基于拉林铁路路基冻害防治的路基施工质量控制研究

基于拉林铁路路基冻害防治的路基施工质量控制研究

分类号:U416.21710710-2014521208专业硕士学位论文基于拉林铁路路基冻害防治的路基施工质量控制研究小达瓦导师姓名职称陈玉副教授专业学位类别工程硕士申请学位类别硕士及领域名称交通运输工程论文提交日期2017年5月12日论文答辩日期2017年6月15日学位授予单位长安大学万方数据nnResearchonSubgradeconstructionqualitycontrolbasedonpreventionofLalinRailwaysubgradefrostdiseasesAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：XiaoDawaSupervisor：Prof.ChenYuChang’anUniversity，Xi’an，China万方数据nn万方数据nn摘要川藏铁路拉萨至林芝段位于青藏高原东南部，海拔在2950～3700m之间，处于多年冻土地区。多年冻土区工程实践表明，融沉和冻胀是多年冻土地基上工程结构物产生病害的主要原因，对铁路的正常运营和安全构成了严重威胁。因此，在拉林铁路路基施工建设过程中，必须考虑冻害对路基的不利影响，并采取有效的应对防治措施，减少地区自然地理条件对拉林铁路正常运行的不利影响。本文首先根据拉林铁路冻土区的冻害特征，对不同路基冻害类型及其形成机理进行探讨和分析，在拉林铁路沿线工程条件的基础上，对路基冻害的影响因素进行分析，并对路基冻害的防治措施进行了分类和总结；对拉林铁路的路基填筑施工过程进行了阐述和总结，并针对拉林铁路的路基冻害，采用了填料改良、人工盐渍法和挤密砂桩加固措施对路基施工的质量进行了控制；对整治后路基进行沉降观测和冻胀监测，结果表明：采用砂桩法、人工盐渍法、填料改良等措施对减少冻土路基沉降和冻胀的整治效果均比较良好，有效降低了冻害对路基的不利影响。关键词：冻土地区，铁路路基，冻害，施工质量控制i万方数据nABSTRACTLhasatoLinzhisectionofSichuantoTibetrailwayislocatedinthesoutheastpartoftheQinghaiTibetPlateauinpermafrostregionswithanaltitudeof3200mto3700m.Railwayroadbedcanbedividedintofrostdamage,roadbedsubsidence,extrusiondeformation,slopecollapseandotherdiseasesinaccordancewithforms.Andsubgradefrostdamageisthemostwidelyandthemostcommondiseaseincoldarea,especiallyinpermafrostregiondistributionofrailwayline,whichposesaseriousthreattothenormaloperationandsafetyofrailway.Therefore,theadverseeffectsoffrostdamageonsubgrademustbeconsideredinLalinrailwaysubgradeconstructionprocess,andeffectivemeasuresmustbetakentodealwithit.Thispaperfirstdiscussedthedifferenttypesandcausesofsubgradefrostdamage,theinfluencingfactorsofsubgradefrostdamagewereanalyzed,andthesubgradefrostdamagecontrolmeasureswereclassifiedandsummarized;Lalinrailwaysubgradefillingconstructionprocessweresummarized.FocusedonthesubgradefrostdamageofLalinrailway,fillingimprovement,artificialsalinemethod,andcompactedsandpileinthereinforcementmeasuresweretakenforsubgradeconstructionqualitycontrol.Afterthetreatmentsubgradesettlementwasobserved.whichshowedthatthesandpile,artificialsalinemethod,improvedsoilmeasuresforreducingpermafrostsubgradesettlementhadgoodtreatmenteffect,effectivelyreducingtheadverseeffectsofcolddamageonsubgrade.Keywords:Permafrostregions,railwaysubgrade,frostdamage,constructionqualitycontrolii万方数据n目录第一章绪论······························································································································11.1研究背景··························································································································11.2国内外研究现状··············································································································11.3本文主要研究的内容······································································································3第二章拉林铁路路基冻害影响因素及其防治措施······························································42.1拉林铁路工程概况··········································································································42.1.1地理概述··················································································································42.1.2气候特征··················································································································42.1.3工程地质条件··········································································································52.1.4水文地质特征··········································································································62.2路基冻害的形式··············································································································72.2.1冻胀··························································································································82.2.2融沉························································································································102.3路基冻害的影响因素····································································································102.3.1填料························································································································102.3.2水····························································································································122.3.3温度························································································································132.3.4荷载························································································································132.4路基冻害的防治措施····································································································132.4.1设置地下排水隔水设施························································································142.4.2换填非冻胀性材料································································································152.4.3物理化学法············································································································152.4.4增强建筑物抵抗能力····························································································162.4.5保温法····················································································································162.4.6化学加固措施········································································