铁道工程中冻害对路基与桥梁的影响与防治策略研究

摘要：在铁道工程建设与运营中，冻害是影响路基与桥梁结构稳定性和安全性的关键因素之一。本文深入分析冻害对铁道工程路基与桥梁的影响机制，探讨现有防治策略的成效与不足，并提出优化防治措施，旨在为保障铁道工程在寒区的安全稳定运行提供理论支持与实践指导。

关键词：铁道工程；冻害；路基；桥梁；防治策略

随着我国铁路建设的不断推进，越来越多的铁路穿越寒冷地区。在这些地区，季节性或永久性的冻土广泛分布，冻害问题对铁道工程的危害日益凸显。冻害不仅会增加铁道工程的建设成本，还严重威胁到铁路的运营安全和使用寿命。因此，深入研究冻害对路基与桥梁的影响及有效的防治策略具有重要的现实意义。

一、冻害对路基的影响

（一）路基冻胀变形

在寒冷地区，当冬季来临，低温环境使得路基土中的水分发生冻结。水在结冰过程中，其体积会膨胀约9%，这种膨胀力作用于路基土体，就会导致路基表面向上隆起，进而产生冻胀变形。以我国东北、西北等严寒地区的铁路为例，每年冬季都是冻胀问题的高发期。由于这些地区冬季气温极低，且持续时间长，路基土中的水分大量冻结，冻胀现象频繁出现。冻胀变形对铁路运行的影响不容小觑。轨道的高低不平会直接影响列车的行驶平稳性，乘客在列车上会明显感受到颠簸，舒适度大打折扣。更为严重的是，当冻胀量超过一定限度时，轨道的几何尺寸会发生显著改变。轨道的轨距、水平度等关键参数一旦偏离正常范围，列车在行驶过程中就会受到异常的作用力。轮轨之间的接触关系被破坏，增加了列车脱轨的风险，对行车安全构成了严重威胁。此外，路基冻胀还会波及路基边坡。冻胀产生的应力会破坏边坡土体的原有结构，使其稳定性下降。在一些地势起伏较大的地段，这种影响更为明显，可能引发滑坡等地质灾害。滑坡不仅会掩埋铁路轨道，中断铁路运输，还可能对附近的人员和设施造成损害，严重威胁铁路的正常运营安全。

（二）路基融沉破坏

随着春季气温逐渐回升，冬季冻结的路基土开始融化。冻土融化后，土体中的冰转化为水，原本由冰晶支撑的土体结构被破坏，土体的强度显著降低。此时，在列车的持续荷载以及路基自身重力的双重作用下，路基就极易发生融沉现象。路基融沉表现为路基表面下沉，反映在轨道上就是出现凹陷。轨道的凹陷会进一步加剧轨道的不平顺状况，列车行驶时产生的冲击力会更大，轮轨之间的磨损也会加剧。这不仅缩短了轨道部件的使用寿命，增加了维护成本，还对列车的行驶安全造成了更大的隐患。长期的融沉作用会对路基的整体结构造成严重破坏。路基内部的土层结构被打乱，承载能力下降。为了维持铁路的正常运营，就需要频繁地对路基进行维修和加固，这无疑大大增加了铁路运营的成本。而且，融沉还可能引发翻浆冒泥病害。当路基土体中的水分在列车荷载作用下被挤出，携带细颗粒土形成泥浆，冒出路面，会使道床的排水性能变差，道床板结，进一步恶化道床的工作条件，严重危及轨道的稳定性。若不及时处理，将会对铁路的安全运营造成极大的威胁。

（三）对路基土力学性质的影响

冻融循环过程对路基土的物理力学性质有着深刻的影响。在冻结阶段，由于土中水分的迁移，水分会从温度较高的区域向温度较低的区域移动并在低温处冻结。这一过程使得土颗粒的排列方式发生改变，土颗粒间的孔隙被冰晶填充，导致孔隙比增大。同时，由于水分变成冰后密度减小，整个土体的密度也随之减小。当进入融化阶段，随着冰晶的融化，土体结构强度会迅速降低。冰晶融化后留下的孔隙使得土体变得松散，在外部荷载作用下更容易发生变形，压缩性明显增大。经过多次冻融循环后，路基土的抗剪强度会大幅下降。抗剪强度是衡量土体抵抗剪切破坏能力的重要指标，其下降意味着土体在受到外力作用时更容易发生滑动和变形。而铁路路基需要承受列车的巨大荷载，路基土抗剪强度的不足会导致其承载能力无法满足要求。列车行驶时产生的动荷载会不断对路基土施加作用力，在这种情况下，路基土难以稳定支撑轨道结构，影响路基的长期稳定性。长期如此，会使得路基出现不均匀沉降、开裂等病害，严重威胁铁路的安全运营，增加了维护和修复的难度与成本。

