多年冻土区路基的结构设计分析

２００７年１月　第１期（总１００）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ曼ＯＣＩＥ！　铁道工程学报　ＮＯ．１（Ｓｅｒ．１００）　文章编号：１００６—２１０６（２００７）０１—００９２—０４　多年冻土区路基的结构设计分析　叶阳升　罗梅云¨　（铁道科学研究院铁道建筑研究所，　北京１０００８１）　摘要：研究目的：本文从分析冻土区路基表层的冻胀特征和底层的融沉特征入手，提出路基结构设计中冻土区　路基表层的防冻胀措施以及低含冰量冻土和高含冰量冻土路基的防热融措施。　研究结论：认为按地质和地温条件处理冻土，保持多年冻土上限不下降后，路基结构按“封闭系统”冻结　条件进行设计，表层冻融层内用不冻胀的粗粒料填筑，其它部分按常规路基设计，即可满足多年冻土区路基结　构功能的要求。　关键词：多年冻土；季节融化层；上限；冻胀；融沉　中图分类号：Ｕ２１３．１　文献标识码：Ａ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｉｎ　Ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ　Ｒｅｇｉｏｎ　ＹＥ　Ｙａｎｇ—ｓｈｅｎｇ，ＬＵＯ　Ｍｅｉ—ｙｕｎ　（Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｕｒｐｏｓｅｓ：Ｔｈｅ　ａｎｔｉ—ｆｒｏｓｔ　ｈｅａｖｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｉｎ　ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ　ｒｅｇｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｎｔｉ—ｈｅａｔ　ｔｈａｗｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｏｆ　ｐｏｏｒ　ａｎｄ　ｒｉｃｈ　ｉｃｅ　ｆｒｏｚｅｎ　ｓｏｉｌ　ａｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｆｒｏｓｔ　ｈｅａｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｂｏｔｔｏｍ　ｔｈａｗｉｎｇ　ｏｆ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｉｎ　ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ　ｒｅｇｉｏｎ．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ：Ｉｔ　ｉｓ　ｂｅｌｉｅｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｉｎ　ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ　ｒｅｇｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｓａｔｉｓｆｉｅｄ　ｂｙ　ｍａｋｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｒｏｚｅｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ“ｅｎｃｌｏｓｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ”，ｆｉｌｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｌａｙｅｒ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｕ￣ａｃｅ　