哈大高速鐵路路基凍脹規律及影響因素分析

張先軍

哈大高速鐵路路基凍脹規律及影響因素分析

張先軍

(鐵道部工程管理中心,北京 100844)

根據哈大高速鐵路路基凍脹的測量和普查結果,進行系統分析和對比,提出嚴寒地區無砟軌道路基凍脹的特點和基本規律,分析路基凍脹的水分、溫度及細顆粒含量等影響因素,從結構設計角度提出預防和減弱凍脹的設計優化建議,對嚴寒地區無砟軌道路基凍脹處理及結構優化設計具有重要的指導意義。

哈大高速鐵路;路基;凍脹規律;影響因素

1 概述

1.1 工程概況

哈大高速鐵路南起濱海城市大連,終到黑龍江省會哈爾濱,線路縱貫東北三省,途徑3個省會城市和7個地級市及其所轄區縣,線路全長903.939 km。哈大高速鐵路全線鋪設無砟軌道,正線路基長231.245 km,其中無砟軌道路基長181.97 km。

1.2 氣候條件

哈大高速鐵路沿線氣候寒冷,極端最低溫度-39.9℃,最大積雪厚度30 cm,沿線土壤最大凍結深度在93～205 cm,每年從10月開始凍結,次年4～5月全部融化,經歷時間長達5～6個月[1]。

2 無砟軌道路基凍脹規律

根據哈大高速鐵路2012年全線凍脹觀測數據的初步統計分析,哈大高速鐵路路基凍脹具有以下規律。

2.1 路基凍脹具有普遍性、不確定性和難以避免的特點

根據東北既有鐵路及公路的凍害調查結果,哈爾濱鐵路局所轄線路超過15 mm以上的凍脹16 123處,長334 454m,其中50 mm以上的部位有121處,長度達4 323m;秦沈客運專線2003年至2007年累計發生凍害1 629處;東北地區的長平、長吉、長余等高速公路也普遍存在路基凍脹現象。從哈大高速鐵路路基復測情況來看,全線凍脹變形量大于零的測點數占總測點數的75.7%,凍脹量大于5 mm的測點數占總測點數的19.5%。以上說明,路基凍脹現象在東北地區存在普遍性[2]。

由于鐵路工程是線性工程,沿線氣候、水文及地質條件千差萬別。沿線不同區域的降水量不同,同一區域的降水量每年不盡相同;另外,線路沿線不同區域的最低溫度、低溫持續的時間不盡相同,同一區域的每年最低溫度、低溫持續的時間也不盡相同。由于地表降水及環境溫度的不確定性,可能導致局部實際凍結深度與設計凍結深度有較大出入。并導致同一時間不同區域路基凍脹情況不盡相同,不同年份同一區域路基凍脹的情況也不盡相同。這種氣溫、降水等氣候特征在空間上、時間上、地域上的不確定性是導致路基凍脹具有隨機性和不確定性的主要原因[3]。路基土土質、水分及凍結條件的不均一性,會造成路基產生不均勻凍脹,春季融化時在荷載作用下導致路基下沉、翻漿冒泥等病害。[4]例如秦沈客運專線2003年至2007年累計已發生凍害1 629處,只有103處近幾年均發生凍脹,僅占凍害總數的6.3%,也說明了路基凍脹具有隨機性和不確定性。

2.2 路塹路堤凍脹率對比分析(圖1,表1)

從哈大高速鐵路的路基凍脹變形觀測數據統計分析可以看出:路基高程變化在10 mm以上時,路塹地段測點比率明顯大于路堤比率,且比值迅速增加;路基高程變化在20mm以上的區域主要位于路塹地段,路塹地段的凍脹發生比率較路堤地段高,凍脹量也較路堤地段大。

圖1 DK179+458～DK180+411左線左軌凍脹曲線對比

表1 哈大高速鐵路全線路堤、路塹高程變化情況統計

2.3 涵洞過渡段凍脹差異

哈大高速鐵路無砟軌道地段共設置涵洞408座,根據2012年測量統計資料,涵洞中心的凍脹均值為0.8 mm,說明涵洞本身凍脹量很小。其中高程變化在0～5mm的206處,占全線涵洞的50.5%;全線凍脹量在5 mm以上的涵洞36座(主要發生在涵頂填土較高的區段),說明涵洞發生的凍脹比率很低,詳見圖2。

根據沈陽局截至2013年2月6日對哈大高速鐵路檢測數據[5],哈大高速鐵路沈陽局管內不均勻凍脹總計242處,其中過渡段不均勻凍脹合計97處,占比40%,詳見表2。全線涵洞中心與全線路基凍脹變形對比分析見表3。

圖2 涵洞處路基凍脹統計

表2 沈陽至扶余路基不均勻凍脹變形分析

表3 全線涵洞中心與全線路基凍脹變形對比分析

從表3可以看出,凍脹量在5mm以上的路基、涵洞的比率分別為19.83%、8.8%。與路基相比,涵洞發生凍脹的比率遠低于路基。

3 路基凍脹影響因素分析

3.1 路基凍脹影響因素概述

凍土是復雜的多相和多成分體系[6],路基凍脹是指土壤在負溫條件和存在一定溫度梯度條件下,路基本體內水分向凍結面遷移凍結,凍結后路基土體體積增大導致路基頂面高程發生變化的現象[7]。影響土體凍脹的主要因素為溫度、水分、巖性[8]。

