東北地區客運專線凍脹融沉規律試驗研究

雷曉雨　隋孝民　李季宏　楊明雨　何淑玲

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

路基工程是無砟軌道線路工程的主要組成部分，由散體材料組成的路基也是整個鐵路沉降控制中最薄弱的環節。作為沉降變形控制十分嚴格的土工結構物，控制變形是路基工程的關鍵，是軌道變形的主要來源[1]。在我國，無論西北還是東北的季節凍土地區，由于路基經受周期性凍融循環作用，鐵路路基的凍害都比較普遍。凍害除了直接引起路基面變形外，還造成土體強度的弱化，導致路基產生不均勻變形，破壞軌道的平順性，線路養護維修工作量十分繁重，并對安全行車帶來了嚴重影響[2]。在凍脹區，路基變形也就成了鐵路能否實現高速、平穩、安全行車最為關鍵的環節之一。這就需要通過試驗研究凍脹和融沉的產生發展規律，采取綜合防治技術，最大限度的降低凍脹和融沉產生的危害。

1　線路及路基設計概況

本客運專線位于東北地區，設計速度350 km/h，采用Ⅲ型無砟軌道結構。當地年平均氣溫9.5 ℃， 最冷月平均氣溫-8.9 ℃， 極端最高氣溫38.3 ℃， 極端最低氣溫-27.8 ℃， 土壤最大凍結深度1.09 m，無砟軌道路基標準斷面如圖1所示。

根據規范要求[3]，路基基床表層厚度為0.4 m，采

用級配碎石填筑，要求細顆粒含量不大于5%；基床表層以下最大凍結深度范圍內填筑A、B組土，要求細顆粒含量小于10%。

為減輕路基凍融帶來的不良影響，采取無砟軌道基床結構補強：無砟軌道路基采用基床上部范圍內翻挖后，利用級配碎石摻水泥回填的措施，換填深度分為0.4 m和0.7 m兩種形式。如圖2所示。

圖2　一般路堤翻挖回填示意(單位：m)

觀測斷面的選取結合全線路基類型、現場施工情況、凍結深度、試驗條件等綜合考慮，采用一般路堤和低路堤兩種不同工點類型進行觀測，具體斷面里程如表1所示。

表1　觀測斷面里程

2　觀測內容及元器件布置

自動監測是近年來新興的一種監測方法。該方法能夠全天侯、實時、自動化監測及報警，能夠遠程控制和數據處理。該方法適應于常規監測方法無法監測或監測困難的地段，例如過渡段和路基凍脹病害段落等。

2.1　觀測內容

(1)地溫觀測

在各試驗斷面不同位置和深度布置地溫觀測點，以觀測路基填料和原地面季節凍土的地溫，目的是掌握地溫分布和變化情況以及季節凍土最大凍深的位置和隨時間變化情況，分析凍害的發展演變過程與地溫變化的相關關系及特征。

(2)凍脹定點變形觀測

定點式測試路基范圍內各層凍脹量，研究負溫作用下路基凍脹變形規律。

(3)氣象觀測

測試線路沿線氣溫變化情況。

(4)地下水位監測

測試路基地下水位變幅情況。

2.2　元器件布置

每個觀測斷面在一側護肩下，左、右線底座板外緣下，路基坡腳處布設觀測元器件，具體埋設位置見圖3。

(1)地溫監測

底座板邊緣地溫元件自路基級配碎石頂面以下0.2 m垂直向下布設至兩倍最大凍結深度處，每孔11～12個；護肩下地溫元件自護肩底面以下0.2 m垂直向下布設至兩倍最大凍結深度處，每孔11～12個；

圖3　觀測斷面元器件布置示意(單位：m)

路基坡腳處設一處地溫觀測點，與路基本體范圍內測試數據相比較。低路堤地段地溫元件若與混凝土板位置重疊，則可適當調整間距。

(2)定點凍脹變形監測

底座板邊緣凍脹計自路基級配碎石頂面以下0.2 m布設，錨頭埋深：一般路堤地段2 m，低路堤地段混凝土板頂面深度。

3　監測數據分析

3.1　氣溫變化情況及分析

監測初期到2月中旬，氣溫變化呈波動下降趨勢；2月中旬到5月20日氣溫變化呈波動上升趨勢，如圖4所示。

根據本地區2012年氣候公報，2012年，年平均降水量919 mm，比常年偏多4成；年平均氣溫7.7 ℃，比常年偏低0.8 ℃。冬季全省平均氣溫-9.6 ℃，比常年偏低1.8 ℃。總體來看，2012年為氣候條件偏差年景。觀測期間，冬季氣溫較常年偏低，凍脹變形表現突出，具有代表性。

