铁路路基冻害防治

2020年11月13日00:00:08来源:《工务设备常见病害整治与故障处理》王志广 评论 18 7753字阅读25分50秒

冻害为土体在冻结过程中因冻胀所引起的病害。由于土中的水在冻结过程中能向冷冻峰峰面迁移,并不断冻结析出冰层,且体积增大9%,即造成土体的冻胀,使道床或路基冻起,在融化时又会发生沉陷。水分迁移是冻土中主要的物理力学过程,是路基产生冻害的基本原因。冬季冻结,春季开始融化,夏季全部融化的土层称为季节冻土。冻结状态保持三年或三年以上的不融冻土,称多年冻土。我国东北地区及西北高山、高原地区,大部分均为季节冻土地区。通过上述地区的铁路路基,在土、水,温度的共同影响下,路基面均有不同程度的冻胀,使线路纵、横断面产生凸凹不平的不均匀冻胀,影响行车平稳及安全,构成冻害。均匀冻胀一般并不构成冻害,冻害严重地段往往伴生翻浆冒泥、道砟陷槽、基床上侧挤等病害。

一、冻害分类

(一)按纵向外部形态分

1.冻峰

路基面在短距离内的冻胀高度大于相邻两地段的冻胀高度所形成的凸起部分,如图1(a)所示。

2.冻谷

路基面在短距离内的冻胀高度小于相邻两地段的冻胀高度所形成的凹槽部分,如图1( b)所示。

3.冻阶

路基面两相邻地段的冻胀高度不同而在连接处所形成的错台部分,如图1(c)所示。

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图1 铁路路基冻峰、冻谷、冻阶示意图
——冻结后轨面线;                    -------冻结前轨面线

(二)按横向外部形态分

1.单侧冻害

沿路基横断面两侧冻胀高度不等,如图2(a)所示。

2.双侧冻害

沿路基横断面整个冻胀高度大体一致。

3.交错冻害

在路基纵横断面上相邻地段的冻胀高度均不相同,形成高低交错的现象,如图2(b)所示。

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图2 单侧、交错冻害示意

(三)按冻胀产生部位分

1.表层冻害

表层冻害指受地表水影响产生的冻胀,发生在路基土体临界冻结深度内上半部分,冻胀高度较小,一般入冬结冰,路基表层就产生冻起,到春天解冻时就降落,表现为“早起早落”型。

2.深层冻害

深层冻害指受地下水影响产生的冻胀,发生在路基土体临界冻结深度内下半部分,冻胀高度较大,- - 般在冬季中期发生,到春末甚至初夏才消失,表现为“晚起晚落”型。

(四)按冻害高度大小分

10~25 mm; 为一般冻害,26 ~ 50mm为较大冻害,51 ~ 100mm为大冻害,100mm以上为特大冻害。

二、冻胀机理及影响因素

(一)冻胀机理

土冻结时在一定条件 下会发生下部土体的水分向冻结峰面转移的现象,即水分迁移,并析出冰层造成冻胀。解释水分迁移的学说很多,目前普遍认为起主要作用的是“薄膜水迁移理论”

物理学认为,由于土颗粒的电分子引力作用及水分子的双极构造,当水和土颗粒接触时,会在土颗粒表面形成一薄膜水层,如图3所示。最里层的水分子吸附力最大,为强结合水,水分子不能自由活动也不冻结,而外围的水层为弱结合水,可以在水分子力作用下运动和在负温下冻结。一般在土中,由于土颗粒间距离很小,甚至互相接触,可以形成公共水化膜,这时它们的弱结合水层便会在土颗粒和水分子引力作用下达到相对的平衡状态。

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图3 土粒和水

a-土粒; b一土粒表面附近静电引力场强度的变化; e-水分子的双极构造

当上部土体发生冻结时,由于形成冰晶,就从靠近冻结峰面的土颗粒外围的水化膜中夺走一部分水,使水膜变薄,使公共水化膜产生不平衡。这时,减薄了的水膜就会从邻近处抽吸水分来补充,以恢复平衡,如图4所示。因此,在冻结过程中,增长着的冰晶不断从临近的水化膜中挤走水分,而相邻的厚膜中的水分子又不断地向薄膜补充,这样,不断地依次传递就形成了冻结时下部土体的水分向冻结峰面的迁移。