································172.5本章小节························································································································17iii万方数据n第三章拉林铁路路基的施工质量控制················································································183.1铁路路基填筑压实施工过程························································································183.1.1施工准备工作········································································································183.1.2基底处理················································································································193.1.3路基填筑················································································································203.1.4压实措施················································································································213.2路基施工质量控制········································································································223.2.1填料改良················································································································223.2.2人工盐渍化法········································································································313.2.3挤密砂桩加固措施································································································313.3本章小结························································································································33第四章拉林铁路路基整治效果评价····················································································344.1沉降观测························································································································344.1.1施工工后沉降控制标准························································································344.1.2路基沉降观测方法································································································344.1.3沉降整治效果评价································································································354.2冻胀测试························································································································394.2.1冻胀评价指标········································································································404.2.2冻胀测试方法········································································································414.2.3冻胀整治效果评价································································································424.3本章小结························································································································45第五章结论与展望················································································································465.1主要结论························································································································465.2展望································································································································46参考文献··································································································································47致谢······································································································································48iv万方数据n长安大学硕士学位论文第一章绪论1.1研究背景铁路路基的主要作用是承载基础车体的重量，同时要承受机车车辆的动力荷载。作为铁路轨道的基础，铁路路基不仅要保证机车车辆安全运行，同时还会受到各种不良气候（风沙、雨雪、严寒等）、不良地质条件（塌陷、滑坡等）以及人为因素等带来的影响，从而导致各种铁路路基病害频发。不同区域铁路路基病害按表现形式可分为冻害、翻浆冒泥、路基下沉、挤出变形、边坡塌方以及其它一些病害等。川藏铁路是进出西藏的重要通道，其中拉萨—林芝段为地处海拔3200～3700m之间青藏高原东南部地区的多年冻土地区。路基冻害是高原冻土地区铁路线上分布范围最广和最为常见的病害，对铁路的正常运营和安全构成严重威胁。本论文基于以上认识对拉林铁路路基冻害发生机理和冻害影响进行研究，对冻害防治技术和措施进行总结和分析，在此基础上采取具体的整治措施对川藏铁路拉林段的施工质量进行控制，并对整治后的路基质量进行评价。本研究对于冻土地区铁路路基冻害的整治和研究具有实际指导意义。1.2国内外研究现状二战之前，北美对Alaska和YukonTerritory等多年冻土地区进行了一些与铁路和公路建设过程相关的研究。1943年在地面上铺设了一条从诺曼韦尔斯油田到加拿大的怀特霍斯及阿拉斯加的费尔班克斯，长达2000km的输油管道(Canol管道)，由于受到多年[1]冻土融沉变形的不利影响，管道在第二年由于破坏严重而废弃。二战期间，针对在亚北极地区建设的军事工程，美国军事部门对工程冻土学开展了大规模研究。1961年美国陆军部为了解决在北极战争中所遇到的房屋、道路以及作战条件等问题，建立了寒区研究和工程实验室并开展了相关研究，取得了大量成果。修建阿拉斯加-加拿大公路，Normanwells-Alaska公路，机场跑道以及Alaska铁路等寒区工程，极大地促进了北美冻土工程的研究。针对冻土区筑路技术的研究工作，国内都有了相对较长的历史，甚至于可以追溯至20世纪初期。因为冻土区铁路的修建过程和运营过程往往伴随病害的发生发展，因此对1万方数据n第一章绪论于冻土区路基病害的研究一直是和路基本身稳定性研究密切结合的。多年冻土地区的冻土土体区别于其他土体的根本原因在于冻土是一种温度敏感性非常强的土体，且土体内含有地下水。在温度适宜的情况下，冻土的稳定相较好，然而在“温度适宜”的条件被打破后，冻土的力学行为将会产生一系列的复杂变化，变化的结果即是导致冻土承载的工程构造物的稳定性产生变化。另一方面，在冻土地区铺设道路及铁路也会造成冻土状况（环境）的重大改变，冻土融化会带走土体中的细小填充颗粒导致土体透水性发生变[2]化。发生这些现象主要是因为路基改变了地表条件和与之相关联的地表能量的平衡。由于路基的施工导致地表的扰动造成了更暖的地表条件，这将导致多年冻土的融化，继而引起路基的沉降。上述过程造成路基及其附近地带的变形，具体表现为地面产生不均匀沉降而导致路线倾斜，严重影响铁路行车安全和行车速度。研究人员对冻土路基冻害的防治进行了诸多试验探究和理论分析。[3]2002年，吉林大学张喜发根据冻融工地现场进行资料收集，并对冻害进行实地调查后，通过对低温室中的单向固结仪中的融沉试验进行改进后，得出了季节冻土区道路病害不能仅仅用冻胀试验指标实现评价，并计算得出了融沉系数与冻害的各影响因素之间的权重，并将研究成果应用于实际工程中。[4]2003年，胡宇等针对聚氯乙烯泡沫塑料保温板具有的保温和抗冻效果，进行试验，试验结果显示，聚苯乙稀泡沫塑料在应用于冻融路基中，可以有效的降低路基冻土和实际地面土体之间的热交流，是对抗路基冻害的有效方法。[5]2006年王铁行通过对土体内的体积力及冻胀力进行分析，并采用了拉破环热弹性力学分析的方法进行分析，得到了多年冻土路基变形分布和冻土内演变的规律，并得出了采用低冻胀性土体来用于路基修建是正确的，其可有效降低冻胀的演变速度，防止路基纵向裂缝的产生。[6]2009年钟敏辉等总结介绍了冻土区路基土冻胀的机理，并有针对性的对影响路基冻胀的影响因素进行了具体分析，同时根据工程实际经验提出了对应的解决办法。[7]2010年中铁西北科学研究院冻土研究室的杨永鹏等以青藏铁路清水河试验段试验为依托，对通风管路基的温度变化的特点进行了系统的研究，研究基础为路基内通风管下米范围内和边坡所在的位置进行研究，结合冻土上限位置的热量的交换以及通风管内外的温差，得出了通风管路基对保护多年冻土是有效的。通过研究得出，通风管路基2万方数据n长安大学硕士学位论文能够非常好的适应青藏高原严寒的气候环境，其有效的降低了冻土区的路基灾害的发生，同时也保护了高原地区的环境，其作为一种新的冻土区的路基结构形式，为高海拔冻土地区的铁路建设和安全运营开拓了新天地。