转自：中国科学报

在零下30℃的广袤雪原之上，一列时速300公里的高速列车宛如一条银色巨龙，在寒区风驰电掣。车厢内，人们谈笑风生，水杯中的液体纹丝不动，仿佛置身于平稳的陆地之上。

然而，这份宁静背后，是“速度激情”与“寒区高速铁路路基毫米级冻胀变形控制”之间一场无声的较量。这场较量的对手，正是潜伏在寒区高铁路基内的“隐形杀手”——冰。正是由于水分在低温环境下冻结形成冰体，体积膨胀，导致路基土体向上隆起，从而引发冻胀。这种看似微小的隆起，实则是高铁安全平稳运行的“大敌”，具有极大的破坏力和威胁性。

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寒区高铁路基冻胀的形成之谜

寒区高速铁路路基的隆起并非凭空而来，而是自然界冷、水、土三位“艺术家”协同创作的“杰作”。

水，是冻胀变形的物质源泉，是这场“膨胀秀”的始作俑者。水在冻结成冰时，体积会膨胀约9%。如果没有充足的水源补给，寒区高铁路基的冻胀便无从谈起。若路基的防水排水措施失效，外部水源（如融雪水、雨水、地下水）便会大量渗入，浸满粗颗粒土间的缝隙。

这些“泡”在缝隙中的水分在低温环境下冻结形成冰体，进而膨胀导致路基冻胀。随着水分越聚越多，路基体内的冰水相变量不断增加，土颗粒就会被挤开、顶起，就像在拥挤的地铁上，一个人突然胖了一圈，势必会挤开周围的人。

土质，是冻胀强弱的承载因素。严寒地区高铁路基通常采用粗颗粒土作为填料，其较大的孔隙结构既难以产生强大的毛细力“抽吸”远处的水分，又能轻松快速地让水流排走，同时自身也“存不住”太多水。这三重优势共同保障了寒区高铁路基不易产生显著冻胀。然而，一旦混入细颗粒（粒径小于 0.075mm），且其含量超过一定界限值（通常为 5%-12%）时，细粒土将会堵塞粗颗粒间的通道，形成密集的“微型毛细管网”。

当冷季路基形成冻结锋面时，其强大的抽吸力会通过这些“细管”持续将下部未冻区中的水分“抽”上来，在冻结锋面快速堆积成薄冰层，如同不断增厚的“冰夹层”，将路基向上顶起。

低温，是冻胀变形的“造型师”。持续的低温推动着“冰冻前线”——冻结锋面不断向寒区高速铁路路基深处推进。当基床表层在零下30℃已经冻成“冰棍”，而下部土体仍然保持0℃时，巨大的温差会使表层土壤拼命往上拱，最终形成冻胀。

路基冻胀对寒区高铁的致命威胁

在严寒环境下，真正威胁高铁路基工程安全运营的并非是“就地结冰引起的原位冻胀”，而是“抽水结冰引起的分凝冻胀”。具体来说，在毛细吸力与温度梯度的协同作用下，未冻区中的水分会持续向冻结锋面迁移聚集，形成亿万微型液压“冰晶千斤顶”。

当这些冰晶在土体中同步膨胀时，其产生的分布式抬升力将突破高铁路基结构的承载阈值，在基床表面形成凹凸不平的膨胀变形，致使轨道平顺度变差。当列车以300km/h 的时速通过时，轨道极微小的偏差将会被放大为危及行车安全的灾难。寒区高铁路基冻胀病害的可怕之处就在于此，它将看似无害的冰晶转化为能撼动万吨列车的隐形推手。

更危险的是，受区域气候环境和地质环境等因素的影响，寒区高铁路基的冻胀形态呈现出明显的空间差异性，相邻区段的冻胀量甚至可能呈现2倍以上的级差。这种较大的非均匀变形可能会将笔直的钢轨扭曲成肉眼无法识别的“波浪”状，对高速列车的安全、平稳运行构成致命威胁。

此外，寒区高铁路基的冻胀还具有周期性破坏特征。冬季冻胀上拱，春融沉降下陷，年复一年的冻融循环将会导致高铁路基产生累积变形。这种往复不可逆的结构劣化过程，可能会使轨道几何状态持续恶化，严重威胁高铁运营安全。