溫度條件:區域氣候凍結指數(負溫和負溫延續時間乘積的代數和)決定了土體凍結深度,凍結期溫度較差決定了凍結速率,二者疊加綜合影響了土體凍脹量[9]。

水分條件:水分是凍脹的主導因素。水分條件包括兩個方面,一是土體含水條件達到起始凍脹含水量時,土的凍結開始產生凍脹。二是水分補給條件,具有水分補給的開敞系統凍脹大于無補給條件的封閉系統凍脹。

巖性條件:主要指土的粒度成分、礦物成分、化學成分和密度等,其中最主要的是土的粒度成分。不同粒度土顆粒的比表面積不同,表面能也不同,水分遷移能力不同,顆粒間隙不同對水分遷移的阻力不同,因而土的粒度成分是影響凍脹的主要因素之一。按照粒度成分進行凍脹性排列自小至大為:粗顆粒土＜細顆粒土。

在以上3個條件中氣候因素,當地區域氣候條件中氣溫和降水情況決定著路基凍脹程度的大小。當地氣溫情況決定著該區域氣候凍結指數(負溫和負溫延續時間乘積的代數和),從而決定了土體凍結深度。當地降水(雨、雪)情況決定著地表水滲入、地下水位上升侵擾路基本體的程度,從而導致路基本體填料的含水量變化引起凍脹程度的不同。

3.2 路基本體的水分條件是路基凍脹的主要影響因素

3.2.1 含水率與凍脹率的關系

根據哈大高速鐵路《寒區鐵路路基防凍脹結構及設計參數研究》(鐵科院研究成果)中關于體積含水率與凍脹率關系曲線(圖3)可以看出:當含水率低于12%時凍脹率低于0.5%,當土體含水率大于12%后,凍脹量隨著含水率的增加而顯著增大[9]。當含水率超過15%后,凍脹率超過1%。

圖3 粗粒土中細粒體積含水率與凍脹關系

3.2.2 路基表面地表水下滲至基床表層底部引起表層凍脹

哈大高速鐵路路基表面地表水下滲存在3個途徑,一是路基表面存在著混凝土底座板間的沉降縫、纖維混凝土間的伸縮縫、纖維混凝土與底座板間等各種結構縫,接縫采用的瀝青軟膏或聚氨酯等封堵材料,在混凝土熱脹冷縮作用下會壓縮與脫裂,導致接縫封堵失效,地表水下滲;二是路肩兩側的電纜槽是在路基碾壓成型后開挖,電纜槽與路基本體的縱向界面很難保證密實不透水,積水通過預制節段間及槽底向路基基床表層級配碎石層滲透;三是路基表層的纖維混凝土或瀝青混凝土防水層在東北惡劣的氣候環境下反復熱脹冷縮作用下容易不斷出現新裂紋,導致地表水下滲。

下滲的地表水受到基床表層底部兩布一膜隔水層的阻隔匯集,在凍融季節時,由于路肩先期凍結,下滲的地表水不能有效向外排出,形成表面級配碎石層富水或飽水,導致基床表層級配碎石層發生凍脹。因此,路基表面地表水下滲至基床表層底部是引起路基淺層凍脹的主要原因之一。

3.2.3 路塹邊坡地表水下滲侵入路基本體

路塹地段一般是在山丘低谷且具有一定匯水面積處通過,路塹的開挖改變了原始的地形及地貌形態,改變了地下水的徑流條件和滲流途徑,路塹的槽形結構易導致地表水的匯聚。在未設置滲水盲溝的路塹地段,由于路塹邊坡在水溝底部以下與路基本體相連,塹頂及邊坡的雨水雪水通過邊坡緩慢滲透,在水溝底部高程以下開始滲入路基基床表層或基床底層,導致路基本體含水率增加,在冬季引發凍脹。

哈大高速鐵路在實施路基凍脹補強措施增設滲溝開發過程中發現,在滲溝開挖后,路基基床本體的積水開始向滲溝中流淌,部分路塹段落持續流淌數天才逐步停止。因此,未設置滲溝的路塹地段,路塹邊坡地表水下滲侵入路基本體也是引起路基凍脹的重要原因。

3.2.4 路塹地下水位上升侵入基床下部基巖或路基本體引起凍脹

路塹的開挖改變了原始的地形及地貌形態,改變了地下水的徑流條件和滲流途徑,地下水位可能因此發生變化;另外,當地區域降水增加也可能導致路塹地下水位的升高。

圖4 DK130+440處基巖裂隙中可見明顯冰晶

圖5 DK179+843處探坑凍結層可見明顯冰晶

地下水位的升高將導致地下水滲入路基基床底部基巖或滲入路基本體,引起路基凍脹。詳見圖4、圖5。 DK113、DK130及DK604三段路塹,設計勘察及路塹開挖期間都未見地下水,但是本次2012年3月挖探表明:這幾處路塹基床內出現明顯的賦水現象是路塹凍脹的主要原因之一。