冻土地区修建铁路时，确保路基的稳定性一直是业内关注的焦点，在理论研究的同时，更需要不断地进行工程实践的创新和检验。如何利用现有的手段实现对冻土区铁路路基稳定性问题的系统研究，并针对研究成果提出切实可靠的保证路基长期稳定性的工程实践措施，已成为高原冻土地区铁路建设中亟待解决的技术问题。1.3本文主要研究的内容围绕拉林铁路路基冻害的路基施工质量控制，本文对以下几方面进行了研究：（1）根据拉林铁路的冻害特征以及沿线工程条件，对路基冻害的类型和发生机理进行研究，分析总结路基冻害的影响因素，并对路基冻害的防治措施进行分类和总结。（2）对拉林铁路的路基填筑施工过程进行阐述和总结，并针对拉林铁路的路基冻害，采用填料改良、人工盐渍法和挤密砂桩加固措施对路基施工的质量进行控制。（3）对整治后路基的沉降和冻胀进行监测，并对整治效果进行评价。3万方数据n第二章铁路路基冻害影响因素及其防治措施第二章拉林铁路路基冻害影响因素及其防治措施拉林铁路经过连续多年冻土区，多年冻土是拉林铁路建设面临的主要工程地质问题之一。多年冻土地区铁路路基的冻害类型分为冻胀和融沉，这也是拉林铁路建设主要面临的难题。本章在拉林铁路沿线工程条件的基础上，首先对不同路基冻害类型及其形成机理进行探讨，并对路基冻害的影响因素进行分析，在此基础上提出防治措施。2.1拉林铁路工程概况2.1.1地理概述拉林铁路是川藏铁路、滇藏铁路、甘藏铁路的共有铁路段，其交通意义非常重要，[8]具有连通三线的重要价值。拉林铁路同样也是青藏铁路的一条支线，青藏铁路共有三条支线工程，拉林铁路、拉日铁路、日亚铁路三线与青藏铁路形成一个Y字形，三线全部通车之后，青藏铁路的总长度将会达到2000km以上，如图2.1为其地理位置。拉林铁路为快速铁路，设计时速160km/h，全线共经34个车站，其车站密度在全国绝无仅有，拉林铁路的建设对于拉动内需，缩短西藏人民的贫富差距具有重要意义。图2.1拉林铁路地理位置2.1.2气候特征拉林铁路所经路段深处大陆内部，位于我国青藏高原冻土区，其地形地貌主要为高原腹地，除少数地区受印度洋海洋性气候以及内陆干旱气候影响之外，绝大部分地段为显著的冰原干旱性气候，具有一般的高原气候特征，气候特征随海拔的升高具有明显的垂直分布特性。拉林铁路所经地区蒸发量远大于降水量，由于其位于高山高海拔地区，区内降水多为雨雪冰雹，气候寒冷干燥，空气稀薄，气压极地，冻结期长达半年以上。4万方数据n长安大学硕士学位论文根据高原冻土区内各气象站资料，该区域内年平均气温为-2℃~-6.9℃，最高气温6.5℃~8.1℃，最低气温-14.5℃~-17.4℃，每日的日平均气温温差为10~19℃。近年来，由于全球变暖现象的影响，高原地区的气温融化指数逐年增大，相应的其冻结指数正在逐年减小。多年冻土区内的冻土开始发生退化融解现象，气温的逐年升高导致冻土自身的成分和结构发生了变化，致使多年冻土融化，甚至变为季节冻土，这实质上是由于气温升高使冻土区内的换热量变大，从而使地温升高。根据现有资料可知，气温的升高主要对冻土的温度场有所影响，其影响主要为以下两个方面：（1）较低的气温是多年冻土得以维持的重要能量条件，随着气候的变暖，冻土地区的气温逐年升高，其地温同样随之变化，冻土区地温的升高严重影响了铁路的路基稳定性，路基的温度场已呈现出向不稳定方向发展的趋势，若未来气温仍持续升高，多年冻土区铁路路基工程的建设将面临极大的挑战。（2）冬季温度的升高使冻土区的冻结指数逐年减小，融化指数逐年增大，其抗冻结能力减弱，导致冻土区路基抗干扰和恢复热平衡的能力降低。2.1.3工程地质条件拉林铁路全线均处在高原腹地中，海拔处在2950～3700m之间，腹地位于唐古拉山、喜马拉雅山以及冈底斯山脉之间的谷底中。以板块构造学的角度来看，拉林铁路线路途经雅鲁藏布江与青藏高原冈底斯山脉的缝合带，断裂带和线性褶皱广泛分布，断裂带由东向西扩展，宽度多数大于100m，规模巨大。由于线路所处地段在喜马拉雅地震带上，沿线大地构造背景复杂，受构造影响大，滑坡、崩塌、沙漠化等物理地质现象极为发育，因此对线路的稳定性造成很大的威胁。根据对区域资料的调查以及线路的实地考察，拉林铁路工程冻土地段主要有如下几种的不良地质现象：(1)厚层地下冰：拉林铁路所经区段内分布有一定数量的厚层地下冰，地下冰是一种对温度变化极为敏感的冰层，其厚度变化范围较大，从十几厘米到几十厘米不等，埋深较深，深度一般大于10m。由于厚层地下冰的埋深特点与温度敏感性，导致其在路线的修筑阶段不易被发现和绕避，当路线修筑时对其进行人为扰动或路基开挖时，冰层便会快速融化，给铁路路基的施工和维护造成困难。(2)高含冰量冻土：高含冰量冻土的埋藏深度和厚度的规律性较差，是热融条件下造5万方数据n第二章铁路路基冻害影响因素及其防治措施成滑坝、沉陷和湖塘等地质灾害的主要诱因，从而导致铁路路基下沉、桥涵基础沉降以及房屋开裂等工程构筑物破坏。(3)冰椎、冻胀丘：冰锥和冻胀丘是多年冻土区分布极为普遍的现象。其中冰锥的分布最为普遍，但绝大部分具有季节性，灾害性较小。相比于冰锥，冻胀丘的分布较少，但其形成时会产生膨胀力，导致路基发生变形，危害性远大于冰锥。工程活动的进行往往会改变地下水的活动状态，致使建筑物的基底或四周产生冰锥与冻胀丘。(4)热融湖塘：在自然条件或人为因素的影响下，导致冻土区内的地表土层由于融化深度的加大，从而发生融化沉陷的现象，经过雨水或融雪作用形成湖塘。热融湖塘会因季节温度的不同引起不同路基病害，如冬季结冰导致路基发生不均匀的冻胀或沉陷，夏季塘内易发生积水，导致路基湿软，在夜间温度较低时冻胀影响路基的稳定性。2.1.4水文地质特征拉林铁路路段具有地表水和地下水两种类型，其中地表水为雨季以及由于冰雪融化导致的季节性流水，主要以沟水的形式存在；地下水以第四系孔隙潜水为主，存在少量alQ的基岩裂隙水，第四系孔隙潜水主要积存于测区第四系冲积层（4）粉土、砂层、粗圆砾土、卵石土中，其透水性强、渗透系数大，地下水丰富，地下水位标高2936.77m。HCOSO2Ca2水质类型为3·4－Na·a型水，《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB10005-2010）表明，地下水对混凝土结构侵蚀性等级为H1。alQ段内覆盖层主要为第四系全新统冲积层（4）细砂。其松散、稍密状态下承载力不足150kPa，地层岩性分述如下：al3细砂（Q4）：松散，天然密度1.8g/cm、基本承载力100kPa。al3细砂（Q4）：稍密，天然密度1.9g/cm、内摩擦角25°、基本承载力100kPa。冻土地区的水文地质条件和气候温度条件对于冻土内部的热传递具有决定性的影响，水分的含量与迁移状况是产生冻土病害如冻胀、融沉等的主要因素。拉林铁路所经区段内地表水主要为季节性的冲沟水，具有很强的季节流水性，夏季由于降水以及冰雪融化而形成的水流进冲沟，导致沟内水流量较大；冬季同样由于降雪以及积雪融化会产生较小的水流。由于冻土地区径流条件较差，冲沟水中的地表水下渗进入路基，水分滞6万方数据n长安大学硕士学位论文留在土体的空隙中，对混凝土具有腐蚀性，且易在寒冷季节形成冰锥和冻胀丘，严重影响路基的稳定性。夏季冲沟水的汇流以及渗透对拉林铁路路基具有重大的影响，主要表现在两个方面：其一，地表水通过下渗作用将地表及大气中的一部分热量由地表带入地下，地表渗水与冻土的冻结表面发生热量交换，使得路基的温度场发生变化，一部分冻土的融化在路基内部形成了融化盘，融化盘相当于在路基内形成了一个薄弱层，对路基的稳定性影响极大；其二，融化盘的存在易使自然存在的少量地下水和地下渗水发生汇集与蓄存，冬季时融化盘内存贮的大量水分由于低温发生冻结，导致铁路路基发生严重的冻胀变形，夏季融化盘内的冻土当热量高于冬季时蓄冷的冷量时，便发生会融化，产生常年不冻的融化核，当热量随着时间发生积累，导致融化核越来越后，软弱层逐渐增大，严重影响路基稳定性。铁路对于完整性要求很高（铁路上一处损坏就可能影响全线的正常运行），而川藏铁路拉萨至林芝段位于青藏高原东南部，海拔在2800~3700m之间处在冻土地区，，气候极端恶劣，因此维持运转的物力和人力是惊人的。拉林铁路的建设关乎青藏沿线地区的社会经济发展和国家西部战略大局的实现，然而其独特的地理位置导致其冻害频发，因此，对于拉林铁路的路基病害防治措施一定要得到必要的重视。2.2路基冻害的形式近年来，气候回暖以及不同的工程建设项目对青藏地区的多年冻土区产生较大影响，因此，在修筑拉林铁路时，铁路的建设也会产生较多的冻害问题，其主要特点有以下两方面：（1）由于冻土建设区域的地表温度升高，导致冻土活动层的厚度增加，在冬季时，路基容易产生较大的冻胀现象，在夏季时，容易产生较大的融沉现象。（2）由于冻土区域冰冻上限温度下降，导致路基下形成软化层，同时融化水不断进入路基内，则软化层内的含水量增加，冬季时软化层内的水体冻结导致路基膨胀，夏季时软化层冰体融化产生融沉变形。根据上面阐述的冰冻区域的冻害现象，高原冻土地区铁路路基的冻害类型分为冻胀和融沉。本文通过分析两种冻害类型的机理和特征，进而了解各冻害对铁路路基的影响，7万方数据n第二章铁路路基冻害影响因素及其防治措施并对拉林铁路路基自身的主要冻害采取有针对性的防治措施。2.2.1冻胀路基冰冻膨胀现象，主要是在气温较低的区域，远离地表的土体中的水温较高，而靠近地表的土体的水温较低，由于温差聚水的原因，导致远离地表土体中的水向靠近地表的土体转移，地表的温度较低使土体不断冻结，土体体积不断增大，形成冻胀病害。（1）土体的冻结特征当气温下降到水的冰冻温度时，土体中的水会冻结成冰。土体的冻结以土中孔隙水的结晶为表征，一般条件下，土体中的毛细水在零度冻结的可能性较低，往往冰冻的温度较零度低。土体中的水分形成冰的现象，需要先形成很小结晶中心，结晶中心再不断变大形成较大的晶核。然后晶核相互结合或自身不断成长，形成冰晶。图2.2为土体中的冰晶体图片。图2.2土体中的冰晶体冰晶不断变大成长的温度就是土体的冻结点，冻结点根据毛细水的易溶盐成分和浓度而改化。土体发生冻结现象可以分为三个阶段：冷却和过冷阶段、土温突变阶段和继续冷却阶段。在第一阶段，路基土的温度在零度以下，但路基土中的水分未形成冰体，过冷温度和土中的颗粒组成、矿物成分、盐分含量及含水量等密切相关；在土温突变阶段，土体中的水分逐渐结晶变成冰体同时放出较多热量，使土体的温度变高；在继续冷却阶段，土体中的温度降低到冰冻点，使水分不断形成结晶，因此在一段时间内能够使温度变化较小，温度变化较小的时间与冻结速度与含水量有直接关系；最终当水分由液态状态变为固体状态时，温度将再次变化。（2）路基土的冻胀机理8万方数据n长安大学硕士学位论文在发生冰冻现象时，当土体中开始有冰晶体，土体中的毛细水将从路基下层不断地[9]向路基表面的冻结层流动和聚集，最终聚集的水分冰冻后导致路基发生冻胀病害。可见，冰冻的顺序对于土体的承载力起着直接作用。人工盐渍化土壤整治冻害即是通过降低土体冰点，导致土体中的水分冰冻延迟，以达到减少土体冰冻膨胀的程度的目的。土是由固体颗粒、水和气体组成的三相体系，而路基土中的水的存在组成有自由水和薄膜水两种，当冻结线以上部分土中自由水逐渐冻结，引起水分迁移，毛细水上升。试验证明，毛细水的迁移在0～-5℃的等温线之间，在0℃的温度线附近的土层形成了集冰层，导致发生冰冻危害。土体发生冰冻现象时，除土中的原位水冻胀产生冰冻现象外，流动水也将向冰冻表面的移动，导致土体中水分重新分布，并结晶成冰，因此冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀。原位冻胀（静态冻胀）是指毛细水发生冰冻现象，由于水形成冰后其体积会增大0.09倍，导致土体颗粒发生移动，路基土产生膨胀。但其体积的变化量对于冻胀现象是次要的。例如，路基土为空隙率为20％的饱和状态。在土体发生冰冻现象时，土中冰的体积约增加原水体积的0.09倍，导致土体体积增加，因此路基土最终全部冻结时体积冻胀量约为：ΔV=n·Sr·α（2.1）式中：n——空隙率，%;Sr——饱和度，%;α——水冻结成冰时体积膨胀系数，约为9%。因此，当土体为封闭体系时，土体的原位冻胀形成的冻胀是有限的，其对铁路路基造成的危害程度较小，但这种极端状态，在路基由非常纯净的砂、砾石在发生快速冻结时才会出现的。