多重科技抵抗寒区高铁路基冻胀

在严寒肆虐、大地冰封的环境下，寒区高铁路基面临的冻胀威胁如同一头凶猛的巨兽，随时可能破坏高铁的安全与平稳运行。而中国科技工作者们凭借卓越的智慧与不懈的努力，筑起了一道道坚不可摧的科技防线，将冻胀变形牢牢锁于无形。

为了应对冻胀的“幕后黑手”——水，科技工作者们在寒区高铁沿线精心布设了长达万里的排水沟。这些排水沟纵横交错，形成了一套高效且复杂的“地表地下疏水脉络”。无论是滂沱的雨水、洁白的雪水，还是潜藏的地下水，都能在这套脉络中快速流淌，远离路基体，从而避免了水分在低温环境下渗入路基形成冻胀。不仅如此，他们还在路基的关键层位铺设了特殊的隔断层。这层隔断层稳稳地横亘在水分与路基之间，彻底阻断了水分向上“攀爬”的通道，从源头上减少了水分对路基的侵害。

在改良路基土质方面，科技工作者们更是施展了多种“神通”。他们采用“换土大法”，将那些容易引发冻胀的土壤挖走，然后换上性能优良的非冻胀填料，从根本上改善了路基的抗冻胀性能。同时，他们还运用“点土成石法”，向路基填料中掺入5%的水泥。水泥与填料发生化学反应，使原本松软的填料逐渐“石化”，变得坚硬无比，大大提升了路基的抗冻能力。此外，他们还大胆引入了泡沫轻质土。这种土壤自重仅为普通土的三分之一，而且孔隙大，水分根本无法在其中停留，让冻胀从根本上失去了“土壤”，无处可依。

为了抵御严寒对路基的侵袭，科技工作者们在路基关键部位铺设了保温板。这些保温板就像一张温暖而厚实的“大地羽绒被”，有效隔绝了外界寒气的入侵。在它的保护下，路基深处不易冻结，对路基本体的保温效果甚至堪比厚积雪覆盖。与此同时，他们还在路基两侧堆筑起了蜿蜒曲折的保温护道。这些保温护道宛如一条“冰雪长城”，傲然挺立在路基两侧，为路基抵御着寒流的侵袭。不仅如此，借助先进的科技手段，科技工作者们还在路基内部埋入了智能温控系统。这个系统像一个精准的“温度管家”，能够实时监测并精准调节路基的冻结深度，将冻胀牢牢控制在安全范围内，相当于给路基装上了一个智能化的“空调”。

在轨道设计方面，科技工作者们同样独具匠心。他们在轨道之下铺设了一层缓冲层，这层缓冲层就像一双柔软而富有弹性的“减震鞋”。当路基被“冰晶千斤顶”顶起时，这层“鞋垫”能够迅速吸收冻胀引起的毫米级起伏，让轨道板尽量保持平稳。此外，他们还采用了可调式扣件。这些可调式扣件就像轨道的“微雕师”，一旦监测到某段轨道因为冻胀而出现不平的情况，工程师们便可以迅速而精准地拧动螺丝，将轨面瞬间调平，让高速列车在行驶过程中始终感觉是在跑“平地”，确保了列车行驶的安全与平稳。

如今，中国的高铁网络已经深入广袤的严寒地带。像哈大高铁、兰新高铁、京张高铁这些世界顶尖的“高寒勇士”，正是靠着上面这一套套组合拳般的“防冻胀”科技，才能在极端低温、大温差和复杂地质环境下，稳稳守护着冻土上的“中国速度”。而气候变暖导致的极端气候事件频发，也注定了冻胀防治将成为一场持续的科技长征。

当你乘坐高铁，安稳地穿越壮丽的冰雪世界时，别忘了在你脚下的冻土深处，正进行着一场无声而伟大的“毫米级战争”。每一寸平稳延伸的钢轨，都凝聚着科技工作者们的智慧，体现了这些看不见的“黑科技”，是人们在冰封大地上的精准刻画。科技，隔绝严寒，守护着旅途中的每一分温暖、安心与平稳！科技，让“千里冰封”不再是速度的阻碍！