主要原因，同時(shí)涵頂路基存在雙向凍結(jié)現(xiàn)象。

1.3 石質(zhì)路基凍害及巖石凍脹

幾十年來(lái)，眾多學(xué)者通過(guò)數(shù)值模型理論分析、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)等多種研究方法對(duì)鐵路工程填土路基凍害展開(kāi)研究，取得了豐碩成果，但石質(zhì)路基凍害及巖石凍脹研究相對(duì)滯后，很多研究仍停留在試驗(yàn)探索階段。

楊更社［20］分析了國(guó)內(nèi)外凍融循環(huán)作用下巖石力學(xué)問(wèn)題的研究現(xiàn)狀，對(duì)巖石凍脹現(xiàn)有研究的不足及展望進(jìn)行了總結(jié)。工程巖體凍融損傷的最主要原因是巖土中水分凍融作用，劉泉聲等［21］認(rèn)為應(yīng)以水冰相變?yōu)榍腥朦c(diǎn)展開(kāi)凍巖損傷機(jī)制研究，同時(shí)立足細(xì)觀尺度，充分考慮凍融循環(huán)作用與裂隙擴(kuò)展的相互影響，進(jìn)而拓展至凍融作用對(duì)巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的影響。馬榮田等［22］以季節(jié)性凍土區(qū)哈大鐵路路基凍害為背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)挖探試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)石質(zhì)路基凍害成因進(jìn)行分析，結(jié)果表明基巖凍脹是石質(zhì)路基凍害產(chǎn)生的主要原因；對(duì)基巖凍脹主要影響因素進(jìn)行研究，結(jié)果表明地下水、溫度及巖體自身滲透性等是引起基巖凍脹的最直接原因。

2 鐵路路基凍害防治措施

我國(guó)凍土區(qū)鐵路包括一些在建的復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路，以及青藏鐵路、丹大鐵路等既有鐵路。隨著我國(guó)鐵路網(wǎng)逐漸完善，為保證列車運(yùn)營(yíng)安全，對(duì)鐵路路基凍害防治措施展開(kāi)研究十分必要。近年來(lái)，已有較多針對(duì)路基凍害防治的相關(guān)研究，在鐵路路基凍害防治中積累了經(jīng)驗(yàn)、取得了一定的工程實(shí)踐效果。

2.1 在建鐵路

通過(guò)鐵路路基凍害防治方法研究及其工程實(shí)踐成果經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)階段通常采用控制路基填料、路基隔排水、路基換填及優(yōu)化路基結(jié)構(gòu)形式等措施，對(duì)在建鐵路路基凍害進(jìn)行預(yù)防。

2.1.1 控制路基填料

葉陽(yáng)升等［23］在分析路基凍害影響因素基礎(chǔ)上，提出鐵路路基填料凍脹性分類方案，建議在凍土區(qū)設(shè)置細(xì)粒含量<15%的礫類、碎石類等不凍脹土路基防凍層。熊治文等［24］為改良級(jí)配碎石滲透性和凍脹特性，分別將水泥、石灰、粉煤灰等無(wú)機(jī)材料加入粗顆粒填料進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明摻入水泥能夠最大程度減小級(jí)配碎石的滲透系數(shù)和凍脹率。牛富俊等［25］為分析粗細(xì)顆?；旌咸盍系奈雒?，對(duì)蘭新浩門(mén)區(qū)段4個(gè)不同填料深度的路基斷面進(jìn)行含水量、溫度、變形量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明細(xì)顆粒含量對(duì)路基凍脹率有較大影響，將細(xì)顆粒含量控制在15%以內(nèi)為宜。

2.1.2 路基隔排水

現(xiàn)階段鐵路路基排水法主要為地表排水及地下水引導(dǎo)；隔水法主要采用在路基土體內(nèi)設(shè)置隔水層，直接減弱甚至阻止隔水層上下水分交換。以上2種方法都是以減小路基土體含水量的方式防治路基凍害。劉彬等［26］對(duì)無(wú)砟軌道路基工程防排水體系構(gòu)成及參數(shù)展開(kāi)研究，根據(jù)我國(guó)工程實(shí)況初步提出無(wú)砟軌道路基防排水架構(gòu)及技術(shù)特征，并指出路基填料水穩(wěn)性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、地下排水結(jié)構(gòu)維修及路基防排水工程系統(tǒng)優(yōu)化等關(guān)鍵問(wèn)題需進(jìn)行深入研究。