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图4 水由后膜向薄膜移动

同时,这个机理还说明了土中水的冰点一般低于0℃ ,有一个相转换区,冻土中仍存在一部分未冻水及在一个相当的负温范围内始终发生着冻结现象等的原因。

(二)影响因素

1.温度

主要表现在土层的负温数值和冻结速率。当土层温度处于相转换区,且冻结速率较小时,土中水分迁移的条件最充分,可以形成较大的冻胀。不同的土都有各自相应的相转换区和最佳迁移水分冻结速率,见表1。

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表1各种成分土的相变平均温度

2.土质

土质与土颗粒的大小、颗粒的组成有密切的关系。-般情况下,颗粒粒径大于0.1 mm的碎石、砾石、砂类土,无冻胀性或冻胀很小;颗粒粒径小于0.1 mm的黏性土有较大的冻胀性;粒、黏粒含量大于15% ,容量较小的粉质土,冻胀性最强。

3.水分

水是造成冻胀的必要条件,但含水的土冻结时不一-定都能冻胀,只有在土的含水率达到或超过- -定的数值后(一般略小于该类土的塑限含水率)才发生冻胀。在有地下水补给时,就会发生强烈的冻胀。

4.外部荷载

外部荷载对冻胀具有压抑或防止的作用。因为在荷载作用下土被压密,使土的起始冻结温度降低,初始含水率减小,且水分迁移过程也受到抑制,这是强夯法能防止冻害的基本原因。

三、土体冻胀的基本规律

(一)冻胀量与冻胀强度

1.冻胀量

冻胀量指某一土层在冻结前后的厚度差值,即变形高度。

2.冻胀强度

冻胀强度指某一上层的冻胀量与整个冻结土层冻胀量的比值。

(二)冻胀沿深度的分布规律

由于土层的非均匀性和地下水系统的封闭、敞开情况不同,在冻结深度内各个部位土层的冻胀量与冻胀强度都是极不均匀的。在均质土层中,封闭系统条件下的冻胀强度分布基本规律一般为一近似三角形,并可分为厚度相等的上、中、下三层,其冻胀强度分别为:50% ~ 60%、30% ~40% 、10%。在均质土层中若夹有砂层,或在非均质土层中有地下水补给时,冻胀强度图则会有多种多样的形态。

(三)冻结深度调查

冻结深度调查最可靠的方法是实地勘测。由于受气温变化影响及存在的滞后现象,冻结深度是一个变化值。因此,测试及挖验时一定要注明时间和冻结深度值。最大冻结深度出现在最低月平均气温之后,并随冻结深每增加1 m, 滞后近-一个月,一 .般在三、四月份。

四、预防冻害的措施

在养护维修工作中,必须坚持以预防为主,采取预防与整治相结合的原则,认真做好预防工作。采取的预防措施通常是:

1.经常保持道床清洁,防止泥土杂物混人道床,及时清除土垄。

2.保持路肩和边坡平整,无裂缝、无坑洼积水。

3.完善地表排水系统,保持各种地面排水设备平顺畅通,排除堑顶.堤脚及附近积水。

4.定期检查疏通各种地下排水设备,做到不积水、不堵塞,降低地下水位。

5.结合其他作业,事先更换或改良不均质土体。

6.人冬前,做好各项排水设备防寒工作,保持其状态良好,不冻结,无损坏。准备必要的保温材料,以便随时应用。

在冻害发生后,应详细、认真地进行路基冻害的调查,分析冻害形成的原因和规律,一是从外貌方面调查:冻害发生的部位形状、高度、起落时间及发展过程;二是进行钻探或挖验:记录土层的类别.厚度、冻土结构、水文地质条件,包括必要的土工试验等,为整治冻害提供充分的依据。

五、整治冻害的原则

在基床冻害的整治中,采取的基本原则有:

1.深入调查并认真分析冻害形成的原因和规律,这是正确采取整治措施的前提和基础。在整治冻害这一工作中 ,缺乏调查研究或调查不充分、不确切,有时不仅不能根治冻害,甚至采取的不当措施还会引起新的或更加严重的病害。只有在充分调查的基础上,针对其原因,选好措施,整治冻害才能收到预期的效果。

2.消除不均匀冻胀。也就是说整治冻害必须是以消除局部病害地段的冻害高度为目的,主要是指消除路基病害地段与相邻地段的冻胀差值,或使这一差值在规定距离内逐步消失,使线路达到合乎要求的标准。这是一条非常重要的原则。