3.2　凍脹、融沉監測情況及規律分析

就目前的觀測數據(截止至2013年5月20日)而言，對于大部分的監測斷面，凍脹(融沉)變形規律基本一致。自動觀測凍脹變形與氣溫隨時間變化曲線如圖5所示。

圖4　氣溫隨時間變化曲線

圖5　自動觀測凍脹變形與氣溫隨時間變化曲線

可見，凍脹變形初期發展過程中，隨著氣溫的上下變化而反復波動，波動范圍基本集中在1 mm內，波動規律與氣溫變化較為一致， 當夜間溫度較低時，土中孔隙水凍結形成冰晶或冰透鏡體，土顆粒孔隙被冰不斷充填中導致土體膨脹，產生凍脹變形，當白天溫度升高時，土中冰融化，土體中孔隙增加，發生融沉。

隨后隨著零度以下時間的持續增長，外界負溫不斷傳入路基本體內部，凍深逐漸增加，路基本體內孔隙水不斷凍結形成冰晶或冰透鏡體，水分補給充足時可形成不連續的層狀冰或條帶狀冰，土體不斷膨脹，凍脹變形增長速率較大。

后期凍脹變形趨于穩定，隨著環境溫度降低，當無雨水補給，或地下水不再向上發生遷移時，上部土中冰透鏡體或冰層不再明顯發展，導致該階段凍脹變形增長減緩，速率減小。

1月26日～2月17日，氣溫在0 ℃上下浮動，變形值也隨氣溫上下波動。2月18日～3月23日，日平均氣溫進入0 ℃以上，凍脹變形開始下降，發生融沉，融沉變形反復波動，發展緩慢。2月19日～3月19日，氣溫小幅波動，總體呈上升趨勢，融沉隨溫度發展明顯，幅度在4～6.5 mm。3月20日～3月31日，隨著溫度的不斷攀升，融沉變形增長緩慢，最終趨于穩定。4月1日左右，融沉基本結束，隨后路基變形發展不再明顯，后期略有提高，初步分析與地下水位升高有關。

3.3　凍深監測情況及分析

根據DK27+415、DK49+080、DK72+052三個斷面自動觀測凍脹變形—地溫隨時間變化曲線，結合自動觀測凍脹變形—氣溫隨時間變化曲線可知，凍結初期發展過程中，隨著氣溫的上下變化而反復波動，波動規律與氣溫變化較為一致。隨著零度以下時間的持續增長，1月中旬凍深逐漸增加，1.0 m深度地溫逐漸進入0 ℃以下， DK49+080觀測斷面凍脹變形達到最大值，1月底2月初，隨著零度以下時間的繼續增長，凍深達到最大值，接近或略超過設計凍深(1.10 m)，DK27+415、DK72+052觀測斷面凍脹變形達到最大值。2月中旬以后氣溫回暖，日平均氣溫仍在0 ℃以下，凍深緩慢提升，凍脹變形顯著下降，進入融沉階段；3月中旬日平均氣溫達到正溫，各測點地溫開始全面進入正溫(如圖6所示)。

圖6　各觀測斷面凍脹變形與地溫隨時間變化曲線

依據現有數據初步分析：凍脹變形與凍結深度有一定聯系，但無明顯相關性，凍結深度與凍結變形前期有一定聯系，即凍深范圍內土中自由水凍結成冰，進入凍結后期，由于氣溫上下變動大，出現正溫，凍結深度與凍結變形均波動明顯，兩者無明顯相關性。

4　結論

依據各項監測成果，對影響路基防凍脹的相關因素進行分析，總結凍脹、融沉規律。根據現階段研究成果，可初步得出以下結論：

凍脹變形隨外界環境溫度變化大致可分三個階段。初期為凍脹波動階段，凍脹變形反復波動；隨后，凍脹快速發展階段，凍脹變形快速增長；后期，凍脹變形穩定階段，凍脹變形增長減緩，趨于平穩。

融沉隨外界環境溫度變化也可分為三個階段。初期為融沉波動階段，這段時間持續較短，融沉變形反復波動，緩慢發展；隨著氣溫的繼續回升，融沉進入快速發展階段，融沉變形快速增長，這一階段是融沉發展最顯著、持續時間最長；后期，融沉變形進入穩定發展階段，融沉變形增長緩慢，最終趨于穩定。

凍結深度與凍脹前期有一定聯系，進入凍結后期，由于氣溫上下變動大，出現正溫，凍結深度與凍結變形均波動明顯，兩者無明顯相關性。

[1]袁偉.嚴寒地帶客運專線路基防凍脹施工技術季節凍土區鐵路路基變形監測及凍害原因分析[J].山西建筑，2011(11)：141-142

[2]田亞護，溫立光，劉建坤.季節凍土區鐵路路基變形監測及凍害原因分析[J].鐵道建筑，2010(7)：104-107

[3]中華人民共和國鐵道部. 新建時300～350 km 客運專線鐵路設計暫行規定(上、下)[S].北京：中國鐵道出版社,2004