路基凍害簡介

凍害為土體在凍結(jié)過程中因凍脹所引起的病害。由于土中的水在凍結(jié)過程中能向冷凍峰峰面遷移，并不斷凍結(jié)析出冰層，且體積增大9%，即造成土體的凍脹，使道床或路基凍起，在融化時又會發(fā)生沉陷。水分遷移是凍土中主要的物理力學(xué)過程，是路基產(chǎn)生凍害的基本原因。

冬季凍結(jié)，春季開始融化，夏季全部融化的土層稱為季節(jié)凍土。凍結(jié)狀態(tài)保持三年或三年以上的不融凍土，稱多年凍土。我國東北地區(qū)及西北高山、高原地區(qū)，大部分均為季節(jié)凍土地區(qū)。通過上述地區(qū)的鐵路路基，在土、水、溫度的共同影響下，路基面均有不同程度的凍脹，使線路縱、橫斷面產(chǎn)生凸凹不平的不均勻凍脹，影響行車平穩(wěn)及安全，構(gòu)成凍害。均勻凍脹一般情況并不構(gòu)成凍害。凍害嚴(yán)重地段往往伴生翻漿冒泥、道砟陷槽、基床土側(cè)擠等病害。

土凍結(jié)時在一定條件下會發(fā)生下部土體的水分向凍結(jié)峰面轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，即水分遷移，并析出冰層造成凍脹。解釋水分遷移的學(xué)說很多，目前普遍認為起主要作用的是“薄膜水遷移理論”。

物理學(xué)認為，由于土顆粒的電分子引力作用及水分子的雙極構(gòu)造，當(dāng)水和土顆粒接觸時，會在土顆粒表面形成一薄膜水層，見圖《路基凍害機理》所示。

最里層的水分子吸附力最大，為強結(jié)合水，水分子不能自由活動也不凍結(jié)，而外圍的水層為弱結(jié)合水，可以在水分子力作用下運動和在負溫下凍結(jié)。一般在土中，由于土顆粒間距離很小，甚至互相接觸，可以形成公共水化膜，這時它們的弱結(jié)合水層便會在土顆粒和水分子引力作用下達到相對的平衡狀態(tài)。當(dāng)上部土體發(fā)生凍結(jié)時，由于形成冰晶，就從靠近凍結(jié)峰面的土顆粒外圍的水化膜中奪走一部分水，使水膜變薄，使公共水化膜產(chǎn)生不平衡。這時，減薄了的水膜就會從鄰近處抽吸水分來補充，以恢復(fù)平衡。所以在凍結(jié)過程中，增長著的冰晶不斷從臨近的水化膜中奪走水分，而相鄰的厚膜中的水分子又不斷地向薄膜補充，這樣，不斷地依次傳遞就形成了凍結(jié)時下部土體的水分向凍結(jié)峰面的遷移。

在養(yǎng)護維修工作中，必須堅持以預(yù)防為主，采取預(yù)防與整治相結(jié)合的原則，認真做好預(yù)防工作。所采取的預(yù)防措施通常是：

(1)經(jīng)常保持道床清潔，防止泥土雜物混入道床，及時清除土壟。

(2)保持路肩和邊坡平整，無裂縫、無坑洼積水。

(3)完善地表排水系統(tǒng)，保持各種地面排水設(shè)備平順暢通，排除塹頂、堤腳及附近積水。

(4)定期檢查、疏通各種地下排水設(shè)備，做到不積水、不堵塞，降低地下水位。

(5)結(jié)合其他作業(yè)，事先更換或改良不均質(zhì)土體。

(6)入冬前，做好各項排水設(shè)備防寒工作，保持其狀態(tài)良好，不凍結(jié)，無損壞。準(zhǔn)備必要的保溫材料，以便隨時應(yīng)用。

在凍害發(fā)生后，應(yīng)詳細、認真地進行路基凍害的調(diào)查，分析凍害形成的原因和規(guī)律。一是從外貌方面調(diào)查：凍害發(fā)生的部位、形狀、高度、起落時間及發(fā)展過程；二是進行鉆探或挖驗：記錄土層的類別、厚度、凍土結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件，包括必要的土工試驗等。為整治凍害提供充分的依據(jù)。

整治凍害必須貫徹和遵循兩個原則：

一是消除不均勻凍脹。主要是指消除路基病害地段與相鄰地段的凍脹差值，或使這一差值在規(guī)定距離內(nèi)逐步消失，使線路達到合乎要求的標(biāo)準(zhǔn)。