通常情况下，若外界的水源不发生流动，土体本身未冻结区的流动水向冰冻面的流动量也是巨大的。对于一般土体冻结，当冻结速度一般时，除孔隙水原位冻结产生体积膨胀以外，更多的是外界水分的流动导致土中某个位置冻结体积增加，甚至其冻胀率高达百分之几十，即分凝冻胀。所以开放系统饱和土中的分凝冻胀量构成土体冻胀的主要部分，因而土体冰冻的主要原因是外界的流动水分冰冻形成冰体，而水分流动由抽吸力决定，即包括孔[10]隙力、毛细管力、结晶力等。9万方数据n第二章铁路路基冻害影响因素及其防治措施2.2.2融沉冻土融沉过程遵从土体固结理论及有效应力原理。冻土融沉固结理论以土体积的连续条件为基础，在融沉固结现象的过程中，土体体积的任何变化，都是土中水在静水压力梯度作用下从土体中排出的结果。冰冻体的体积变化对整个土体的影响由液态水的变化呈现出来。有效应力原理是土力学的一种重要的原理，其是研究应力、应变和强度关系的关系，’土体固结，最早由太沙基提出的σ=σ+μ公式，这个公式被广泛利用，其也可以应用于土体冻融的现象。土体在发生冰冻现象时，有效应力由土颗粒和冰共同承担，当冰发生融化时，由固态冰承担的有效应力将由向毛细水承担，最终将变为孔隙水应力，有效应力仅由土颗粒承担。在冻土发生融沉固结现象时，路基中的土体中水分在水位差作用下，将会由底部的排水边界流出，土体内部孔隙水应力将变小，最终，超孔隙水应力将消除，此时将不会有水分流出，土体在此温度循环内固结稳定，固结应力将全部由土体颗粒承担进而转化为有效应力。此过程伴随着路基土体的下沉，路基发生不均匀沉降、变形。2.3路基冻害的影响因素铁路路基发生冰冻危害的原因有许多，本文将从路基的填料、水分、温度、荷载、线路变形以及施工质量等方面来具体分析各因素对路基病害的影响。2.3.1填料路基填料是路基的基本组成部分，路基土的性质直接影响路基的施工及其工作性能，是路基病害产生的重要因素。（1）土质路基土对路基冻结的影响主要通过影响路基冰冻范围内的流出水的速度、冻结深度和未发生冰冻水的量发生影响。路基土的流出水的速度最开始将影响路基的冻结开始条件，即可能会对路基土的初始含水量产生影响，但其不是最重要的原因。当没有地下水时，初始含水量就决定了路基的最大可能冻胀量。通常情况，路基的保水性较差，在发生冰冻前存在较长的有效排水时间，因此当排水通道畅通，就可以有效的降低路基的总膨胀量。在寒冷环境下时，路基的结冰时的冰冻深度的原因主要有三方面：土体的热传递系10万方数据n长安大学硕士学位论文数、热含量和孔隙率。根据目前的统计和实际经验表明，当土体中的含水率提高时，则路基土体的热含量将变大，导致其在发生冰冻时，其可以容纳冰冻产生的冰体的空隙空间减小。路基土的导热系数、热容量和孔隙的不同也影响路基的冰冻深度。通常情况，含水量高，其热容量大，进而可以吸收冻胀的空间将会变小，路基土发生冰冻时其体积的增加量会变大，但同时路基土的冻结深度将变浅。发生冰冻现象是三个原因共同影响的成果，这种分析方法对于评估某一点的冰冻深度和总的冰冻膨胀量效果较好，但会导致实际工程实践过程会很繁杂，根据目前实际经验，考虑采用概率理论法将大大简化该过程。（2）土的粒度组成路基土中土体粒径的变化对路基膨胀程度影响较大，当土体颗粒的大小逐渐变小时，将导致其表面积逐渐变大，进而与土体中的水的接触作用面积变大，在含水率和冰冻环境大致相同的环境条件下，不同粒径的土的膨胀性大小应是，粘性土强于砾石土，砾石土强于粗砂，粗砂强于砾沙。路基土直径能够有效的呈现其与土颗粒作用力的大小，当土颗粒较小时，则其整体与水的接触面积变大，作用强度增强，即当土体中空隙越小时，其毛细作用将越强，在土体发生冰冻现象时，毛细水的流动能力将越强，导致路基表面的冰体越大，路基膨胀越大。粗粒土（粒径大于0.1mm）的孔隙较大，导致土中的水与土颗粒的作用力较小，若该类土中不含盐类矿物质，则毛细水将会在冰冻点全部变为固态冰。当粗粒土中无粘性小颗粒掺杂时，将很难发生毛细现象，在发生冰冻的时期，由于水体自身的重力作用，流动水不会向路基表面流动，进而结冰膨胀程度也较小。（3）土中矿物成分土体的组成由土体颗粒和矿物质构成，细粒土的构成包括砂粒、粉粒和粘粒以及一些矿物质，粘粒组中最常见的矿物有高岭石、水云母和蒙脱石。其冰冻膨胀大小，高岭石强于粉质土，粉质土强于粘粒土，粘粒土强于粘砂土，粘砂土强于蒙脱土。在实际工程实践中，高岭石为主的粘性土的冰冻膨胀程度最大，其施工也较困难，当含水率较高时，其压实度很难保证。对于砾类土、砂类土等，矿物成分对其膨胀影响较小，但其所含细粒土的含量和组成对冰冻膨胀产生较大影响。（4）土体密度11万方数据n第二章铁路路基冻害影响因素及其防治措施土体的密度增加（干重度γd增大），土体的孔隙率将会变小，但并不影响土体的含水率，但其会影响土体的饱和程度。对于相同含水量的土体，干密度小的土体在发生冰冻膨胀时，由于其存在较大的空间容纳水变为冰后体积的增加值，故其外观表现为膨胀率较小，对于相同含水量的土体，干密度大的土体在发生冰冻膨胀时，由于土体颗粒之间的空隙较小，当水变为冰时，空隙不能容纳其增加的体积，其膨胀率较大。即当土体的饱和度越大时，其空隙越小，土体膨胀性越大。当土体的干密度变大达到某一边界值3时，将使土中孔隙最小，有关试验表明，其边界值γd接近18KN/m，当土体的干密度超过该值时，将导致流动水减少，土体的膨胀性会降低。融沉系数随冰冻土容重的增大而减小。热融下沉是由于冰体发生融化后引起土中的空隙发生改变。当土中的孔隙数量直径越小时其融化后的下降量将越低。因此，土中的孔隙数量直径越大时，其融化后的下沉量将越大。（5）路基填料路基中所采用的土的类型的不同会导致在水的作用下产生不同变形，各类型的土的含水率以及其发生冰冻时的结冰量有很大不同，砂类土的粒径较大，透水性好，毛细效果差，因此在发生冰冻时，水的流动和结冰现象弱，其承载能力和水稳性好；粉性土的粒径较小，透水性差，毛细效果严重，在低温时毛细水的聚集效应较强，土体的强度和稳定性较差，容易产生翻浆病害；粘土的透水性差，收缩性大，毛细作用不严重，但低温时也会发生翻浆现象。路基的稳定性受由水分和温度等多种原因影响，在实际生产中，选择合适的路基填料能够大大降低发生翻浆的程度，因此，施工中应尽量采用粒径较大的土颗粒以减少翻浆的程度。2.3.2水路基中的水的存在形式包括地表水和地下水两种状态。地表水进入路基土体中将会使土体的承载强度降低，进而导致路基产生各种不良病害；地下水能够使路基土体中水稳定性较好的粘性土和泥质岩石的承载强度降低，在外部荷载的作用下，会导致翻浆冒泥等路基病害。路基土产生冰冻膨胀的主要影响因素之一是路基土中的含水率。所有的土均含有水分，但并非所有的土均会发生冻胀现象，根据工程试验表明，当土体的含水率达到一定12万方数据n长安大学硕士学位论文标准时才会发生冻胀现象。在土的特性相同的情况下，含水率和水的流动性是产生冰冻膨胀的主要原因。土中水的组成由三种形式：降雨、地下水和回归水。低温条件下的结冰量与发生冰冻前土体的含水率、后续供应水源和气温等有直接关系。干燥路基正温度区域的水分的转移主要是以气体的形式，负温度区域的水分的转移主要是以气体冷却凝聚的形式，在零度边界的毛细水的积累较慢，冰冻膨胀效果较小。对于潮湿路基，其含水率较高，水的存在形式主要是液体，正温度区域的水分的转移主要动力是湿度不同的差异，毛细水将流向冰冻区域，冻胀量也就越大。2.3.3温度当气温降低到土体中水的结冰点时，土中的冻融层开始结冰膨胀，由于结冰时的水的来源不同，结成的冰的形式也存在多种，常见的形式有多晶体、透晶体和冰夹层等，结冰会使土的整体体积增加发生冰冻膨胀，路基破坏。当温度较高时，冰体融化，融化后产生的水体流入土体导致路基下陷。气温的高低对于土体的冻结速率以及冻结程度有重要影响。在相同的情况下，气温越低，水结冰的速率越快，水流的转移时间较短，水分不能进行充分的转移，造成冰冻膨胀量较小。当气温使土的稳定达到相转换区时，水的结冰速率较低，水分能够进行充分的转移，造成冰冻膨胀量较大。此外，土质状况对于结冰速度也存在影响。2.3.4荷载荷载是路基发生破坏的重要因素，列车荷载作用下土质路基产生累积变形，变形累积发生路基下沉、挤出变形等破坏，严重影响行车稳定。在路基中的冰发生融化的过程中，导致土体的体积减少，同时由于水的自重作用逐渐下渗到下面的土体中，产生固结沉降，此外，外部荷载的作用进一步加快了该过程的发生，也造成最终的下沉量增加。2.4路基冻害的防治措施前面主要对土体产生冻害的基本条件与影响因素进行了阐述，引起路基冻害的主要因素是不良土质、高含水量与温度变化。只要消除或削弱其中一个因素，就可以达到减少或削弱路基冻胀的目的，工程实践中，一般采用换填法、物理化学法、保温法、排水隔水法以及化学加固法等方法来减弱或消除冻害。13万方数据n第二章铁路路基冻害影响因素及其防治措施2.4.1设置地下排水隔水设施水分是引发路基病害的重要影响因素，若能实现对路基水分条件的有效控制，便可有效减弱或消除地基土的冻胀。排水隔水法主要通过采取一定的措施，例如采用井点降水的方法来降低地下水位、阻断外部水源补给和排除地表水，来减少或排除土体中部分水量。在工程实践中排水或隔水措施的选用通常需要根据建筑物现场的地形、地质和运行条件来确定。相比其他方法，排水隔水法费用较低、施工相对简便、对行车干扰少，整治路基冻害首选这种措施。排水隔水法主要措施有：（1）排水法扩大路基边沟：此方法多在在山坡山岗地段进行路基工程施工时采用，一般采用挖方或半填半挖方式。沿着山坡地表与地下水较多，采用扩大路基边沟来防止外来水不能及时排出而侵入路基的情况。边沟设置有一定的纵坡(一般不小于0.5%)，每间隔一定距离设置出水口（间距一般不大于500m），使水及时排出。由于边沟中的积水在地势平坦地区不易排出，故这种方法不适用于平原洼地，容易导致积水浸泡路基。设置截水沟：路基通过坡面时，设置截水沟可以有效防止水分侵入路基，根据水量确定截水沟尺寸。对于地下含水层来水的情况，可设置暗沟，其位置应设在路堤或路堑所通过山坡来水方向的上侧。暗沟形式较多，可采用石砌、混凝土管或瓦管等，也可采用石块或大卵石堆砌，为了方便暗沟施工，其尺寸不易过小，暗沟上层需铺设防淤层。出于防止暗沟中水分渗入路基的目的，应在道路一侧设置一定厚度的隔水层，应保证出口水流通畅来防止暗沟出口水流停滞或冲刷路基边坡。设置砂桩：可采用设置砂桩的办法可以降低地下水位线，排除路基土体内的水分。通过钻孔填砂制成砂桩，通常沿路床底面程梅花形布置，直径为30~50cm，间距为[11]1~2m。（2）隔水法在路基中设置隔水层，可以防止地下水通过毛细作用进入路基上部，保持路基上层土壤含水量维持在较低的水平，包括透水性隔水层和不透水隔水层。透水性隔水层一般采用砂砾、碎石炉渣等孔隙较大的材料制成，可以切断毛细孔中水分运动，因此能够有效地阻止地下水向上层的迁移。不透水隔水层采用不透水材料制成，能够完全阻断水分14万方数据n长安大学硕士学位论文在路基中的迁移。2.4.2换填非冻胀性材料换填法是指采用性能较好的路基材料如粗砂、砾石等非（弱）冻胀性材料替代天然地基的冻胀性土，以减少或消除路基的冻胀。换填法防治路基冻害的效果与很多因素有关，包括换填深度、换填料性质、土质类型、地下水位高度等。采用换填法时，需因地制宜，根据建筑物的使用条件、结构特点、地基土质及地下水情况，确定合理的换填深[12]度，并控制粉粘粒含量。为达到消除路基冻胀或是将冻胀变形控制在一定范围内的目的，需在全部冻结深度或部分冻结深度内进行换填。因为换填工程量较大、费用较高，所以在实际工程中，应根据建筑物的类型、结构允许变形程度、土体冻结深度、土质及地下水条件等情况合理确定换填深度，以在合理工程造价下达到防冻害的目的。地基土的换填深度无论是在国内还是国外目前多依据经验进行确定，对换填深度的确定时一般需考虑以下两点：（1）若所处地区地基冻深较大，若果按照最大冻结深度进行换填，工程造价必将难以接受，因此需要确定一个合适的换填率。换填率一般随着冻结深度增大而减小，应该根据换填后路基冻胀产生的变形在建筑物允许范围内来确定换填率；（2）换填率的确定同时仍需考虑在融解期内，地基承载力下降，路基融沉引起的变形也能够满足建筑物允许变形的要求。目前国内外一般采用砂砾石进行换填来消除或减弱路基冻胀，换填深度根据经验确定。