ｂｙ　ｕｎｆｒｏｚｅｎ　ｃｏａｒｓｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　ｍａｋｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｓｔ　ｐａｒｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｌｉｋｅ　ｏｒｄｉｎａｒｙ　ｓｕｂｇｒａｄｅ，ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ　ｉｓ　ｔｒｅａｔｅｄ　ｉｎ　ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｐｐｅｒ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ　ｉｓ　ｎｏ　ｌｏｎｇｅｒ　ｌｏｗｅｒｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ；ｓｅａｓｏｎａｌ　ｔｈａｗｉｎｇ　ｌａｙｅｒ；ｕｐｐｅｒ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ；ｆｒｏｓｔ　ｈｅａｖｉｎｇ；ｔｈａｗｉｎｇ　多年冻土区的路基不同于一般地区的路基，主要　在于路基表层为季节冻融层，下部为多年冻土层。在　低温季节，如果填料和排水不良，路基面将产生较大的　不均匀冻胀和寒冻裂缝，暖季时会出现路基翻浆。而　基底的多年冻土层受施工和不良地质因素的影响，会　出现路堤融沉、向阳侧路肩及边坡开裂、下滑，路堑边　坡溜塌等病害，严重时会影响运营的安全。因此，对多　年冻土区路基结构的设计，除满足一般地区路基设计　’收稿日期：２００７—０１—１５　作者简介：叶阳升，１９６６年出生，研究员，１９８９年毕业于清华大学土木工程系，１９９２年和１９９６年相继获铁道科学研　究院岩土工程专业硕土学位和博士学位。目前担任铁道科学研究院铁道建筑研究所所长，是铁道部专业技术带头人，并　担任中国土木工程学会常务理事、中国土木工程学会土力学基础工程分会副理事长、国际土力学及岩土工程学会会员、　中国振动工程学会土力学学会理事及中国土木工程学会隧道及地下工程分会理事等学术团体职务。主要从事铁路路基　工程的研究设计工作，近年来主持和参加完成的国家及铁道部科研项目２０余项，涉及软土路基、重载路基、青藏铁路、客　运专线及高速铁路路基等方面的试验研究及相关标准的制定，对国内外岩土工程专业技术领域的发展较为熟悉。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　叶阡Ｉ升罗梅云：多年冻土区路基的结构设计分析　９３　的要求外，还需考虑与路基冻胀与热融稳定性有关的　工程地质问题。　变形，坡脚外侧出现地表隆起（见图１）；而缓慢沉落　可延长至几年的时间，由于年复一年的变化，形成了路　基基底融化凹槽，使病害继续发展。　路基的融沉与气候、土质、线路走向、路堤高度、排　水设施和施工季节有关，这郁是路基设计时需考虑的　１　冻土区路基的变形特征　多年冻土地区的路基变形除包括受轨道上部结构　和列车的振动作用引起的基床变形、路堤本体压实变　形外，还包括多年冻土地区路基表层的冻胀变形和基　底上限下移的融沉变形。对于一般地区的路基设计，　可通过强化基底处理、采用优质填料等措施来满足路　基使用功能的要求，而多年冻土地区路基的设计则因　冻胀和融沉变形影响因素的复杂仍处于不断的研究和　改进之中。　１．１冻土区路基表层的冻胀特征　路基冻结时，土中水体积膨胀９％，未冻区的水分　向冻结锋面迁移相继发生膨胀，其总冻胀量约为迁移　水量的１．０９倍。因此，路基的冻胀量主要决定于冻结　时的水分迁移量，其迁移量决定于土质、水的来源和冻　结条件。