二、冻害对桥梁的影响

（一）桥墩基础冻胀

在寒冷地区，当桥梁桥墩基础处于冻土环境时，随着气温下降，基础周围的土体开始冻结。土中的水分结冰后体积膨胀，会对桥墩基础产生冻胀力，方向向上。这种冻胀力就像一股无形的力量，试图将桥墩向上抬起。当冻胀力超过桥墩基础自身的抗拔力时，桥墩就会被迫发生冻胀位移。一旦出现这种情况，桥墩的垂直状态被打破，进而出现倾斜。而且，不均匀的冻胀力还会在桥墩内部产生应力集中，当应力超过桥墩材料的承受极限时，桥墩就会出现开裂现象。在采用桩基础的桥梁中，冻胀力的影响更为突出。由于桩身深入地下冻土，不同部位受到的冻胀力大小和方向存在差异，这就使得桩身受不均匀拉力。长此以往，桩身可能会因为承受不住这种拉力而发生断裂。

（二）桥梁支座冻害

桥梁支座在桥梁结构中起着重要作用，它负责传递桥梁上部结构的荷载，并保证梁体能够按照设计要求进行伸缩和转动。然而，在寒冷地区，支座却容易受到冻害的影响。当气温降至冰点以下，支座周围的水分会冻结成冰。对于固定支座而言，冰的存在可能会破坏其约束结构，使其失去对梁体的约束作用。梁体在车辆荷载、温度变化等因素的作用下，会出现不应有的位移。这种位移如果过大，会导致梁体与桥台、桥墩之间的连接部位受损，影响桥梁的整体稳定性。活动支座的主要功能是保证梁体能自由伸缩。但在冻结情况下，活动支座被冰“锁住”，无法自由活动。在温度变化时，梁体会因为热胀冷缩而产生伸缩变形。由于活动支座不能正常工作，梁体的伸缩受到限制，这就会在梁体内部产生过大的附加应力。这种附加应力会与梁体原本承受的荷载应力叠加，使梁体所受应力远超设计允许范围。长期处于这种高应力状态下，桥梁结构会加速损坏，缩短桥梁的使用寿命，增加桥梁维护和更换支座的成本，严重时甚至可能导致桥梁垮塌，危及行车安全。

（三）桥梁附属设施冻害

桥梁的附属设施，如伸缩缝和排水系统，在寒冷环境下也面临着冻害的威胁。伸缩缝是为了适应桥梁梁体在温度变化、混凝土收缩徐变等因素作用下的伸缩变形而设置的。在冬季，当气温过低时，伸缩缝内的填充物和周围的水分会冻结。一旦冻结，伸缩缝就失去了伸缩功能。在温度升高时，梁体要膨胀伸长，但由于伸缩缝被冻住，梁体的伸缩变形无法顺利释放。这种变形受到约束后，会在梁体内部产生过大的应力。当应力超过梁体混凝土的抗拉强度时，梁体就会出现开裂现象。梁体开裂不仅影响桥梁的外观，还会降低梁体的承载能力和耐久性。排水系统对于桥梁至关重要，它能及时排除桥面积水，防止积水渗入桥梁结构内部。然而，在寒冷天气中，排水管道和排水口容易结冰堵塞，导致排水不畅。桥面积水无法及时排出，就会在桥面上结冰。结冰的桥面会降低车轮与桥面之间的摩擦力，增加车辆行驶的危险，容易引发交通事故。而且，积水长时间滞留在桥面上，会慢慢渗入桥梁结构内部，侵蚀桥梁的混凝土和钢筋。混凝土被侵蚀后，强度会下降，钢筋生锈后，其与混凝土的粘结力减弱，从而缩短桥梁的使用寿命。