2.4.3物理化学法物理化学法是指交换阳离子及盐分，改变土粒子与水之间的相互作用，使土体中水分迁移强度改变或是降低水分冰点，从而起到削弱冻胀的目的。物理化学方法许很多种，主要包括人工盐渍化改良、憎水物质改良及土颗粒聚集或分散改良等。人工盐渍化法：是指向土体中加入一定量的可溶性无机盐，如氯化钠（NaCl），氯化钙（CaCl2），氯化钾（KCl）等。根据不同交换性阳离子对土体冻胀性的影响程度来[13]选择阳离子类型，可以在很大程度上削弱土体的冻胀。采用憎水性物质改良：是指向土体中掺入少量憎水性物质，使土颗粒表面具有良好15万方数据n第二章铁路路基冻害影响因素及其防治措施的憎水性，从而削弱或消除地表水下渗并阻断地下水上移，来减少土体的含水量，最终达到削弱冻胀的目的。目前使用的憎水掺和料主要为石油产品或副产品以及其他化学表面活性剂等。聚集或分散土颗粒：土的粒度组成是影响土体冻胀性的重要因素，若能够使得土体中的细颗粒聚集成较大粒径的团粒，或者使天然土体胶团分散，就可以达到削弱冻胀的效果。聚集剂可以起到使土中的细颗粒凝聚成较大粒径的团粒的作用，其对于防治路基冻胀均有一定的效果。相反，化学分散剂可以起到使土体中的细粒含量增多的作用。加入分散剂使得天然土体胶团分散，进而增大土体的密度，从而减小路基冻胀。现有研究表明，化学分散剂对减轻冻胀和冰析现象效果明显，应用潜力巨大。2.4.4增强建筑物抵抗能力首先可以采用增加道床厚度改变路基的受力结构。列车荷载通过钢轨、轨枕传递逐级往下传递直至扩散到路基面，作用力越来越小，因此道床越厚，传递到路基面上的应[14]力越小。因此，可以通过增加道床厚度来改善路基的受力结构，继而削弱或减缓病害的发生。但道床并不是越厚越好，当道床厚度达到一定值后，再增加道床厚度，道床自重增加，尽管扩散作用存在，但越来越不明显，对传递到路基面上的应力减小程度影响较小。其次可以考虑采用重型钢轨及大轨枕。实测研究表明，较大的轨枕底与道床接触面会使得应力的传递会更加均匀，道床与路基承担的最大应力会相应减少。在实际应用中，还可以通过减小轨枕间距增加轨枕与道床的接触面积，起到控制和缓解病害发生作用，应用效果较好。以上两种方式可以在一定程度上可以防止或缓解病害的发生，但起不到根治病害作用。对于已发病害的整治效果并不是很明显。2.4.5保温法保温法是指在建筑物基础底部或四周设置隔热层，增大热阻，减小导热速率，来推[15]迟地基土的冻结，提高土中温度，减少冻结深度，起到消除或削弱冻胀的目的。保温材料应具有较好的耐久性、较小的吸水性及不易变质等特性。当隔热材料承受荷载作用时，隔热材料还需具有足够的抗压强度。瑞典曾采用树皮作为道路的隔热材料，同时为防止树皮的酸化分解，采用冰渍粘土16万方数据n长安大学硕士学位论文对其进行覆盖。另外，采用聚苯乙烯泡沫塑料作为隔热层在路基工程也已开始应用，所采用的厚度一般用经验公式加以确定。加拿大工程部门经验总结出，厚度为1cm的泡沫塑料保温层相当于14cm厚的填土保温效果。厚度为6cm的隔热层可使冻结深度降低50%以上。隔热层的厚度可根据路基填土的性质及厚度按以下经验公式计算：z12λ0C0−（）δ=(Z−Z1)∙√∙еz（2.2）λ1C1式中：Z1——从道床顶面算起隔热材料的埋深，cm；Z——无隔热材料时，土的冻结深度，cm；λ1，λ2——分别为隔热材料与土的导热系数，J/(m·℃)；C0，C1——别为隔热材料与土的比热，J/(kg·℃)。2.4.6化学加固措施化学加固法可以从本质上改变基床土体的性质，增加基床强度和抗水性能，起到减[16]少基床病害的作用，可以取得较为满意的整治和强化效果，是目前有效的方法之一。2.5本章小节在拉林铁路沿线工程条件的基础上，首先对不同路基冻害类型及其形成机理进行了探讨和分析，并在此基础上，对路基冻害的影响因素进行了分析，提出了针对拉林铁路路基冻害的防治措施。17万方数据n第三章拉林铁路路基的施工质量控制第三章拉林铁路路基的施工质量控制前文已经介绍了冻土地区铁路路基冻害的类型以及防治措施，为了减小这些病害的发生，在拉林铁路修筑的实际工程中应加强施工质量的控制。3.1铁路路基填筑压实施工过程拉林铁路路基填筑压实的施工工艺采用“三阶段、四区段、八流程”进行施工，具体的工艺流程如图3.1所示，根据施工顺序分为施工准备、施工、整修验收三阶段。填筑压实工艺流程准备阶段施工阶段整修验收阶段填平碾检土整压测阶阶阶阶段段段段施基分摊洒碾检路工底层铺水压验基准处填碾晾夯签整备理筑压晒实证修图3.1路堤填筑压实施工工艺流程图3.1.1施工准备工作(1)图纸审核与工点调查根据现场实际情况，首先对设计图纸进行了核对，根据地基土的性质、软土及松软土分布等情况对填料进行了初步复查和试验，并调查了工点所处区段的城镇规划、土地资源及填料来源等条件，为施工方案制定提供了依据。(2)主要临时工程的选址调查在便道、便桥、弃碴场及施工营地等临时工程设施设置过程中，尽可能地做到了紧凑与合理，并充分考虑到了保护植被、少占现状道路、不影响正常交通运行等原则。搅拌站等高噪音生产设施也设置于远离居民生活区的地方。在用场地用水方面，充分保障了排水的畅通，确保无积水、积污现象，并尽量减轻了其对原地表排水的不利影响。18万方数据n长安大学硕士学位论文(3)平面控制测量路基开始施工前，对永久性的高程控制点和平面控制点进行了布置，对水准点和线路中线进行了复测，在核对复测资料无误之后，开始施工放样的工作，并对线路中线桩以及路基边桩进行了施放。平面控制测量工作的进行根据路基长度、线路穿过区域的地形、周边环境等条件进行了灵活调整，应用GPS测量、导线网测量、边角网测量、三角网测量等测量手段和方法进行了平面测量控制，符合《测规》的要求。(4)建立质量控制与检测体系建立了可靠有效的质量控制和检测体系，确保了在施工中应用的相关技术参数准确无误；对填料特性、施工措施的变异性进行了控制；确保了路基的沉降状况及其参数得以持续正确的检查。(5)设备选型为满足施工的进度计划及其质量要求，采用了机械化施工方案，选择使用大型机械进行土石方的挖掘和运输，选用重型机械进行振动压实。(6)编制各段路基工程施工组织设计特殊路基和不良地质路段路基施工前，对现场工程地质资料进行了仔细核对。根据工程的数量、特点、地质条件、工期等要求，编制了路基工程施工组织设计文件，选用了正确合理的施工工艺和方法，并科学地组织了施工。(7)工艺试验路基工程全面施工前，根据施工的要求在选定的试验段对材料和施工工艺进行了试验，并确定了施工改良工艺、机械设备组合、摊铺厚度、压实遍数、配合比等施工参数以及试验和检测的方法。3.1.2基底处理砍伐并拔除了处于挖方地段的树墩和主根；对处于填方地段树木的处理方法如下：若填筑高度大于主根以上2.5m，便将露出地面小于0.2m同时并未侵入路基基床的树墩留置；填筑高度不大于主根以上2.5m时，将树墩主根拔除；根据自下而上的顺序对台阶进行了开挖和填筑，确保了台阶的安全和稳定；土质路基在碾压成型后变成大于或等于2%的排水坡；对于表层为软弱的土层，采取铺砂垫层或其他措施进行了加固；在完19万方数据n第三章拉林铁路路基的施工质量控制成清表预压后，及时恢复了路基中桩和填筑边线，并采用撒石灰的方式将线路中线和填筑边线显示了出来，并标出了松铺厚度。为增大边坡压实度，并方便指导机械施工，在进行路堤填筑时，每层的填筑厚度在设计宽度的基础上每侧各增加了50cm。每层填筑的压实度在实验室检测并经监理工程师签字认可后进行了下道施工工序。基底验收合格或填筑层完成后，在专人指挥下将运来的填料运到指定位置，先填边后填中，沿线路的前进方向从路基外侧到中心进行了摊铺和整平，与此同时配合人工修整。在压路机静压一遍后进行振动碾压，碾压时由两边向中间推进，纵向碾压采用进退式，压路机慢速行驶，并搭接1/3的轮迹进行碾压。完成碾压后，对填筑层进行了人工整形。在确保填筑层表面平整、路拱自然、排水通畅并在监理工程师验收合格后，进行了下一层的填筑。3.1.3路基填筑对填料的挖、装、运、填及压实采取了连续施工的方式进行。并明确划分了填筑、整平、碾压、检验各区段，不同区段均设立了标识牌。其中碾压区的标示牌标明了填料种类、碾压机械和碾压遍数等信息。在雨天施工时，对填料层面采用了塑料膜覆盖，待雨后继续施工。（1）分层填筑分层填筑时根据横断面全宽纵向水平方向进行，每隔200m或相邻结构物之间设置了一个填筑施工区。填筑区内安排了专人指挥卸车，并在填筑面上标明了卸料网格；为控制填层高度，在平整区路堤中桩和两侧边桩每10m处设置了标示杆。每层填层厚度为30cm，压实厚度每层控制在30cm，地形起伏时由低处开始分层填筑，在边坡两侧各自加宽30～40cm，以利于施工机械压实作业，保证了施工后路堤边缘的压实质量。（2）摊铺整平首先对层面进行初平，并用压路机械快速静压一遍，然后用平地机对层面进行终平，以消除潜在的凹凸面。为雨天路基排水，摊铺后层面具有2%～3%坡度的横向排水坡。（3）洒水和晾晒当填土含水量高于最佳含水量时，在路基上进行摊铺，并结合松土晾晒的方法，以减少填土的含水量。当含水量低于最佳含水量的3%时，采用了洒水的方式使填土润湿。（4）碾压夯实20万方数据n长安大学硕士学位论文在碾压前，首先对填土层的厚度和平整度进行了检查，确认符合施工要求后进行了碾压作业。（5）检验在路基每层填筑压实完成后，及时地对填土进行了检测，检测合格并经监理工程师签字确认后，进行了上层路基填筑施工作业，并对压实度和外型尺寸进行了检验。3.1.4压实措施（1）冲击碾压各项准备工作就绪，并在地表土体含水量满足要求后，报经现场监理验收检查同意，进行冲击碾压。冲击式压路机的行进速度控制在10～12km/h，自坡脚一侧开始，顺（逆）时针行驶，以冲击面中心线为抽转圈，冲碾顺序“先两边、后中间”以轮迹重叠1/2、铺盖整个路基表面为冲碾1遍，冲碾遍数以满足压实度及设计要求为准。在冲击碾压过程中，因轮迹过深而影响压路机的前进速度时，采用平地机平整后再继续冲碾；如果路基表面有场尘，采用洒水车洒适量水后再继续冲碾。为避免在用冲击式压路机进行冲击碾压过程中机械调头范围过大，在路基形成较长的连续冲碾段后再进行施工，这样的处理方式既提高了冲碾效率，也避免了因过多的“接头”继而影响路基的整体均匀性。由于冲击式压路机的冲击能量较大，路表以下50cm土体的含水量会影响到冲击碾压效果。含水量过大时，容易形成翻浆、弹簧等现象，因此对路表50cm范围内的含水量进行了严格控制。1）冲碾施工工程质量控制要点；①地基土的含水率控在最佳含水量的±2%左右；②压实度（通过试验段确定的施工参数）；③冲击碾压冲击能量20～50KJ，行进速度控制在10～12km/h，碾压不少于20偏。2）冲击碾压施工注意事项①在冲击碾压施工作业前，确保冲击压路机各系统管路及接头部分无松动、裂纹现象，待一切正常后方可启动，确保施工质量和安全；②在冲击碾压过程中，冲击式压路机以10～12km/h的行驶速度前进，保持匀速状态（保持在一个碾压形成中不变速），如若变速时，必须停机，同时保持碾压过程中正21万方数据n第三章拉林铁路路基的施工质量控制常的行驶方向；③在压路机每次转弯时，驾驶操作员调整转弯路线，使冲击凸轮落点不与前次落点重复，当工作面起伏过大时，便停止碾压，并用平地机平整后再继续施工；④施工中若出现“橡皮土”现象时暂停施工。（2）重型碾压施工前，根据路基试验段碾压参数，确定了质量检测方法及评价标准。根据设计图纸要求将重型碾压边界测量放样，并在原地面用石灰洒出了重型碾压边界线。重型碾压采用重型振动压路机（25T），施工时由地基处理范围两侧开始向中心碾压，直到碾压达到设计要求的密实度为止。根据设计要求的压实度和沉降量控制确定重型碾压次数。重型碾压的加固范围超出路基两侧坡脚外3m，碾压时后轮重叠1/2，后轮超过两段的接缝处。重型碾压时均匀碾压。在碾压前，检测最佳含水量，过大时翻晒；过小时及时地对地基适量洒水，使水分充分渗透地基，待达到适宜含水量后重型碾压。3.2路基施工质量控制3.2.1填料改良（1）填筑材料选择拉林铁路LLZQ12标段一般路基填筑要求：择优选取合格填料，采用《铁路路基施工规范》(TB10202-2002)中所规定的A、B组填料，如表3.1所示，选择冻胀性较为稳定的填料；对填料进行反复的试验，确定填料类型，取得准确参数，以供路基填筑使用；采用―三阶段、四区段、八流程‖的平行流水施工作业，工艺流程如图3.1所示。