多年工程實(shí)踐表明，合理選擇路基隔排水方法，不僅能起到良好的凍害防治效果，還能節(jié)約工程成本。但若不結(jié)合工程實(shí)際地質(zhì)條件、水文條件等因素進(jìn)行考慮，可能造成凍害防治效果大打折扣，甚至對(duì)工程造成危害［27］。

2.1.3 路基土換填

路基土換填法具有施工簡(jiǎn)便、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。路基凍害防治效果取決于換填深度，換填深度隨著地區(qū)、路基凍脹變形的有效控制范圍等因素有所不同。蘇群［28］在研究中指出，換填深度超過(guò)凍土深度1/3時(shí)成本較高。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，換填粗顆粒能減小路基凍脹量，但對(duì)土體中水分遷移的防治效果不明顯［29］，粗顆粒填土含水率在凍融循環(huán)作用下逐漸提高，可能發(fā)生翻漿現(xiàn)象［30-31］。因此，采用換填法的路基凍害防治措施在適用范圍及有效性等方面還需進(jìn)行深入研究。

2.1.4 優(yōu)化路基結(jié)構(gòu)形式

馬榮田等［22］以哈大鐵路路基凍害為背景，首次提出優(yōu)化路基結(jié)構(gòu)形式防治路基凍害的方法。在此之前，已有學(xué)者利用類似原理對(duì)路基凍害進(jìn)行防治，認(rèn)為合理選取路堤高度能有效控制路基凍害［32-33］。在進(jìn)行島狀凍土地基處理時(shí)，王興等［34］提出生石灰樁這一新型結(jié)構(gòu)概念，并進(jìn)行相應(yīng)室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果表明該新型樁基礎(chǔ)能對(duì)多年凍土進(jìn)行有效融化。程佳等［35］將石灰樁應(yīng)用于工程實(shí)際，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，石灰樁能有效融化樁周圍凍土，石灰樁及地基土主要發(fā)生豎向變形，且石灰樁的應(yīng)用能消除凍土融化引起的路基沉降變形。Tai等［36］基于水的流動(dòng)和傳熱理論建立了非飽和土凍土層的水-熱耦合微分方程，實(shí)現(xiàn)凍土溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)的耦合，并結(jié)合冰含量的模擬計(jì)算將水熱耦合模型與水動(dòng)力凍脹模型進(jìn)行對(duì)比，建議高速鐵路施工中采用“碎石+保溫+瀝青”的路基，以減少路基凍脹破壞。

2.2 既有鐵路

在不影響既有鐵路正常運(yùn)營(yíng)的條件下，路基填料性能、路基面施作保溫措施及路基結(jié)構(gòu)形式等均難以改變。因此，現(xiàn)階段主要采用路基疏排水、填料注漿改性和地溫控制等措施對(duì)既有鐵路路基凍害進(jìn)行整治。

2.2.1 路基疏排水

高以健等［37］采用新型土工合成材料的軟式透水管對(duì)蘭新鐵路路基凍害進(jìn)行治理，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該材料能有效排除路基體水分，對(duì)路基凍害的抑制效果顯著。楊有海等［38］以部分在冬季低溫作用下發(fā)生凍害的路基為研究背景，建議采取設(shè)置隔水墻、排水溝、蒸發(fā)池等措施對(duì)路基水分進(jìn)行控制。郭銳［39］對(duì)土工膜封閉路基表面、疏干孔、施作滲水墻進(jìn)行路基凍害整治的可行性展開(kāi)研究，結(jié)果表明采用滲水墻結(jié)合疏干孔群的工程措施對(duì)路基凍害的整治效果顯著。李星等［40］以疏干排水孔治理大準(zhǔn)鐵路路基凍害為依托，利用有限元軟件對(duì)疏干排水孔在既有鐵路凍害治理中的布設(shè)方式展開(kāi)研究，分別對(duì)排水孔間距、孔徑、布置角度、排水孔長(zhǎng)度等關(guān)鍵因素展開(kāi)計(jì)算分析。馬紅絳［4］結(jié)合蘭新鐵路的實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況，提出從隔排水、清篩道床2個(gè)方面對(duì)路基凍害進(jìn)行整治，該方法在減緩鐵路路基凍害方面效果顯著。