三、铁道工程冻害防治策略

（一）路基冻害防治策略

1.换填法

换填法是应对路基冻害的一种有效策略，尤其适用于冻胀敏感性高的路基土。当路基土的冻胀性较强时，在寒冷季节，土中的水分冻结膨胀会导致路基产生严重的冻胀变形，影响铁路的正常运行。此时，换填法通过挖除冻胀性强的土体，并用透水性好、冻胀性小的砂、砾石等材料进行替换，从根源上减少了路基土体的水分含量，进而降低冻胀变形的风险。换填厚度的确定是换填法的关键环节，它需要综合考虑当地冻土深度、土的冻胀性等多种因素。在冻土深度较深、土的冻胀性较强的地区，为了达到更好的防治效果，换填厚度往往需要相应增加。例如，在我国东北的一些多年冻土地区，经过详细的地质勘察和分析，部分路段的换填厚度达到了 2 - 3 米。通过精准确定换填厚度，能够确保冻胀性强的土层被有效替换，使路基在寒冷季节保持稳定。同时，换填材料的选择也十分重要，砂和砾石具有良好的透水性，能够迅速排出水分，减少水分在路基中的积聚，有效降低冻胀的可能性。

2.排水措施

完善的排水系统对防治冻害至关重要。地面排水设施如边沟和截水沟，能拦截和排除路基表面积水。边沟设置在路基两侧，收集路面和边坡雨水并引至下游；截水沟拦截山坡流向路基的地表水，防止冲刷和渗透，避免水分下渗导致冻胀。地下排水设施如盲沟和渗沟，可降低地下水位。盲沟是填充透水性材料的暗沟，能引导地下水至排水出口；渗沟带有过滤层，可排水并防止土壤颗粒流失。此外，设置土工膜等隔水层，能阻止水分进入路基冻结区，合理设置其位置和厚度，可保障路基稳定。

3.保温措施

在路基表面铺设保温材料也是重要的防治手段。聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯泡沫等保温材料，通过阻止热量传递，减缓路基土体温度下降速度，降低冻结深度，减少冻胀变形。铺设厚度需根据当地气候条件、冻土深度精确设计，在严寒地区，如青藏高原部分铁路路基，保温材料铺设厚度超 50 厘米。铺设时要注意密封和固定，防止冷空气进入和材料位移脱落。

4.注盐措施

注盐措施利用盐类降低水的冰点，减少水分冻结膨胀对路基的破坏。适用于季节性冻土地区且地下水位较高路段，以及粉质土、粉砂等冻胀性强的土基。常用盐类有氯化钠和氯化钙，氯化钠成本低但有腐蚀性，氯化钙融冰效果好但成本高，应综合考虑工程预算和环境要求选择。注盐一般采用钻孔灌注，按一定间距钻孔至冻害土层深度，注入盐溶液使其扩散均匀，也可在路基填筑时混入土料，但对盐量控制和混合均匀度要求高。注盐量要根据多种因素确定，盐溶液浓度通常控制在 5% - 15%。不过，注盐可能导致土壤盐碱化，影响植被生长和水源，还可能腐蚀路基金属部件、改变土的物理力学性质。因此，实施后要监测周边环境，对路基金属部件防腐处理，并定期检测路基土性质变化。

（二）桥梁冻害防治策略

1.优化桥墩基础设计

在设计桥梁桥墩基础时，充分考虑冻胀力的影响是确保桥梁结构安全的关键。冻胀力会对桥墩基础产生向上的抬升作用，威胁桥墩的稳定性。采用扩大基础、桩基础等形式可以有效增强桥墩基础的抗拔力和稳定性。扩大基础通过增加基础的底面积，分散冻胀力的作用，使桥墩能够更好地抵抗冻胀力的影响。桩基础在桥梁建设中应用广泛，为了减少冻胀力对桩身的作用，可以采用灌注桩、挖孔桩等形式，并在桩身周围设置防冻胀措施。例如，在桩身表面涂抹隔离剂，能够减小桩身与周围土体之间的摩擦力，降低冻胀力对桩身的拉力。设置防冻胀环也是一种有效的方法，防冻胀环可以改变冻胀力的传递路径，减少冻胀力对桩身的影响。通过这些措施，可以有效保护桩身，防止其因冻胀力而发生断裂或变形，保障桥梁的结构安全。