为有效控制拉林铁路路基工后沉降，保证路堤竣工后3～6个月时间内沉降趋于稳定，以达到铺设轨道的要求，对路堤填料和填筑密实度进行了有效管理，采用冲击碾压压实试验段已填土，加快沉降速率，新填层每填高1.2m，对填土表面进行冲击碾压，试验段为拉林铁路区段D2K389+681~D2K389+781。表3.1铁路填料冻胀敏感性分类土的分类土的组成细粒含量/%冻胀分类卵石、碎石、粗砾、细砾、砾砂、A＜5冻胀不敏感性土粗砂、中砂B卵石、碎石、粗砾、细砾、砾砂、＜5冻胀不敏感性土22万方数据n长安大学硕士学位论文土的分类土的组成细粒含量/%冻胀分类粗砂、中砂、细砂卵石、碎石、粗砾、细砾、砾砂、5～15冻胀弱敏感性土粗砂、中砂细砂＜5卵石、碎石、粗砾、细砾、砾砂、15～30粗砂、中砂冻胀敏感性细砂5～15土细粒土26%＜L＜42%–冻胀强敏感性土C碎石、粗砾、细砾、砾砂、粗砂、＞30中砂、细砂路堤填料及压实标准要求：路堤基床以下部分填料尽量选用A、B组填料，路堤与桥台、路堤与立交框构连接处设置过渡段。对于路基基床以下部位的填料压实标准可参考表3.2：表3.2路基基床以下部位填料的压实标准填料类别砂类土层位砾石类砂石类块石类压实指标（粉砂除外）地基系数≥80≥110≥120≥130K30(MPa/m)不浸水相对密度Dr—<32%<32%—部分孔隙率n（％）——＜35—K30(MPa/cm)≥80＞110≥120≥130浸水部分相对密度Dr≥0.75———孔隙率n（％）—<32%＜32%—注：K30为30cm直径平板荷载试验的地基系数。（2）路基填料粒径改良基于主动保护路基，本工程采用了一种通过改良路基土粒径以达到加固路基的方式。该方法主要通过筛分路基填土颗粒，得到了三种不同粒径的颗粒使其重组，改变了路基的密实度和结构，从而改变了路基结构内部与大气间的热传递关系。在贡嘎试验段修筑了现场试验路基，研究改良路基土粒径在冻土区保护冻土的效果。试验段路基全长8m，平均分为粒径改良段和普通路基试验段，每段各长4m，路基上宽2m，坡比1：1.5，高23万方数据n第三章拉林铁路路基的施工质量控制1.6m。经人工筛分后的路基改良土粒径分成三种不同粒径，即10mm（细颗粒）、10mm25mm（中颗粒）、25mm（粗颗粒）。试验路基现场，采用粒径改良路基填土按粒径10mm（两层）、10mm25mm、25mm粒径由下至上分层填筑，每层填筑厚度为40cm，填土颗粒组成见表3.3所示。表3.3贡嘎路基填土的颗粒组成0.05～2mm0.005～0.005mm0.002～0.005mm0.002mm60.46%31.68%7.56%4.39%在试验路基填筑前先整平场地，如图3.2所示。在铁路路基填土含水量为7%～11%且松铺厚度为20cm时，填筑后并经蛙式打夯机夯击6遍（压实度≥87%），即满足铁路路基压实度和强度要求。控制下层细颗粒土的含水量为8%～10%，按每层填筑厚度大约为25cm进行分层填筑施工，同时采用蛙式夯实机仔细夯击（夯击能量为60kg/m）。试验路基实体见图3.3，粒径改良路基结构示意见图3.4。图3.2试验路基场地整平图图3.3即将完工的试验路基图3.4粒径改良路基结构示意图24万方数据n长安大学硕士学位论文为研究分析试验段不同处治措施下路基温度及变形随冻融循环的变化规律，根据试验段工程措施设计，在两不同路基段路基中心布置了地温观测孔，并埋设了观测装置。其中变形观测装置采用光纤多点应变仪，粒径改良路基与普通路基的钻孔布置如图3.5所示，其中孔深7.6m。粒径改良路基和普通路基试验段测温探头布置深度分别为-0.8m、-1.6m、-2.6m、-3.6m、-4.6m、-5.6m、-7.6m（以路基表面算起，向下为负），纵向布置如图3.6所示。图3.5粒径改良路基及普通路基钻孔布置图3.6路基温度传感器布置剖面图对贡嘎试验段现场地温监测资料（2014年9月～2015年12月16个月）中路基温度场数据进行处理和分析时，均以路基表面深度为0m。粒径改良路基与普通路基地温随深度的变化关系如图3.7、图3.8所示。25万方数据n第三章拉林铁路路基的施工质量控制图3.7粒径改良路基与普通路基地温随深度的变化关系对比曲线图3.8粒径改良路基与普通路基地温随深度的变化关系对比曲线通过对比分析图3.7、图3.8粒径改良路基与普通路基段地温随深度的变化关系曲线可知：无论是粒径改良路基或是普通路基，1～2月份是路表最低温度所处时间段，7月份是最高温度所处时间段。在路基同一深度上，粒径改良路基所测得的温度均比普通路基温度要低。最低温度段在0.8m的深度处，粒径改良路基温度为-7.65°C，普通路基温度为-7.47°C，二者相差大约0.18°C；在深度1.6m处，粒径改良路基温度为-7.20°C，普通路基在1.6m处的温度为-5.81°C，二者相差大约为1.39°C；当深度为4m以下时，粒径改良路基与普通路基的地温基本相同。由此可知，与普通路基相比，粒径改良路基在寒季可明显降低地温。最高温度段在深度为0.8m处，粒径改良路基测得地温为6.12°C，普通路基测得地温为7.85°C，二者相差为1.73°C；在深度为1.6m处，粒径改良路基所26万方数据n长安大学硕士学位论文测地温为0.44°C，而普通路基的同一次所测的地温值为1.75°C，二者相差1.31°C，继而可知，粒径改良路基在暖季具有热量屏蔽作用。从上述数据分析可知，粒径改良路基由于其孔隙度及结构的变化，使得其在冷季导热得到增强，更多的冷量进入路基，暖季导热减弱，有一定的热量屏蔽作用，使得进入路基的热量相对减少。因此，粒径改良路基在冷季或暖季发生冷量或热量交换的功效将有利于保护冻土路基。（3）改良土填料填筑施工通过在试验路段对粒径改良路基进行的实地试验，验证了改良土质对路基的保护作用，根据实地试验所取得的数据对施工路段进行了大规模的应用。在将改良土拌和后采用自卸汽车迅速运输到施工现场，并采用防雨膜做好保湿工作，保证改良土的含水率不发生较大变化。在实际填筑过程中，采用晾干、加水等方法保证填料的含水率在以最佳含水量为标准的±2.5%范围内。在采用改良填料时，从拌和到压实完成的总时间不大于改良填料的终凝时间；在进行每一次压实后均保证了压实达到规定的标准。路基改良土每层填筑压实厚度不超过30cm，两工作段的纵向搭接长度不小于2m，混合料中不含超尺寸颗粒土块、未消解石灰颗粒和素土层。碾压时，各区段交接处互相重叠压实，纵向行与行之间的轮迹重叠不小于0.4m，纵向搭接长度不小于2.0m，上下两层填筑接头错开不小于3.0m。在填筑时，先对下层填筑完成的部分进行验收，合格后进行上层部分的填筑。对于改良填料的保湿养生不少于7天，在养生期间实行交通管制，除洒水车以外，其他车辆禁止通行。为杜绝对周边环境的污染，采取了相应的环保措施。（4）过渡段路堤填筑1）路堤与桥台过渡段填筑（见下图3.9）过渡段采用级配碎石分层填筑，在台背不易碾压的2m范围内掺5%水泥，其余采用A组填料，压实标准同路基基床底层。过渡段路堤同与之连接的路堤整体同时施工，并将过渡段与连接路堤的碾压面按大致相同的高度进行填筑。填筑时人工配合机械平整，平板振动夯或冲击夯配合光轮振动压路机压实。填筑时施工机械距离结构物边缘不小于27万方数据n第三章拉林铁路路基的施工质量控制1m，以利安全操作。I基床表层基床底层过渡段填料桥台：路堤本体混凝土回填I1:1.751:1.75基床表层基床底层基床底层1:m1:m过渡段填料1:11:1地面线I-I断面形式图3.9路桥过渡段处理示意图2）路堤与横向结构物连接处填筑（见下图3.10）过渡段采用级配碎石分层填筑，其余采用A组填料填筑，其压实标准符合基床底层的要求。过渡段路堤与其连接的路堤整体同时施工，并将过渡段与连接路堤的碾压面按大致相同的高度进行填筑。过渡段施工工艺应结合工程实际，进行现场试验。28万方数据n长安大学硕士学位论文I基床表层基床底层路堤本体地面线I1:1.751:1.75基床表层横向建筑物顶基床底层基床底层1:m1:m过渡段填料1:11:1地面线基床以下基床以下I-I断面形式图3.10路堤与横向结构物连接处置方式图3）路堤与土质及软质岩路堑过渡段（见下图3.11）应先沿原地面纵向挖成1：1.5的坡面后，再在1：1.5的坡面上开挖台阶，台阶高度0.6m左右，开挖回填部分的填料压实标准与路堤相同。基床表层1：1.5基床底层基床以下图3.11路堤与软质岩石或土质路堑过渡段处理示意图4）半填半挖交界地段路基施工：（见下图3.12）按照施工规范开挖台阶，台阶应外高内低，并用打夯机夯实。填筑时适当减小铺筑厚度，增加压实遍数。为便于施工控制，填挖交界地段和陡坡地段不采用推土机直接施工。基床厚度范围内的天然地基密实度若不能满足《铁路路基施工规范》要求，则必须采取翻挖、换填或重型机械碾压等压实措施。29万方数据n第三章拉林铁路路基的施工质量控制原地面线路堑1：1.5换填路堤图3.12半填半挖的处理示意图路堤填筑要做到填料符合要求，压实达到标准，确保路堤稳定。路堤填筑质量控制见路堤填筑质量控制程序如图3.13所示。基底处理试验段填料位置、尺寸、承载取样试验工艺参数测度优化力、压实度测试不合格合格加强处理路堤填筑合格中松线铺台、工厚背压宽艺度特实度方、殊度、处法含平理水整量度有一项不合格全部合格加强处理质量签证验交图3.13路基填筑质量控制程序图30万方数据n长安大学硕士学位论文3.2.2人工盐渍化法本工程在拉林铁路区段D1K391+129~D1K391+229采用了人工盐渍化法进行地基加固处理。人工盐渍化法是在地基土里掺入以氯化钠作为代表的盐分对其进行盐渍化，根据土类和施工工艺和方法等条件来确定盐分掺入量。为不过分降低砂质亚粘土路基强度，以达到缓解土体冻胀的危害性，同时考虑到盐分的现场损失，使掺入氯化钠、氯化钙的重量比达到1%~2.5%，在含有少量粘土和粉土的砂质土的路基土中掺入重量比为1%-2%氯化钠或氯化钾。铁路路基人工盐渍化的施工方法主要包括以下三种:（1）直接将氯化钠等盐分洒在铁路路基上，防止路基或路面冻胀，通过雨水淋湿溶解盐分，使其流动渗入土体以达到盐渍化改良路基的目的。该方法施工简便，对交通影响较小，而且流体渗透比较均匀。由于拉林铁路地区的地表水主要来源于冰雪融化和降雨，在下雨前铺盐，在部分少量区域均匀洒水，也可实现盐渍化改良的目的。（2）可将基坑的回填土进行盐渍化措施处理，然后将其回填至已提前挖好的基坑内，并进行夯实，同时采用防水层将路基表面保护起来，以减少雨水或其他水源的淋漓作用。该方法适用于新建工程，本次工程即采用此种施工方法。（3）将结晶盐填入在基础的周围土体中，进一步再向其中注入与结晶盐相同的饱和溶液。根据冻土深度和盐分扩散速率决定浅孔的孔深和孔间间距，同时为保证在冻前盐分能够有足够的时间完成均匀渗透作用，须在冻前至少2~3个月采用人工盐渍化处理地基。人工盐渍化处理地基的方法在铁路和公路路基冻害整治中得到了广泛的应用，主要是因为其工程经济性，施工可行性，技术简单明了，而且对铁路路线正常运行的影响较小以及其他优点。其缺点是盐量的控制比较难把握，如若处理不得当亦会影响到整个路基的整治效果，甚至可能带来别的路基病害。如果盐量过大，可能会降低路基土强度，如果盐量过小，又不能达到冻害整治效果，因此注盐量不宜过多也不宜太少，基本上小于或等于1.5%为宜。因此，可以通过降低盐分的渗透性来增大抗冻胀效果期限。3.2.3挤密砂桩加固措施在拉林铁路区段DK395+520~DK395+620采用了挤密砂桩加固措施。31万方数据n第三章拉林铁路路基的施工质量控制该方法是利用桩管振动成孔，并填入一定量的砂，在起拔过程中，通过振动和反插达到增强地基承载力的目的，即振动成桩法。挤密砂桩的工作原理是通过砂桩的挤密作用，从而增大周围土体的密实度，而且砂桩又可作为周围土体的排水通道，是一种行之有效的地基加固方法。砂桩与周围土体组成复合式地基，共同承担地基加固作用。挤密砂桩加固施工流程包括：桩位测放预埋桩、桩机就位调平对中、桩管下沉、沉管至设计高度、振动拔管(停管反插、补灌砂)、拔管至设计桩顶高度、桩头复振、移动到下一桩位。（1）测量放样。桩位精度要求±30mm。（2）桩机就位。对桩机的平整度以及桩管的垂直度进行检查，桩管垂直度偏差小于或等于1.5%，砂桩定位偏差不超过桩身的一半。（3）启动桩机，桩锤震动使桩管下沉插入土体，严格控制桩管下沉入土深度，桩长允许偏差±10cm。3（4）待桩管下沉到设计标高后，就立即开始灌砂，灌砂量应大于或等于0.092m/m。