2.2.2 填料注漿改性

路基填料本身具有高持水性，在進(jìn)行疏排水措施后其自身仍可能會(huì)產(chǎn)生較大凍脹，因此，有學(xué)者提出采用路基填料改性措施對(duì)路基凍害進(jìn)行整治。倪鐵山等［41］將注鹽法應(yīng)用于長(zhǎng)白鐵路，路基凍害整治效果良好。王彥虎等［42］在注漿、注鹽法等路基凍害整治技術(shù)基礎(chǔ)上，提出鉆孔埋管注鹽法，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)表明，采用鉆孔埋管注鹽法路基整治技術(shù)能明顯降低路基凍脹量，而采用高滲透化學(xué)注漿技術(shù)能降低填料的自然持水率，從而降低填料的凍脹特性［39］。

2.2.3 地溫控制

對(duì)于部分既有鐵路，通過(guò)安裝疏排水等措施控制含水率進(jìn)而控制路基凍害的方式并不可行。現(xiàn)有大多數(shù)基于熱性能的凍害控制措施以及填料注漿改性技術(shù)，也對(duì)鐵路系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響［43］。在前述措施不能有效控制鐵路路基凍害時(shí)，有必要從地溫控制角度對(duì)路基凍害進(jìn)行控制。地溫控制措施分為被動(dòng)地溫控制措施和主動(dòng)地溫控制措施，但是針對(duì)兩者的劃分，國(guó)內(nèi)外并不一致。魏智等［44］以凍結(jié)過(guò)程的人為可控制性和是否提供能量消耗對(duì)兩者進(jìn)行劃分，認(rèn)為合理利用自然力量，以積極的思想、被動(dòng)方法控制凍脹更有效。Zhang等［43］建立了能反映路基實(shí)際性能且含加熱孔路基的三維模型，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，最終提出一種基于主動(dòng)地溫控制的凍害改善方案。當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，電源接通并通過(guò)加熱孔使路基溫度保持在0℃以上以消除路基凍害。相比被動(dòng)地溫控制措施的無(wú)需人為控制、能耗低、維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，主動(dòng)地溫控制措施可人為控制，甚至引入智能化設(shè)備自主控制，能更高效地控制鐵路路基凍害，但運(yùn)營(yíng)過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行定期檢查維護(hù)，維修費(fèi)用較高。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）現(xiàn)有研究成果表明，在鐵路路基凍融循環(huán)過(guò)程中，水分遷移機(jī)理還沒(méi)有統(tǒng)一定論，水分遷移和融沉翻漿仍需深入研究。

（2）現(xiàn)有研究很少針對(duì)氣溫驟變或反復(fù)升降溫時(shí)路面溫度場(chǎng)的變化情況進(jìn)行分析［45］。在全球氣候變暖、極端氣候事件頻發(fā)的背景下，維持鐵路工程路基長(zhǎng)期穩(wěn)定性的措施仍有待研究。

（3）現(xiàn)有文獻(xiàn)大多針對(duì)東北、新疆、青海等地的路基凍害成因進(jìn)行分析，并不具備普適性。隨著西部大開(kāi)發(fā)等新時(shí)代戰(zhàn)略的驅(qū)動(dòng)引領(lǐng)，有必要針對(duì)西部復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)所獨(dú)有的地質(zhì)條件、氣候特征、水文特點(diǎn)等展開(kāi)路基防凍害研究。

（4）鐵路路基凍害防治已逐漸向綜合防治方向發(fā)展，但在實(shí)際工程中運(yùn)用較少，路基凍害綜合防治措施的實(shí)用性及有效性仍需進(jìn)一步研究及認(rèn)識(shí)。

（5）涵頂及橋涵路基過(guò)渡段凍害發(fā)生頻繁，現(xiàn)階段還沒(méi)有針對(duì)涵頂及橋涵路基過(guò)渡段凍害防治措施，針對(duì)該部位的凍害防治措施亟需展開(kāi)深入研究。