其中，冻结条件为当年的负温总量和冻结速　率，当天气严寒、年负温总量和冻结速率大时，冻胀量　相应就大。土质条件包括颗粒大小，矿物成分以及交　换盐成分，当土的颗粒越粗、细粒含量越少时，排水条　件好，路培不易发生冻胀；而颗粒越细、水分难以排出　时，则容易发生冻胀。路基冻结时的水分来源包括秋　冻前降雨量、冻结时外来水的补给等，当土冻结时无外　来水补给，路基处于“封闭系统”条件下冻结时，冻胀　量则小，而有外来水补给时冻胀量相对较大。在多年　冻土的低温冻土区，路基的冻结与多年冻土层衔接时，　路基为舣向冻结，冻结速度快、冻胀相对较轻；而高温　冻土区，活动层厚度一般较大，冻结速度较慢，当土质　和水分适宜时，冻胀量相对严重。　多年冻土地区路基表层冻胀的外部特征主要表现　为突发性的隆起和回落，冻害的期限较长，造成线路短　距离范围内的不均匀冻胀，线路平顺度超限（见图１）。　由于寒季负温作用水分向上迁移，路基土上部含水量　增加，暖季融解冻时，由于昼夜温差较大，出现反复冻　融，使路基上部压缩性加大、承载力降低，当水分饱和　时，在列车动载作用下会引起路基基床或道床翻浆，造　成路基病害。　１．２路基底层的融沉特征　在多年冻土地区，由于地下冰层埋藏较浅，在路基　施工及运营过程中受各种人为因素的影响，改变了原　来的热平衡状态，路基冻土层上限下降、基底冻土融化　而强度随之急剧下降，在土体自重和外力作用下产生　沉陷，基底中心形成凹陷蓄水，促使了路基继续下沉。　其表现为急剧沉落和缓慢沉落２种类型，急剧沉落在　一个夏季路基底层会下沉０．５　ｍ以上，造成路基严重　因素。如路基较高时冻土的热阻增加，有利于上限的　上升，而路堤较低时热阻较小，上限上升的因素弱于下　降的因素，上限一般下降。当路堤高度使得路基冻土　上限不变或上升时，则为路堤“最小临界高度”，这是　路基设计时的重要指标。又如，路堤修建后改变了地　下水和地表水的迳流条件，当排水措施不力时，带有热　量的地表水会渗入路基冻土中，造成冻土的融化。路　堤的施工季节对保护冻土上限非常重要，夏季施工条　件虽好，但地表容易受到较大的扰动，加之雨量较大，　填土质量不易控制，填料的蓄热对保护冻土也很不利，　现在的施工一般在春融期间，具有填料蓄热少又容易　压实的特点。　多年冻土Ｊ：限　图１路基表层的冻胀变形和底层融沉变形示意图　２路基防冻害的设计措施　路基的冻胀或是融沉，都是由水分、温度和土质的　变化而引起的，因此，防治路基冻害的措施，必须能阻　止这３项中的１项或多项发生变化。　２．１路基表层的防冻胀措施　总结国内外防治冻害采用的措施种类很多，路基　表层防冻害主要有防水、隔水和隔热保温等措施。其　中防水措施主要有采用渗水填料、提高压实度、保持表　面平整并设横向排水坡等，排水隔水措施主要是建立　完善的排水系统、设置隔水层等，隔热保温主要有设置　炉渣保温层及铺聚乙烯、聚氨酯保温板等措施。在选　择防治措施时，首先需要调查分析冻害形成的原因和　规律，对于新建铁路，需在设计和施工中预先采取预防　措施，在各种治理措施中，应首先考虑排水、隔水，使路　基处于“封闭体系”的类型冻结，而后再考虑其它措施　配合。同时要因地制宜，尽量做到就地取材，经济合理。　２．２路基底层的防热融措施　为了不使多年冻土层因受热融化而使路基失去稳　定，必须做到加强地面排水、控制路基的高度和保护好　多年冻土层的天然上限。　如何保护好天然上限，以往的研究从冻土区的工　维普资讯 http://www.cqvip.com