（5）沉桩过程中桩管下沉速度控制在0.9～1.3m/min，振动挤压10～20s。（6）打开桩管尖。桩管拔出的同时应进行振动，使砂桩密实度达到最佳状态。每次拔出高度1～2m，留振时间10～20s。当桩管尖距地面2m时，进行反插(拔管1m，留振5～10s;反插桩管0.5m，留振10～20s;再反插)，直至地面完成该桩的灌砂。（7）将砂桩桩管提升至地面，然后移动到下一桩位开始施工。砂料的中、粗砂及砾砂具有一定的级配，砂砾的含泥量为5%。桩管下沉自始至终保持同导向架平行，发生桩位偏斜时及时校正。打桩顺序：从两侧向中间依次进行，从外侧向内侧环绕进行。当实际灌砂量没有满足设计用砂量的要求时，在原位打入桩管，待完成补充灌砂后再打一次，或在附件增设一根砂桩。挤密砂桩中的级配料的排水固结效果比较好，并在桩顶打入荷载的作用下，随地表沉降而逐渐倾向稳定状态，由于桩与土的挤压密实作用，使得桩间土的物理力学特性受到改良，且砂桩与土的相互作用，也能提高冻土地基的承载力。该方法料源广泛，经济性，施工简单易操作，值得被广泛推广。其不足之处是存在粉尘、噪声环境污染，因此，在施工过程中，施工单位对施工现场加强了安全管理和质量管理力度。32万方数据n长安大学硕士学位论文3.3本章小结本章对拉林铁路的路基填筑施工过程进行了阐述和总结，并针对拉林铁路的路基冻害，采用了填料改良、人工盐渍法和挤密砂桩加固措施对路基施工的质量进行了控制。33万方数据n第四章拉林铁路路基整治效果评价第四章拉林铁路路基整治效果评价本章对整治后拉林铁路路基进行沉降观测和冻胀测试，分别选取未整治区段、砂桩法整治区段、人工盐渍法整治区段和填料改良区段的路基进行实地观测和室内试验，并对观测和试验结果进行分析，以期对路基整治效果进行评价。4.1沉降观测4.1.1施工工后沉降控制标准路基的残余变形对铁路工程的结构承载力及列车运行平顺度有显著的影响，根据国内外施工经验，拉林铁路的工后沉降量和沉降差应满足如下要求：（1）路基与桥梁、隧道的连接处，其差异沉降不大于5mm；（2）路基过渡段与桥梁、隧道连接处的折角以及任意两段路基的折角不大于1/1000；（3）任意长为20m的路基路段范围的不均匀沉降不大于20mm/20m。首先应保证铁路路基施工后的沉降量满足要求，才能避免路基的残余变形超出上述标准，通过规范可知，拉林铁路路基工后沉降标准如表4.1所示。表4.1铁路填料冻胀敏感性分类工后沉降不均匀沉降差异沉降折角≤15mm≤20mm/20m≤5mm≤1/10004.1.2路基沉降观测方法（1）沉降板路基的沉降板由三部分组成，分别为混凝土底板、测杆和保护套管，其中底板的尺寸为120cm×50cm×3cm，保护套管一般为塑料材质的套管，测杆为钢制材料的杆件，其直径为40mm，垂直固定在底板上。使用沉降板之前应先对路基顶面进行压实，将沉降板安装固定后对测杆的顶标高进行测定，其值为沉降观测的初始值。随着路基填土施工的进行，其填土高度随之升高，此时应使用接高管通过管箍对测杆进行接高，接高管每节长度宜小于55cm。为避免在填土时，路基填料落入测杆内，对测杆的下沉自由度[17]有所影响，应使用顶帽对测杆的顶口进行封口处理。路基的沉降观测频率应视沉降量的变化幅度进行确定，一般采用水准仪对其进行观测，当沉降量较小时，每天观测频率为1~2次；当沉降量较大时，观测频率为2~3次以34万方数据n长安大学硕士学位论文上，观测精度为±0.5mm。在整个沉降期内，其观测频率同样不同，预沉降期前2个月内的观测频率为5天一次，3个月至6个月期间为7~14天观测一次，6个月后为每月观测一次，直至预沉降期结束。（2）剖面沉降管用于沉降观测的剖面沉降管一般为PVC材质，沉降管直径为43mm~53mm，长度为3m，其具有用于接管的导槽结构，其中管内4个，管外2个，导槽深度为2mm，长度不够时可通过专用接头进行接长。为满足20mm/20m的技术要求，对用于测量沉降的剖面沉降管应保证其长度大于20m。埋设沉降管前，应先对路基进行压实，然后在路基面上画出测线，以测线为基准对路基进行开挖，开挖沟槽的尺寸为30cm×30cm，在槽底铺洒细砂，并保证其平顺。对沉降管穿线后进行铺设，其长度应长出路堤面0.8m，铺[18]设之后对沟槽进行回填压实，测量其初始值。使用沉降管进行沉降观测时，施工期间的观测频率为3天一次，其工后观测频率与沉降板一致。（3）位移观测位移观测采用钢筋混凝土预制桩，其强度为C15，截面尺寸为15cm×15cm，长度应大于1.5m，并在其顶面埋置不锈钢材质的半圆测头。埋设位移观测桩时，采用洛阳铲进行成孔，埋置预制混凝土桩，并以C15混凝土对桩周进行固定，在地表以下的埋置深度不小于1.4m，顶面距地面不大于10cm。（4）观测点布设原则观察点布设原则有三点：填方路段观测点间隔为25m~50m；挖方路段观测点为2个以上；桥梁、涵洞以及路堑的过渡区段应视情况加密观测点。4.1.3沉降整治效果评价针对拉林铁路D2K389+681~D1K390+700和D1K392+400~DK395+620段低路堤数量多、冻害严重的情况，工程采用一定的整治措施对其进行处理，研究选择冻害最严重的区段DK395+520~DK395+620、D1K391+129~D1K391+229试验段分别采用设置砂桩法、人工盐渍化法对路基冻害进行整治，同时对D2K389+681~D2K389+781利用改良土进行填筑，以期进一步查明冻害产生的原因，并对采用的工程整治措施的有效性进行验证评价。35万方数据n第四章拉林铁路路基整治效果评价在采用砂桩法、人工盐渍化法以及改良土填筑的冻害整治区段，通过对试验段的沉降数据进行观测记录，并与未采取整治措施的区段进行对比分析。（1）未整治区段未采取整治措施区段DK395+230处的沉降板情况如表4.2和图4.1所示。13121110沉降量（mm）980306090120150天数（d）图4.1DK395+230断面沉降板沉降规律表4.2DK395+230断面沉降板沉降数据天数（d）15101520253035404550沉降量（mm）7.77.97.88.68.49.39.49.59.910.710.4天数（d）60708090100110120130140150沉降量（mm）10.810.811.911.811.912.212.312.112.312.2由表4.2可以得出，DK395+230处的路基在填土完成时的沉降量为7.7mm，150d时测得的沉降量为12.2mm，沉降变化幅较大，结合图4.1中的曲线变化情况，80d前沉降的增长速率较快，如40d到45d的沉降量由9.9增大至10.7mm，增长幅度为8%。从曲线的整体变化规律来看，沉降初期增长较快，80d后沉降变化趋于平缓，沉降量偏大。（2）砂桩法整治区段对采用砂桩法进行地基加固处理区段DK395+520~DK395+620处的沉降板数据进36万方数据n长安大学硕士学位论文行统计，如表4.3所示，DK395+570断面沉降板沉降规律如图4.2所示。5.04.54.0沉降量（mm）3.53.00306090120150天数（d）图4.2DK395+570断面沉降板沉降规律表4.3DK395+570断面沉降板沉降数据天数（d）15101520253035404550沉降量（mm）3.243.453.623.743.853.964.024.094.154.244.32天数（d）60708090100110120130140150沉降量（mm）4.394.454.544.624.644.664.704.724.754.76由图4.2和表4.3可以看出，采用砂桩法对冻土基底进行处理，当填土完成时，DK395+570处路基沉降量为3.24mm，110d的观测沉降量为4.66mm，砂桩法处理后的路基沉降变化幅度较小，150d最大沉降量为4.76mm，对比表4.2可知，未采取整治措施的路基相对应的沉降量分别为7.7mm、12.2mm和12.2mm，整治后的路基沉降明显减小。从沉降变化的整体曲线来看，60d前路基沉降较快，其沉降速率快于未采取整治措施路基，60d后沉降速率明显减小，整体规律符合沉降速率减小的一般规律。（3）人工盐渍化整治区段对采用人工盐渍化法进行地基加固处理区段D1K391+129~D1K391+229处的沉降板数据进行统计，如表4.4所示，D1K391+179断面沉降板沉降规律如图4.3所示。37万方数据n第四章拉林铁路路基整治效果评价4.84.44.0沉降量(mm)3.63.20306090120150天数（d）图4.3DK392+179断面沉降板沉降规律表4.4DK392+179断面沉降板沉降数据天数（d）15101520253035404550沉降量（mm）3.133.353.593.683.813.934.064.124.194.224.35天数（d）60708090100110120130140150沉降量（mm）4.424.484.554.614.674.714.754.764.754.75由图4.3和表4.4可以看出，采用人工盐渍化法加固冻土基底的承载能力，当填土完成时，DK392+179处路基沉降量为3.13mm，120d的观测沉降量为4.75mm，均远小于相应的未整治路基土沉降量，整治效果显著。同时数据波动较小，从整体曲线来看，沉降逐渐趋于平缓，符合沉降速率逐渐减小的规律。（4）改良土整治区段对采用填料改良法进行地基加固处理区段D2K389+681~D2K389+781处的沉降板数据进行统计，如表4.5所示，D2K389+731断面沉降板沉降规律如图4.4所示。38万方数据n长安大学硕士学位论文5.55.0沉降量（mm）4.54.00306090120150天数（d）图4.4D2K389+731断面沉降板沉降规律表4.5D2K389+731断面沉降板沉降数据天数（d）15101520253035404550沉降量（mm）4.124.244.324.454.524.644.724.814.925.045.11天数（d）60708090100110120130140150沉降量（mm）5.195.265.325.385.425.435.425.445.435.42由表4.5可以看出，采用改良土试验段进行填筑时，D2K389+731处路基在填土完成时的沉降为4.12mm，在150d的沉降量为5.42mm，其沉降量小于未采用整治措施的铁路路基沉降量，但大于前述两种整治措施。从图4.4可以得出，沉降在90d时基本完成，之后沉降速率变化幅度很小。根据上述砂桩法、人工盐渍法、改良土填筑治理措施的沉降数据可以看出，三种冻害治理措施对减少冻土路基沉降的整治效果均比较良好，极大地提高了路基承载力。4.2冻胀测试前文讨论了路基冻胀发生的条件及其影响因素，在以下三个条件同时满足的情况下即发生冻胀现象：（1）地基土容易产生冻胀，即水结晶成冰后能导致土颗粒发生移动，宏观上使土体体积增大，即路基填料为冻胀土；39万方数据n第四章拉林铁路路基整治效果评价（2）有充足的补充水，造成路基内部有较高的含水量；（3）冬季气温低，能使地基土中温度降低到适合产生水晶体的程度。分析拉林铁路路基填料特征与环境条件，可以发现以下特点：（1）该段线路路基填料为粉质粘土，土的颗粒小，容重小，孔隙较大；（2）该土质透水性差导致路基土体含水量较高，水分无法向外迁移、蒸发，积聚在路基道床下部，该地段入冻早，每年10月初夜晚温度下降至摄氏零度以下，冬季最低气温达零下三十多度，最大冻结深度1.4m；（3）道床脏污板结严重，枕下净碴厚度不足200mm，下部脏污道床厚达400mm，加之道床土垅的情况普遍存在，积水不易渗出，使道床内含水量高。因此拉林铁路具备冻胀发生的全部条件，极易在冬季产生积水冻结，继而形成冻胀病害。4.2.1冻胀评价指标（1）冻胀量冻胀量是衡量土体冻结时变形大小的量度，是研究土体冻胀时最重要、最基本的参数。习惯上多采用总冻胀量和分层冻胀量来表征。所谓总冻胀量是指土体冻结时，引起土体的某个外表面（多指地表）隆起位移的总升高值；而分层冻胀量是指冻土中某层土的冻结所引起的该层土的在某个方向（多指垂直向上）的位移变形值；每层土的冻胀量[19]之增量总和，即为总冻胀量。冻胀量的一般表达式如式4.1所示：∆h=?2−?1（4.1）式中：∆h−冻胀量，单位cm或mm；?2−野外天然冻土地面高程或室内试验中冻土试样高度，单位cm或mm；?1−相应点的未冻结前暖土的地面高程或室内试验中相应土样未冻结前的高度，单位cm或mm。