路基凍害

土凍結(jié)時(shí)在一定條件下會(huì)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(shuō)很多，目前普遍認(rèn)為起主要作用的是“薄膜水遷移理論”。

物理學(xué)認(rèn)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(shí)，會(huì)在土顆粒表面形成一薄膜水層，見(jiàn)圖《路基凍害機(jī)理》所示。

最里層的水分子吸附力最大，為強(qiáng)結(jié)合水，水分子不能自由活動(dòng)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(yùn)動(dòng)和在負(fù)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(shí)它們的弱結(jié)合水層便會(huì)在土顆粒和水分子引力作用下達(dá)到相對(duì)的平衡狀態(tài)。當(dāng)上部土體發(fā)生凍結(jié)時(shí)，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(shí)，減薄了的水膜就會(huì)從鄰近處抽吸水分來(lái)補(bǔ)充，以恢復(fù)平衡。所以在凍結(jié)過(guò)程中，增長(zhǎng)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(bǔ)充，這樣，不斷地依次傳遞就形成了凍結(jié)時(shí)下部土體的水分向凍結(jié)峰面的遷移。

整治凍害必須貫徹和遵循兩個(gè)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(dá)到合乎要求的標(biāo)準(zhǔn)。

二是強(qiáng)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(duì)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(zhēng)取達(dá)到根除凍害的目的。 2100433B

凍害為土體在凍結(jié)過(guò)程中因凍脹所引起的病害。由于土中的水在凍結(jié)過(guò)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(shí)又會(huì)發(fā)生沉陷。水分遷移是凍土中主要的物理力學(xué)過(guò)程，是路基產(chǎn)生凍害的基本原因。

冬季凍結(jié)，春季開(kāi)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(guó)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(guò)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。

在養(yǎng)護(hù)維修工作中，必須堅(jiān)持以預(yù)防為主，采取預(yù)防與整治相結(jié)合的原則，認(rèn)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(shí)清除土壟。

(2)保持路肩和邊坡平整，無(wú)裂縫、無(wú)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(xiàng)排水設(shè)備防寒工作，保持其狀態(tài)良好，不凍結(jié)，無(wú)損壞。準(zhǔn)備必要的保溫材料，以便隨時(shí)應(yīng)用。

在凍害發(fā)生后，應(yīng)詳細(xì)、認(rèn)真地進(jìn)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(shí)間及發(fā)展過(guò)程；二是進(jìn)行鉆探或挖驗(yàn)：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(yàn)等。為整治凍害提供充分的依據(jù)。

本項(xiàng)目針對(duì)季凍區(qū)路基凍害問(wèn)題，提出設(shè)置冷阻層結(jié)構(gòu)來(lái)解決凍害問(wèn)題的思路。從數(shù)值計(jì)算、試驗(yàn)研究、理論研究和實(shí)體工程應(yīng)用等方面對(duì)冷阻層結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究。數(shù)值計(jì)算方面，根據(jù)收集到的文獻(xiàn)及基礎(chǔ)試驗(yàn)得到的基本參數(shù)，對(duì)冷阻層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論計(jì)算和設(shè)計(jì)，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用背景，給出了結(jié)構(gòu)層最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)；試驗(yàn)研究方面，開(kāi)展了橡膠顆粒改良粉煤灰土的配合比試驗(yàn)研究，得到了改良土的最優(yōu)配合比。進(jìn)行了冷阻層室外模型試驗(yàn)，對(duì)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(guò)程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布進(jìn)行對(duì)不，評(píng)價(jià)了冷阻層結(jié)構(gòu)的保溫性能。進(jìn)行了凍融循環(huán)條件下的動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)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(dòng)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(kāi)展了季凍區(qū)改良土凍融循環(huán)下動(dòng)回彈模量測(cè)定試驗(yàn)，獲得了改良土隨凍融循環(huán)進(jìn)行動(dòng)回彈模量的變化規(guī)律。進(jìn)行了季凍區(qū)改良土基質(zhì)吸力測(cè)量試驗(yàn)，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(kāi)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(yàn)場(chǎng)地的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)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(shí)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(yè)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(yàn)路，埋設(shè)相關(guān)傳感器，對(duì)研究成果的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行后續(xù)跟蹤檢測(cè)評(píng)價(jià)。本項(xiàng)目研究按照研究計(jì)劃總體開(kāi)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(wèn)題，對(duì)提高我國(guó)季凍區(qū)道路服務(wù)水平，節(jié)約道路養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用具有重要意義。 2100433B

季凍區(qū)路基凍害是影響道路安全運(yùn)營(yíng)的常見(jiàn)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?jī)鼋Y(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?jī)雒浢舾型恋膬鼋Y(jié)。本項(xiàng)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(guò)室外凍脹實(shí)驗(yàn)對(duì)新型路基結(jié)構(gòu)的保溫性、溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)特性進(jìn)行理論分析，并以二維水、熱輸移控制方程和有限元法對(duì)水熱耦合下路基溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)多年后的水熱狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)采用自制的凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)對(duì)冷阻層的耐久性作出評(píng)價(jià)。對(duì)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(duì)半剛性基層在荷載作用下橫豎向變形，底部拉應(yīng)力進(jìn)行了分析，從而確保新型路基結(jié)構(gòu)的正常使用。