９４　铁道工程学报　２００７年１月　程地质和地形地貌等方面着手，根据勘测提供的冻土　上限可能的活动情况和基底冰层总含水率，决定采用　大趋势下更是如此，必须改变沿用的消极被动保护冻　保护多年冻土的设计原则或是破坏多年冻土的设计原　则，并认为路基融沉的关键是基底为富冰冻土或厚层　地下冰的融化所致，而融化的主要原因是地表水的渗　土的措施，采用对流和热传导主动冷却地基　的办法，以确保路基工程的稳定。近期国内外着重研　究了多年冻土层的稳定性与地温的关系，认为年平均　地温及地温变化深度与纬度地带、气温、环境等变化有　入，因此，采用了保温护道、排水沟、抬高路堤高度和在　路堤中铺设保温材料等方法。近年的实践证明，抬高　着密切的关系，它是判别多年冻土生存条件和发展变　化趋势的主要特征指标，也是评价冻土稳定性的重要　路堤高度或铺设保温材料保护冻土的方法，不可能完　全消除冻土路基的融化下沉，尤其在全球气温升高的　指标。结合这些因素，归纳多年冻土路基下部融沉处　理的措施见表１。　表１　多年冻土路基下部融沉处理的措施　工程分类　低含冰量　少冰冻土　冻土　多冰冻土　地温分区　，　，　低温稳定区　ＴｃＰ＜一２．０　ｃｌＣ　融沉特性　设计原则　措施　不融沉　（１）地质条件好的不处理；　弱融沉　按一般路基设计　（２）地质条件不好时要在冻深范围内换填　，低温基本稳定区　一融沉　１．Ｏ　ｃｌＣ＞　≥一２．０　ｃｃ　按保护冻土设　（１）路基的高度要大于临界高度；　计　（２）低路堤、零断面及路堑要进行基底换填　Ｐ高　含　冰　量　富冰冻土　饱冰冻土　含土冰层　高温不稳定区　ｃ＞　一０５　ｃｌＣ　Ｐ≥一１０　ｃ．．融沉　（１）路基的高度大于临界高度；　　按保护冻土或　（２）设保温护道；延缓多年冻土　（３）采用碎片石通风路基；　融化设计　（４）采用通风管、采用热棒；　（５）采用碎石护坡、护道路堤；　（６）综合措施　、冻　士　高温极不稳定区　≥一０．５　ｃｌＣ　ｃＰ融沉　（１）当路堤临界高度存在时，可采用热棒、片石路　按延缓多年冻　基等保护冻土措施；　土融化、或破坏　（２）当路堤临界高度不存在时，可挖除含冰冻土、　多年冻土设计　进行换填处理；　（３）以上２条都不能保证路基稳定时，宜采用低架　旱桥代替填土路基　３　多年冻土区路基的结构设计　对多年冻土区的路基结构进行设计的前提是路基　底层按表１进行地基融沉处理后，路基处于无地表水　层冻胀量不大。当路基底层经排水隔水处理后，则路　基表层为由上而下单向冻结，水分主要集中在季节冻　结层上部，形成含水量（包括含冰量）上大下小的双层　冷生构造，如图２（ｃ）所示，路基表层冻胀量也不大。　和毛细水浸入的条件下，进行路基表层的防冻融变形　和路基本体的变形设计。　３．１保持路基处于“封闭系统”中冻结　但当季节冻融层与地下冰层不衔接，地下水位在冻结　线附近时，则路基以“开敞体系”的类型冻结，含水量为　上小下大的梯形分布，如图２（ｂ）所示，此时路基表层的　路基中的水分是影响路基土体的稳定性及强度的　主要因素，从路基底层的融沉分析，冻土区降水量一般　都集中在气温较高的６—９月份，水中积累了大量的　热能，如果地表排水不畅，坡脚积水，横向渗透至路堤　冻胀量会很大。因此，冻土区的路基结构应有良好、完　善的排水系统，确保路基地表水和地下水不浸入土体，　使路基处于“封闭系统”中冻结，这对路基的防冻设计　是非常重要的。　３．２路基表层填筑不冻胀材料　基底时，基底冻土吸热产生热交换作用，使得冻土融　化，上限下降，形成路基热融沉陷等病害。　对于路基表层的来说，同时受地下水、地表水和大　气降水的影响，路基均会发生不同程度的冻胀。当季　节融化层与地下冰层衔接时，由于地下冰层的存在，路　基冻结时无外来水的补给，基本以“封闭体系”的类型　冻结，冻结时路基水分向地表和多年冻土层上限２个　方向转移，形成双向冻结，如图２（ａ）所示，此时路基表　从经济和易于施工考虑，为防治路基表层的冻胀　和融沉，多年冻土区路基季节冻融层中填筑不冻胀填　料最为适宜。填料的不冻胀标准有２种，一是该土排　水性能好、土中无水滞留不会发生冻胀，如细颗粒含量　小于５％的碎石、砾石和砂类土，只要有排水路径，则　不会冻胀；另一种标准是有轻微冻胀但不影响构筑物　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　叶阳升罗梅云：多年冻土区路基的结构设计分析　９５　（ａ）　（ｂ）　（ｃ）　图２路基冻结层内含水量的分布示意图　的安全时也称为不冻胀土，如细颗粒含量小于１５％的　碎石、砾石和砂类土。