(2)冻胀率由于各地冻结深度等条件的不同，即使在同一地区不同地点，冻结深度等都会不尽相同，因此仅用冻胀量很难全面衡量比较出不同土体间冻胀程度的大小或强弱。因此，40万方数据n长安大学硕士学位论文[20]采用冻胀量与冻结厚度之比值作为土冻胀变形的特征值，称为冻胀率（冻胀系数η）。冻胀率是衡量单位厚度土层能产生多大冻胀量，或是说反映冻胀能力的特性指标。同时也是研究土冻胀过程的物理现象、物理过程及随之产生的应力、变形问题的重要特征值。冻胀率一般用式4.2表示：∆ℎη=×100%（4.2）?式中：η−冻胀率，以百分数计；∆ℎ−冻胀量，单位cm或mm；?−产生∆ℎ冻胀量时相应冻土层厚度，习惯上常以冻结深度计，单位cm或mm。冻胀率反映出土的各个冻结点上的冻胀变形强弱，所以常用冻胀率来划分土壤的冻胀等级。《铁路特殊路基设计规范》(TB10035-2006)中冻胀分级如表4.6所示。表4.6冻胀等级划分表冻胀等级IIIIIIIVV冻胀类别不冻胀弱冻胀冻胀强冻胀特强冻胀平均冻胀率η（%）≤11﹤η≤3.53.5﹤η≤66﹤η≤1212﹤η对于一般的建筑物地基土，冻胀率小于1%，甚至冻胀率在1~3.5％范围的弱冻胀土，[21]其冻胀性对地基上部建筑物影响不大。对于路基工程，假如路堤高度为1.5m，当冻胀率η=1％时，路基面冻胀量为15mm，η=3.5％时，路基面冻胀量为52.5mm，此时即使路基填料是弱冻胀土，路基面的冻胀量也达到15.0～52.5mm，对于行车速度低的路基可能影响不大，但对于行车速度高（140~160km/h）的路基，这么大的冻胀量一定会给行车安全带来威胁。4.2.2冻胀测试方法采用室内试验的方法，试验用土分别取自未整治路段、盐渍化整治和填料改良区段。试验设备包括试样筒、恒温箱、制冷与温度控制、变形监测和加压系统组成。试样筒主要是由有机玻璃护筒、刚性底板、刚性护环以及六根刚性立柱组成；护筒直径0.5m，高度1m，护筒上留有供传感器穿过的圆孔，圆孔垂直间距为0.1m，试模支41万方数据n第四章拉林铁路路基整治效果评价座由三角形支座构成，避免试模直接与地面接触，同时易于补水管的连接。温度控制系统采用冷浴来实现。在试件顶板与冷浴相连，控制土柱内部土体温度。温度采集系统主要是由温度采集仪和温度传感器两部分组成。温度采集仪为LU-R3000型温度采集仪。温度传感器为Pt100型温度传感器，采用高精度热敏电阻制成。变形采集装置主要是有百分表和固定百分表的支架组成。百分表的量程为10mm，精度0.01mm，固定支架为可吸附式的刚性支架。原理是试筒内部填装满填料后，在顶部安装一个刚性顶板，在把百分表安装在顶板上部，当发生冻胀时，顶板向上移动，此时百分表数值变大。试验为封闭有侧限，试验前先将试样在2℃的恒温环境中稳定3个小时，然后以恒定的降温速率将温度降至-20℃停止降温，保持这一温度至冻胀稳定。4.2.3冻胀整治效果评价影响土体冻胀的因素很多，现只考虑路基含水率、压实度和外部荷载三个因素对冻胀的影响。（1）含水率未整治人工盐渍填料改良2.52.0）1.5%1.0冻胀率（0.50.010.512.013.515.016.518.019.521.022.5含水率（%）图4.5含水率对冻胀率的影响42万方数据n长安大学硕士学位论文表4.7不同含水率下冻胀率数据10%13%16%19%22%未整治0.540.761.411.972.25人工盐渍0.230.511.121.571.84填料改良0.070.460.941.291.55由图4.5和表4.7可以看出，冻胀率受含水率影响明显，在含水率由10%增大至22%的过程中，未整治路基土的冻胀率增大了317%，人工盐渍和填料改良区段的路基土冻胀率分别增大了近7倍和21倍；不同区段路基土的冻胀率随着含水率的增大而增大，冻胀率的增长速度均是先变快后平缓，未整治、人工盐渍和填料改良区段路基土的冻胀率在含水率由10%增大至16%过程中，冻胀率分别增大了0.87%、0.89%和0.87%，而含水率由16%增大至22%过程中，冻胀率则分别增大了0.84%、0.72%和0.61%。这是由于土中的水结冰体积膨胀，推动土颗粒重新排列，从而增大了土中的孔隙。土体含水率越大，水结冰膨胀的体积越大，土体的冻胀率也越大。进一步比较不同区段土的冻胀率可以发现，经过盐渍化和填料改良整治区段的路基土在各个含水率下的冻胀率均小于未整治区段路基土的冻胀率，说明整治后的路基土的冻胀状况得到改善。（2）压实度未整治人工盐渍3.5填料改良3.02.5）%2.01.5冻胀率（1.00.5828486889092压实度（%）图4.6压实度对冻胀率的影响43万方数据n第四章拉林铁路路基整治效果评价表4.8不同压实度下冻胀率数据83%87%91%未整治3.363.041.77人工盐渍3.432.881.31填料改良2.972.410.62由图4.6和表4.8可以发现，各个区段路基土的冻胀率随着压实度的增大而减小，超过一定压实度时冻胀率迅速降低。这是因为土体密度增大，导致土体含水率降至起始冻胀含水率界限下，且使冻结过程中水分迁移受阻而减弱，所以冻胀率就降低。进一步比较不同区段土的冻胀率可以发现，填料改良区段的路基土在各个压实度下的冻胀率均明显小于未整治区段和盐渍化整治区段路基土的冻胀率，盐渍化整治区段的路基土较之未整治区段抗冻胀能力强一些。整体而言，整治后的路基土冻胀状况具有得到改善，另一方面也说明了施工时良好的压实效果有利于防止冻胀。（2）外部荷载未整治4人工盐渍填料改良3）%2冻胀率（105101520外部荷载（KPa）图4.7外部荷载对冻胀率的影响44万方数据n长安大学硕士学位论文表4.9不同外部荷载下冻胀率数据0KPa5Kpa10Kpa15Kpa20Kpa未整治3.652.522.131.871.63盐渍化3.432.441.921.571.33填料改良2.911.891.521.381.02由图4.7和表4.9可知，冻胀率受外部荷载影响，不同区段路基土的冻胀率随着外部荷载的增大而减小，其中外部荷载由0Kpa增大至5Kpa过程中，未整治、人工盐渍和填料改良区段路基土的冻胀率分别减小了1.13%、0.99%和1.02%，而在外部荷载由5Kpa增大至20Kpa过程中，各个区段路基土的冻胀率分别减小了1.11%、1.11%和0.87%，两个过程冻胀率变化量接近，但是前一过程外部荷载只增加了5Kpa，后一过程外部荷载则增加了15Kpa，因此冻胀率受外部荷载影响主要集中在初期，之后随着荷载的加大，冻胀率缓慢减小。试验结果说明外部荷载对土体冻胀有抑制作用。土体外部压力增大会引起土颗粒间接触应力的增大，降低了土体冻结点，影响了土中水分的相态转化，从而抑制了土体的冻胀。比较不同区段土的冻胀率可以发现，经过盐渍化和填料改良整治的路基土在不同荷载下的冻胀率均小于未整治路基土的冻胀率，说明整治后的路基土的冻胀状况得到改善。4.3本章小结本章对整治后拉林铁路路基进行了沉降观测和冻胀测试。结果表明，较之未整治区段路基，采用砂桩法、人工盐渍法、填料改良等措施对减少路基沉降和路基冻胀的整治效果均比较良好，降低了冻害对路基的不利影响。45万方数据n第五章结论与展望第五章结论与展望5.1主要结论本文从自然条件（如气候、地质）、筑路材料、施工条件等方面对拉林铁路路基病害进行深入研究和分析，并针对铁路路基不同病害产生的原因，提出拉林铁路路基各种病害的防治措施。本文的主要结论如下：（1）首先根据拉林铁路冻土区的冻害特征，讨论了路基冻害的类型，基于拉林铁路沿线工程条件，对路基冻害的机理、特征以及影响因素进行了分析，并对路基冻害的防治措施进行了分类和总结。（2）对拉林铁路的路基填筑施工过程进行了阐述和总结，并针对拉林铁路的路基冻害采用了填料改良、人工盐渍法和挤密砂桩加固措施对路基施工的质量进行了控制。（3）本章对整治后拉林铁路路基进行了沉降观测和冻胀测试。结果表明，采用砂桩法、人工盐渍法、填料改良等措施对减少路基沉降和路基冻胀的整治效果均比较良好，降低了冻害对路基的不利影响。5.2展望本文主要分析了高原冻土地区铁路路基病害的成因，并采取了相应的防治措施。但仍有很多未考虑到的因素和方面，主要有以下几点：（1）铁路路基冻胀的影响因素很多。例如气候条件是一种不容忽视的影响因素，其对土体冻胀有着非常关键的作用，且其对铁路路基冻胀的影响研究较为复杂。（2）根据冻害治理所依据的原则和方法，应在采取的整治措施中寻求与疏干排水孔群治理措施更为经济有效地治理措施，达到省钱且具有较长使用效果的目的。（3）目前对于冻土研究中，路基土体的水分场、温度场、应力场三者之间尚未建立一个完整的耦合模型，以研究土体的冻胀机理，应对该方面进行进一步的研究。46万方数据n长安大学硕士学位论文参考文献[1]郑东凯.基于ArcGIS的青藏走廊带多年冻土路基稳定性评价研究[D].长安大学,2013.[2]杨永平.热管技术及其在青藏铁路多年冻土地区路基稳定性中的应用研究[D].北京交通大学,2004.[3]倪铁山,丁超.注盐法整治铁路路基冻害的试验性研究[J].科技创新与应用,2012(32):218-219.[4]胡宇,邓荣贵,张平.EPS保温板抗路基冻害特征分析[J].路基工程,2003(3):32-36.[5]王铁行.多年冻土地区路基冻胀变形分析[J].中国公路学报,2005,18(2):1-5.[6]钟敏辉,王少斌.季节性冻土路基冻胀性分析及治理措施[J].铁道建筑,2009(4):96-98.[7]杨永鹏,蒋富强.青藏高原多年冻土区通风管路基温度特性分析[J].中国铁道科学,2010,31(4):7-11.[8]郑度.中国的青藏高原[M].科学出版社,1985.[9]江涛.季节性冻土路基的冻胀机理及其防治措施[J].土工基础,2013,27(2):93-96.[10]孙逢坤,李建国,殷昊,等.既有铁路路基边坡防护技术[J].山西建筑,2014,40(7):153-154.[11]张富贵,时绍波,沈华.挤密砂桩处理砂土与软土互层地基的试验研究[J].公路交通科技:应用技术版,2014(3).[12]许健,牛富俊,牛永红,等.换填法抑制季节冻土区铁路路基冻胀效果分析[J].中国铁道科学,2011,32(5):1-7.[13]杨建强,罗先香.土壤盐渍化与地下水动态特征关系研究[J].水土保持通报,1999,19(6):11-15.[14]聂志红,阮波,李亮.铁路道床路基动力响应的参数影响[J].交通运输工程学报,2004,4(1):34-37.[15]张宏红,侯金桥.严寒地区道路冻胀的原因解析及防治措施[J].山西建筑,2011,37(26):148-149.[16]王生俊.化学加固法在黄土地区高速公路中的应用[J].中外公路,2003,23(4):93-95.[17]张序.高速公路软土地基沉降板观测沉降的程序和方法[J].公路,2002(12):47-51.[18]侯金刚.高速铁路过渡段沉降观测桩替代剖面沉降管技术应用[J].测绘通报,2013(s1):177-180.[19]李卓,刘斯宏,王柳江,等.冻融循环作用下土工袋冻胀量和融沉量试验[J].岩土力学,2013(9):2541-2545.[20]曲肖龙,王静,吴春利.冻融循环下路基土冻胀率与塑性指数相关性研究[J].吉林建筑大学学报,2012,29(1):24-26.[21]张丽,郭彦荣,杨有海.兰新铁路季节冻土冻胀特性试验分析[J].低温建筑技术,2010,32(10):86-88.47万方数据n致谢致谢我首先要感谢我的论文指导老师、长安大学公路学院的陈玉副教授。陈老师对我论文做出了指导性的意见和认真负责的修改，在论文撰写过程中及时对我遇到的困难和疑惑给予悉心指点，提出了许多一针见血的意见，投入了超多的心血和精力。陈老师对我的帮忙和关怀表示诚挚的谢意!同时，还要感谢长安大学公路学院的授课老师们和所有同学们，大家在上课的过程中互相学习，互相帮忙，共同度过了一段完美难忘的时光。我还要感谢我的家人，是他们在我背后提供精神动力和支持；谢谢我的领导和同事们，感谢他们在撰写论文过程中对我专业问题的耐心指导。最后衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家老师!衷心祝愿你们健康幸福，工作顺利！48万方数据