季节性冻融条件下循环荷载中土工布对道砟污染的影响

为什么春季融冻会给铁轨带来麻烦

在许多寒冷地区，铁路在漫长的冬季中尚能维持稳定，但到了春天却面临最严峻的考验。随着冻结的地面自上而下融化，轨道下方水分和土壤的隐蔽变化可能削弱支撑钢轨的碎石。本研究考察了一种称为土工布的薄型织物层如何帮助铁路抵御这些季节性压力：它既能阻止细土堵塞粗砾，又能重塑两者之间水流的运动方式。

冰雪消融时轨道下发生的情况

寒冷气候下的铁轨通常铺设在一层粗碎石（称为道砟）之上，道砟分散列车荷载并利于排水。其下为较细的土壤，即基床。冬季时，基床自上而下冻结。随着反复的冻结与融化，水分会被拉向上层并在土体顶层聚集。当春天来临时，这一上层区域往往比深层更为潮湿，软化且富水的土壤层就位于道砟下方。

潮湿土壤为何会导致碎石堵塞

一旦列车开始经过这一潮湿界面，每次轮载都会挤压被困的水和细土颗粒。反复荷载会提高土体孔隙水压力，并将细颗粒推入道砟石块之间的空隙，这一过程常称为泥泵作用。随着时间推移，形成致密的脏层会降低排水性并使道床变得不那么刚性。研究表明，上层土壤含水量越高，道砟被细颗粒侵入的程度、细颗粒向上的移动以及污染层厚度就越大，尤其是在类似晚春融 thaw 的极湿条件下。

一层薄织物如何改变这一过程

工程上常在道砟与基床之间铺设土工布。该织物既坚固又有渗透性，允许水通过却阻挡大部分细土颗粒。在试验中，土工布既充当物理隔离层，又像一个微妙的水流阀门。它降低了深层土体的孔隙水压力，减弱了驱动界面附近渗流的向上压强梯度。同时，它延缓了每次荷载后织物附近孔压释放的速度。尽管局部孔压释放较慢，铺有土工布的试件在试验结束时上层土壤的含水量仍低于未加布的试件。

更干净的碎石与更稳定的路基

荷载后的目视与筛分试验显示出明显对比。未铺土工布时，细颗粒侵入道砟，先填满最下层石粒，随后向上蔓延，在最湿的条件下有时甚至出现明显的泥泵到表面的现象，整个道砟厚度均被污染。铺设土工布时，石块间几乎没有发现细土，道砟的粒径分布在各深度上仍接近初始状态。加固情况下道砟厚度的任何减薄主要来自石块自身更紧密地堆积，而非土壤向上挤出所致。

对寒冷地区铁路的启示

对非专业读者而言，最重要的信息很直接：在季节性冻结地区，春季融冻可能会悄然将原本清洁、排水良好的道砟转变为被堵塞且对水敏感的层，从而削弱道床稳定性。本研究表明，将一张简单的织物置于碎石与下覆土之间，可以通过阻挡土壤迁移并重塑界面处水与压力的行为，大幅减缓这种堵塞。然而，由于土工布也会改变局部水压，应当与良好的排水措施配合使用，而非视为万灵药。这些发现为在冻融频繁的地区设计更耐久的铁道提供了实用指导。

引用: Zhang, D., Li, Q., Li, S. et al. Effect of geotextile on ballast fouling under cyclic loading in seasonal freeze–thaw conditions. Sci Rep 16, 15261 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46491-0

关键词: 铁路道砟, 土工布, 冻融, 道砟污染, 泥泵作用