在生产实践中,往往由于没有注意到这一点,大量出现彻底消除冻胀值的做法,从而将冻峰制成冻谷,把相邻区段的均匀冻胀值所需要的冻胀量也消除了,这实质上是对冻害形式上的一种转移,无效地浪费了大量的工时。

3.采取整治冻害措施时,必须首先考虑排水。因为水不仅是产生冻害的原因,它还能降低路基强度而引发其他路基病害。所以在采取整治病害措施前必须首先考虑排除地表水和降低地下水位,来疏干路基。

4.在冻害整治过程中,要因地制宜,尽量做到就地取材。在整治冻害工程设计中,要“对症下药”、持久有效、经济合理。

5.要强调综合整治的整体效果。各种整治冻害措施的目的、作用和效果不尽相同,各有针对性和适用范围。因此要根据冻害的具体情况分析研究不同措施的互相搭配,注重它们的整体效果.以争取达到根除冻害的目的。

六、整治冻害的措施

(一)排水与隔水

排水不良是路基冻害的主要原因,路基土体中存在大量的地表水或地下水不能及时排除.到了冬季就会在负温度下,含水土体发生冻结,而产生不均匀冻胀,使轨面不平顺。

所以要解决冻害问题,应要从排水入手。

1.采取有效的排水措施

包括排除地表水和地下排水,排水设备应齐全完好。有充足的过水能力,及时将路基土体中的水分排除,此外,排水设备还应具有抗冻、防冻的能力,不被冻融破坏。这就要求在秋季人冬前,对排水设备、设施认真地进行防寒检查整修工作,在严冬时,能发挥正常排水作用。

2.隔水措施

利用各种材料制成的隔水层,使地下水不能透过,或隔断毛细水的补给,限制冻结时水分的迁移作用,以减少或消除冻胀。

所用隔水层的材料有:黏土、耐寒塑料薄膜,土工纤维防渗布聚氯乙烯板及氯丁橡胶板等。另外,也可用改良性土如乳化沥青,或灌浆矽化加固等方法。

(二)更换土质

换土是最普遍、采用最多的一种整治冻害的措施。通过换土主要达到三个目的:一是将冻胀土换以部分不冻胀土.以便减小冻胀值;二是将冻胀性较弱的土(或不冻胀土)换以冻胀性较强的土,以便消灭冻谷或单侧冻起等;三是改换土中的冻胀土层,或冻胀土质,以消除冻害条件。换土在基床冻害的整治中是有条件的,经调查分析认定.当基床土体中以土质为主要因素时(土质不均匀或土层厚薄层次不等),采取更换土质的措施.从而解决基床冻害。如果基床冻害是以水为主要因素(即地表水或地下水的不均匀渗人或浸湿) .则应采取排水措施,而不应当采取换土的方法。

在更换土质的措施中,有两种情况:一种是更换冻胀土;另一种是更换不冻胀土。这两种情况不仅起的作用不同,而且条件要求也是不一样的。

1.换填冻胀土

此项措施的应用范围较小。因为只有在冻胀土的长距离地段内由于局部非冻胀土所形成的冻害,而将局部非冻胀土换以同样的冻胀土来解决病害地段的冻谷,如图5所示。

此外,在由不均匀浸湿而造成的冻害中,在凹陷的--侧换以冻胀土,使凹陷处多冻胀一些,这也是防止基床冻害的一种方法。

某线某段.在300m长度的地段内,有10条平行的黄色黏土带.因而当土层冻结后,线路上产生波浪形冻胀(凡有黄色新土带处,便凸起显冻峰状),经换同类土后,现象明显消失,如图6所示。

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图5 换填冻胀土 图6 波浪形冻胀换土

某线某地段,由于修筑路堤时填土不均匀,在冻起股下填入30cm厚的冻胀性大的黑色黏: 造成两股钢轨下的土质不同,冻结后产生了单股冻起(单侧冻害),轨道水平“一面偏”,左股比右股高30 mm ,经换土处理,不均匀冻胀消失,如图7所示。

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图7 “一面偏”换土处理

换填冻胀土适用于因土质非均匀而发生的局部冻害(冻谷)或局部土层厚薄不同,或因水的局部不均匀浸湿而发生的冻害。

2.换填不冻胀土

般所说的“换土措施"基本上是指换以不冻胀土而言的。这种换土措施分两种情况:一种是换填砂垫层,主要用于冻结深度内的士层为冻胀性较强的土;另一种 是换填与周围土层冻胀性相同的土,主要用于因土质不同或不均匀的冻害地段。