我国建筑系统评价地摹冻胀性　时，用相对冻胀量冻胀率　≤１％定为不冻胀土。而　铁道科学研究院根据大量室内试验及现场分析，提出　用绝对冻胀量Ａｈ评价路基的冻胀性，认为Ａｈ≤４　ｍｍ　时，路基变形对轨道状态影响不大。用于路基冻融层　中的填料应不低于一般路基设计的填料标准，并以纯　粗粒土、细粒含量小于１５％的砾或细粒含量小于５％　４　３　的砂作为不冻胀土填筑。也可按现行路基没计规范中　有选择的Ａ、Ｂ、ｃ组填料填筑，见表２。　表２用于防冻层中的Ａ、Ｂ、Ｃ组填料　土组　Ｌ号　土名　级配　细粒　含量　１　漂石、卵石、碎石、粗砾、细砾、　级配　＜５％　Ａ　砾砂、粗砂、中砂　良好　２　漂石、卵石、碎石、粗砾、细砾　级配　５％一良好　１５％　　３　漂石、卵石、碎石、粗砾、细砾、　级配　＜５％　Ｂ　砾砂、粗砂、中砂、细砂　不好　４　漂石、卵石、碎石、粗砾、细砾　级配　５％一　不好　１５％　Ｃ　７　细砂　级配　＜５％　不好　３．３提高填料的压实度　控制路基中的水分和压实密度，是防治路基冻融　的必要条件。室内试验表明，土的密度与冻胀强度并　非成正比关系，当密度较小时，冻胀量随土体的密度增　加而增大，并在某一界限值时冻胀量达到峰值，超过这　一限值后，冻胀量又随着密度的增加而减小，直至不发　生冻胀。分析这一现象，是由于土体松散时，土的挤密　只是缩小了土体的孑Ｌ隙，有利于土体冻结时水分的迁　移和积聚，土中的水分含量并没有改变，所以冻胀量随　之增大，但当土的密度继续增加并逐渐达到饱和时，土　的薄膜水迁移处于最有利条件，冻胀量达到顶峰，而后　在两相体系中，土的密度增加使得土体的含水量与水　分迁移量下降，出现冻胀量随密度的增加而下降的现　象，如图３所示。　铁道科学研究院通过大量的室内冻胀试验，得出　粗粒土干密度约在１．７　ｇ．／ｅｍ　范围内土体的密度与冻　胀强度成正比关系，超过该值后，土体的密度与冻胀强　度成反比关系；而对于细粒土来说，压实度Ｋ　＝０．９３　的冻胀量比Ｋｈ＝０．９０时大，而Ｋｈ＝０．９５的冻胀量小　比Ｋｈ＝０．９３的冻胀量小。由此可见，粗粒土干密度约　在１．７　ｇ／ｃｍ　、细粒土的压实度Ｋ　ｉ＞０．９３后，土体的冻　胀强度随密度的增加而减少。从工程实践米看，当粗粒　土的干密度大于１．９５　ｇ／ＣｌＴＩ　后，在轨道及列车荷载作　用下土体基本不发生变形。因此，为满足防冻和变形的　要求，路基填筑中粗粒土的干密度应大于１．９５　ｇ／ｃｍ　、　细粒土的压实度应控制在０．９３以　为宜。　１　０　０．８　ｌ　１．２　１．４　１．６　１．８　干容重　／（ｇ・ｃｍ。）　图３干密度的变化对冻胀的影响　４　结论　多年冻土区路基结构的设计中首先应对地基冻土　作上限不下降的处理，然后对路基表层冻融范围内进　行抗冻设计，其它部分的结构仍可按一般路基的要求　进行设计。防止路基表层冻融的简单而有效的方法是　填筑不冻胀填料，根据铁路列车运营安全、舒适及便于　维修的需要，建议填筑细粒含量小于１５　ｍｍ的碎石　类、砾石类土以及细粒含量小于５　ｍｍ的砂类土，其优　点是可以不因雨、雪影响土中含水蕈而冻胀，是冻融层　内的良好填料。为了满足路基强度、刚度和防冻的要　求，冻结层内的填料的压实标准应不低于现行设计规范　中的各种标准，且粗粒土的干密度应大于１．９５　ｇ／ｅｒａ　，　细粒土的压实度不小于０．９３，这样即使有些填料不能　完全满足抗冻的要求，也不至于引起大的冻胀变形，以　保证轨道的平顺性和列车的运行安全。　参考文献：　［１］赵云龙．铁路路基冻害及防治［Ｍ］．北京：中国铁道出版　社．１９８４．　［２］　童长江，管枫年．土的冻胀与建筑物冻害防治［Ｍ］．北京：　水利电力出版社，１９８５．　［３］　铁道部科技教育司，等．国外铁路冻土技术文献汇编　［Ｇ］．北京：铁道部科技教育司，２００１．　［４］　青藏铁路公司．青藏铁路技术文献汇编［Ｇ］．西宁：青海　人民出版社，２００４．　［５］ＴＢ　１０００１－－２００５，铁路路基设计规范［Ｓ］．　（编辑慕成娟）　辍懈拦始　２