路基冻害简介

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。均匀冻胀一般情况并不构成冻害。冻害严重地段往往伴生翻浆冒泥、道砟陷槽、基床土侧挤等病害。

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，见图《路基冻害机理》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。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。所以在冻结过程中，增长着的冰晶不断从临近的水化膜中夺走水分，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。

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。所采取的预防措施通常是：

(1)经常保持道床清洁，防止泥土杂物混入道床，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)入冬前，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。

整治冻害必须贯彻和遵循两个原则：

一是消除不均匀冻胀。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。

二是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。 2100433B

本项目针对季冻区路基冻害问题，提出设置冷阻层结构来解决冻害问题的思路。从数值计算、试验研究、理论研究和实体工程应用等方面对冷阻层结构展开研究。数值计算方面，根据收集到的文献及基础试验得到的基本参数，对冷阻层结构进行了理论计算和设计，并结合实际应用背景，给出了结构层最优设计参数；试验研究方面，开展了橡胶颗粒改良粉煤灰土的配合比试验研究，得到了改良土的最优配合比。进行了冷阻层室外模型试验，对设置和不设置冷阻层结构路基结构在经历一次冻结过程中的结构内部温度分布进行对不，评价了冷阻层结构的保温性能。进行了冻融循环条件下的动力响应试验研究，分析了不同加载频率、不同载重、不同冻融循环次数下橡胶颗粒改良粉煤灰土和粉质黏土的动力响应规律，结果表明橡胶颗粒改良粉煤灰土适合作为季冻区路基填料。开展了季冻区改良土冻融循环下动回弹模量测定试验，获得了改良土随冻融循环进行动回弹模量的变化规律。进行了季冻区改良土基质吸力测量试验，得到了改良土冻融循环条件下土水特征曲线，为后期研究的开展做足准备；理论研究方面，提出了季冻区非饱和土路基的水-热耦合模型并应用试验场地的试验数据对数学模型进行了验证，证明了本研究数学模型的可靠性，模型考虑了非饱和土的体积含水率，体积含冰率，渗透性，导热性，冰水相变等特性，完全适用于季冻区非饱和土的路基的水热耦合研究；实体工程应用方面，根据课题组研究成果，保持了课题组冷阻层研究的主体，结合废弃资源再利用理念，因地制宜，提出了XPS板 油页岩废渣改良粉煤灰土的冷阻层结构，并依托工程铺筑了试验路，埋设相关传感器，对研究成果的实际应用效果进行后续跟踪检测评价。本项目研究按照研究计划总体开展顺利，研究成果能够很大程度上解决季冻区路基冻害问题，对提高我国季冻区道路服务水平，节约道路养护维修费用具有重要意义。 2100433B

季冻区路基冻害是影响道路安全运营的常见病害，主要由路基土体内部因素和环境外部因素共同作用导致。本课题在已有研究基础上，提出设置路基冷阻层的新型路基形式，旨在减少路基上部冻结指数、减慢冻结速率、减小冻结深度，改善甚至是避免季冻区路基下部冻胀敏感土的冻结。本项目采用修正Berggren方程推导道路多层结构的冻结指数及冷阻层理论厚度，通过室外冻胀实验对新型路基结构的保温性、温度场和水分场特性进行理论分析，并以二维水、热输移控制方程和有限元法对水热耦合下路基温度场、水分场进行计算，对多年后的水热状况进行预测。同时采用自制的冻融循环试验机对冷阻层的耐久性作出评价。对于冷阻层的整体稳定性，采用弹性层状理论，借助数值分析方法，在最佳厚度的前提下，对半刚性基层在荷载作用下横竖向变形，底部拉应力进行了分析，从而确保新型路基结构的正常使用。