换土前应调查掌握冻害深度(可以在冻害回落完时用钢钎探测融化土层的深度),挖验及取土测取冻胀土(包括两端非冻害地段的土)的有关物理力学性质,如含水率、孔隙比、颗粒组成等,准确掌握冻包(坑)高度.长度及均匀冻起的高度等.在经过调查比较后确定换人的土质及取土地点。根据多年整治冻害的经验,下列数据可作为参考。

(1)换填的土质

最好用与两端相邻无冻害地段土层相同的土。如换砂垫层,一般要求骨料中小于0.07mm的颗粒含量不超过10%;或小于0.02mm的颗粒含量不超过3%,其塑性指数不小于4。

(2)换土的深度

一般冻胀性土层有多深就换多深。若超过冻结线时,则换至冻结深度即可,并视换入的两端相邻地段土质的差异程度进行适当调整。换土过深或过浅,亦会产生坑洼或冻包。

换土深度:一般对高路堤为800mm,对低路堤为600mm,对路堑为700mm。此外,还要根据冻害地段现场条件的具体情况而加以确定。

(3)换土的宽度

路堤应整断面更换。路堑及不填不挖地段最好整断面更换,并设置必要的排水设备。

当上层为黏性土、下层为砂性土,换土深度大于黏性土厚度时。无论有无地下水都可采用槽形换土(地下水承压时除外);年降雨量很小的地区,下卧土层不是砂土的也可采用槽形换土。槽形换土的槽底宽度不得小于2.7 m,如图8所示。

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图8 槽形换 土示意(单位:m)
L-槽形换土顶面宽度;h-换土宽度

(4)换土地段的长度

更换长度可与冻害长度相等,并适当作好顺坡。

(5)纵断面形式

为减少工作量,结合顺坡可将换土的纵断面形式分为两种,如图2-33所示。倒梯形适用于冻害地段较长(10 m以上)的情况,三角形适用于冻害地段较短、冻峰明显的情况,也可用这两种形式的组合型,但无论哪一种形式 ,都应与冻害的外形相对称。

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图9 顺坡纵断面形式
L0-----顺坡长度;    HL-----冻害地段换土深度

某地段冻高35mm,延长5m,冻层深为0.9m,冻害处为黏土,在冻害两侧高出最大冻害深度线0.2 m,其上为砂土。将冻害地段换成砂土,换土深度0.9 m,换土地段的砂土比冻害地段相邻的两侧新土层深0.2 m,如图10所示。这样由于冻害地段相邻的两侧仍有0.2m厚的黏土,还有冻胀,在换土地段便会形成冻凹。与这次同时施工的附近地段,地质条件等都相同,在冻害处所仅换0.7m厚的砂土,达到与相邻两侧的土层厚度相等,经过整治,消除了冻害。

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图10 某地段冻害地段换土示意

(三)铺设保温层

将保温材料覆盖或铺设在路基基床的表层,使表层下的土层不冻结或减少冻结深度。其做法和更换土质相近。

1.保温层的材质

炉渣的导热系数很小,是一种良好的保温材料,能就地取材,成本低,效果好。用作垫层的炉渣应过筛,粒径以3 ~40 mm为宜。易粉碎的、含水率较大的炉渣不宜使用。

泥炭和冷压泥炭砖,经国外几十年使用证明效果良好,使用年限长。湿度大的泥炭水分冻结时,会放出大量潜热.能防止泥炭进一步冻结。实际调查表明,当泥炭垫层的含水率为85%时,其保温效果最好。

泡沫聚苯乙烯板是-种强度很高的隔温防水材料,在280kPa压力下的压缩变形不超5% ,导热系数一般为0.029 W/(em. K)。通常1 cm厚的泡沫聚苯乙烯板保温层相当于14 cm填土的保温效果,能使用二三十年。如铺在道床下,其上下应各铺10~20 em厚的砂垫层。其他保温材料还有膨胀珍珠岩粉.石棉等。

2.保温层的厚度

根据当地土的冻结深度、导热系数.按均质土层计算保温层的厚度。无足够数据时,根据冻层深度来确定炉渣垫层的厚度。

3.保温层的宽度

最好将路基顶面全部铺设保温材料,也可在轨枕头外各1.3m范围内,或总宽5m范围内铺设。

4.炉渣保温层的排水与隔离
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