二是強調(diào)綜合整治的整體效果。各種整治凍害措施的目的、作用和效果不盡相同，各有針對性和適用范圍。因此要根據(jù)凍害的具體情況分析研究不同措施的互相搭配，注重它們的整體效果，以爭取達到根除凍害的目的。 2100433B

本項目針對季凍區(qū)路基凍害問題，提出設(shè)置冷阻層結(jié)構(gòu)來解決凍害問題的思路。從數(shù)值計算、試驗研究、理論研究和實體工程應(yīng)用等方面對冷阻層結(jié)構(gòu)展開研究。數(shù)值計算方面，根據(jù)收集到的文獻及基礎(chǔ)試驗得到的基本參數(shù)，對冷阻層結(jié)構(gòu)進行了理論計算和設(shè)計，并結(jié)合實際應(yīng)用背景，給出了結(jié)構(gòu)層最優(yōu)設(shè)計參數(shù)；試驗研究方面，開展了橡膠顆粒改良粉煤灰土的配合比試驗研究，得到了改良土的最優(yōu)配合比。進行了冷阻層室外模型試驗，對設(shè)置和不設(shè)置冷阻層結(jié)構(gòu)路基結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷一次凍結(jié)過程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布進行對不，評價了冷阻層結(jié)構(gòu)的保溫性能。進行了凍融循環(huán)條件下的動力響應(yīng)試驗研究，分析了不同加載頻率、不同載重、不同凍融循環(huán)次數(shù)下橡膠顆粒改良粉煤灰土和粉質(zhì)黏土的動力響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明橡膠顆粒改良粉煤灰土適合作為季凍區(qū)路基填料。開展了季凍區(qū)改良土凍融循環(huán)下動回彈模量測定試驗，獲得了改良土隨凍融循環(huán)進行動回彈模量的變化規(guī)律。進行了季凍區(qū)改良土基質(zhì)吸力測量試驗，得到了改良土凍融循環(huán)條件下土水特征曲線，為后期研究的開展做足準(zhǔn)備；理論研究方面，提出了季凍區(qū)非飽和土路基的水-熱耦合模型并應(yīng)用試驗場地的試驗數(shù)據(jù)對數(shù)學(xué)模型進行了驗證，證明了本研究數(shù)學(xué)模型的可靠性，模型考慮了非飽和土的體積含水率，體積含冰率，滲透性，導(dǎo)熱性，冰水相變等特性，完全適用于季凍區(qū)非飽和土的路基的水熱耦合研究；實體工程應(yīng)用方面，根據(jù)課題組研究成果，保持了課題組冷阻層研究的主體，結(jié)合廢棄資源再利用理念，因地制宜，提出了XPS板 油頁巖廢渣改良粉煤灰土的冷阻層結(jié)構(gòu)，并依托工程鋪筑了試驗路，埋設(shè)相關(guān)傳感器，對研究成果的實際應(yīng)用效果進行后續(xù)跟蹤檢測評價。本項目研究按照研究計劃總體開展順利，研究成果能夠很大程度上解決季凍區(qū)路基凍害問題，對提高我國季凍區(qū)道路服務(wù)水平，節(jié)約道路養(yǎng)護維修費用具有重要意義。 2100433B

季凍區(qū)路基凍害是影響道路安全運營的常見病害，主要由路基土體內(nèi)部因素和環(huán)境外部因素共同作用導(dǎo)致。本課題在已有研究基礎(chǔ)上，提出設(shè)置路基冷阻層的新型路基形式，旨在減少路基上部凍結(jié)指數(shù)、減慢凍結(jié)速率、減小凍結(jié)深度，改善甚至是避免季凍區(qū)路基下部凍脹敏感土的凍結(jié)。本項目采用修正Berggren方程推導(dǎo)道路多層結(jié)構(gòu)的凍結(jié)指數(shù)及冷阻層理論厚度，通過室外凍脹實驗對新型路基結(jié)構(gòu)的保溫性、溫度場和水分場特性進行理論分析，并以二維水、熱輸移控制方程和有限元法對水熱耦合下路基溫度場、水分場進行計算，對多年后的水熱狀況進行預(yù)測。同時采用自制的凍融循環(huán)試驗機對冷阻層的耐久性作出評價。對于冷阻層的整體穩(wěn)定性，采用彈性層狀理論，借助數(shù)值分析方法，在最佳厚度的前提下，對半剛性基層在荷載作用下橫豎向變形，底部拉應(yīng)力進行了分析，從而確保新型路基結(jié)構(gòu)的正常使用。