2.改善桥梁支座性能

桥梁支座在桥梁结构中起着传递荷载和保证梁体伸缩转动的重要作用。在寒冷地区，支座容易受到冻害的影响，导致其活动性能受限。为了改善桥梁支座性能，应选用适合寒冷地区的耐寒橡胶支座、聚四氟乙烯滑板支座等。这些支座具有良好的耐寒性能，能够在低温环境下保持较好的弹性和滑动性能。同时，采取保温防护措施对于确保支座的正常工作至关重要。在支座周围设置保温层，可以防止支座在寒冷天气中冻结。保温层可以采用保温材料包裹支座的方式进行设置，常见的保温材料有聚氨酯泡沫板等。此外，定期对支座进行检查和维护，及时清理支座周围的积雪和冰块，也是保证支座活动性能正常的重要措施。通过定期检查，可以及时发现支座存在的问题，并采取相应的修复措施，确保桥梁的安全运行。

3.加强桥梁附属设施的防护

桥梁附属设施，如伸缩缝和排水系统，在寒冷地区也容易受到冻害的破坏。

（1）伸缩缝作为桥梁结构中的重要部件，主要用于适应梁体因温度变化、混凝土收缩徐变等因素产生的伸缩变形。在寒冷的冬季，若伸缩缝未采取有效的防护措施，极易出现冻结现象。一旦伸缩缝被冻住，梁体的伸缩变形就无法正常进行。在温度升高时，梁体膨胀受到限制，内部会产生巨大的应力。这种应力若超过梁体的承受极限，就会导致梁体出现裂缝，严重影响桥梁的结构强度和耐久性。为防止伸缩缝冻结，填充保温材料是行之有效的方法。聚苯乙烯泡沫板和橡胶条等常见的保温填充材料，在低温环境下仍能保持良好的弹性。聚苯乙烯泡沫板具有质轻、保温性能好的特点，其闭孔结构能有效阻止热量散失，减少伸缩缝内温度的降低，从而避免水分冻结。橡胶条则凭借其出色的柔韧性和密封性，不仅能起到保温作用，还能防止雨雪等杂物进入伸缩缝，进一步降低冻结风险。通过填充这些保温材料，可确保伸缩缝在冬季也能正常工作，保障梁体伸缩变形的顺利进行，维护桥梁结构的稳定性。

（2）排水系统在桥梁运行中承担着排除桥面积水的重要任务。然而，在寒冷地区，排水系统结冰堵塞是常见的问题。一旦排水不畅，桥面积水就会大量积聚。积水在低温下迅速结冰，会使桥面变得异常光滑，极大地降低了车辆轮胎与桥面之间的摩擦力，严重影响行车安全，增加了交通事故的发生概率。而且，积水长时间滞留在桥面上，会逐渐渗入桥梁结构内部。水中的有害物质会侵蚀桥梁的混凝土和钢筋，导致混凝土强度下降、钢筋生锈，进而削弱桥梁的承载能力，缩短桥梁的使用寿命。因此，定期清理排水系统至关重要。在冬季来临前，应安排专业人员对排水管道和排水口进行全面检查和清理。仔细清除其中堆积的杂物，如树叶、泥土等，以及积雪和冰块。通过提前预防，保证排水系统在冬季能够正常运行，及时排除桥面积水，减少对桥梁结构的损害。此外，在桥面上设置防滑措施也是必不可少的。铺设防滑地砖可以增加桥面的粗糙度，提高轮胎与桥面的摩擦力，使车辆在结冰路面上行驶时更具稳定性。撒布融雪剂则能降低冰雪的融点，加速桥面积雪和结冰的融化，保持桥面干燥，进一步保障行车安全。这些防滑措施相互配合，为过往车辆提供了更安全的通行条件。

四、结语

冻害对铁道工程路基与桥梁的影响是多方面的，严重威胁到铁路的安全运营和使用寿命。通过深入研究冻害的影响机制，采取有效的防治策略，如路基的换填、排水、保温措施，桥梁的基础优化、支座改善、附属设施防护等，可以显著降低冻害对铁道工程的危害。在未来的铁道工程建设中，应进一步加强对冻害问题的研究，不断完善防治技术，提高铁道工程在寒区的适应性和稳定性，确保铁路运输的安全与畅通。

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