3.3 填料的細顆粒含量是路基凍脹的重要影響因素

根據哈大高速鐵路《寒區鐵路路基防凍脹結構及設計參數研究》(鐵科院研究成果)中關于粗顆粒土中細顆粒含量與凍脹率的關系曲線[9](圖6)可以看出:

細顆粒(粒徑小于0.075mm)含量在3%～15%時,凍脹率在0.8%～1%,細顆粒含量在這區間的變化對凍脹率的影響不敏感。

圖6 粗顆粒土中細顆粒含量與凍脹率關系曲線

4 預防或減弱路基凍脹的建議

4.1 以橋代路、減少過渡段數量

根據初步統計,哈大高速鐵路全線路基段因涵洞、橋臺等原因共設置過渡段1077處,過渡段密度達到了6處/km,過渡段的密集設置一定程度上影響了路基的連續性,尤其是在路基凍脹不可避免的情況下加劇了路基高程發生突變的可能性[10]。為了減少路橋、路涵過渡段的不均勻凍脹,嚴寒地區路基選線應盡量提高線路高程,采取以橋代路的理念,減少路橋、路涵過渡段的數量和長度,減少路塹段落數量和長度,從而有效減少路基發生不均勻凍脹的幾率。

4.2 優化路基防排水結構設計

哈大高速鐵路無砟軌道路基的防排水措施存在以下系統問題,一是表層各種結構縫,如混凝土底座板間的沉降縫、纖維混凝土間的伸縮縫、纖維混凝土與底座板間的接縫采用的瀝青軟膏或聚氨酯等封堵材料,在混凝土熱脹冷縮作用下會壓縮與脫裂,導致接縫封堵失效,地表水下滲;二是路肩兩側的電纜槽是在路基碾壓成型后開挖,電纜槽與路基本體的縱向界面很難保證密實不透水。現場勘查表明,降水時電纜槽成了匯水溝,積水通過預制節段間及槽底向路基滲透,電纜槽與路基的縱向界面是地表水下滲的重要途徑之一。同時由于電纜槽在路肩兩側采用下挖設置,加深了路基處的凍結深度,在凍融季節降水情況下,由于電纜槽的存在,路肩兩側先期凍結,不僅阻礙了路基本體內的水分順利排出,而且使地表水向路基中心滲透;三是路基基床表層底部的兩布一膜,在有效阻隔表層降水下滲的同時也使凍融季節時地表水下滲匯集后不能有效向外排出,形成表面級配碎石層富水或飽水,凍結結冰現象明顯;四是路基表層的纖維混凝土或瀝青混凝土防水層在東北惡劣的氣候環境下反復熱脹冷縮作用下容易不斷出現新裂紋,導致地表水下滲。因此,哈大高速鐵路目前采用的防排水措施存在的上述系統問題是導致路基普遍凍脹的重要原因之一,要有效地減少凍脹的發生,嚴寒地區路基防排水系統應根據氣候特征進行系統優化設計。

4.3 合理選取設計凍深

哈大高速鐵路路基設計過程中,設計凍深參考當地氣象部門統計的最大凍結深度確定。但是,工程實踐表明,對于鐵路這種長大線性工程,跨越區域較多,受地形、土質、日照、植被、線路走向等因素影響,相同溫度條件下,不同的路基形式、不同的路基填料、不同的部位(如陰坡、陽坡),路基的實際凍結深度都會發生變化,造成局部實際凍結深度與設計凍結深度有較大出入。根據有關調查結果,同一區域的野外凍深是氣象部門提供的凍深的1.2～1.3倍,同一地點、同一時間陰坡的凍結深度是陽坡1.1～1.15倍。

另外,土質不同凍結深度也不盡相同。根據青藏鐵路、青藏公路的科研資料,原狀土換填為A、B組填料后,凍結深度會有不同程度的增加[11],換填深度與當地最大凍結深度的比值能達到1.2～1.5。

因此,當地氣象部門提供的最大凍結深度可能與現場實際凍深存在較大差別。哈大高速鐵路2012年3月現場挖探凍結深與設計最大凍結深對比情況見表4。

表4 2012年路基實際凍深與設計凍深對比

從哈大高速鐵路路基凍深觀測情況來看,同一地區路基地段的凍結深度總體上要大于天然地面的凍結深度,路塹段的凍結深度要大于路堤地段,路堤段路肩的凍結深度要大于線路中心。

以上分析可知,在今后的路基設計凍結深度選取應充分考慮工程現場實際的地理位置(城市還是野外)、陰陽坡、填料情況等因素,按照氣象部門提供的凍深乘以合適系數作為設計凍深。路塹滲水盲溝設計凍結深度不足時,盲溝凍結后起不到排水作用,導致該防凍脹措施失效[12]。路基換填時也應按上述原則確定現場的實際凍深,否則可能導致路基基底發生凍脹。

5 結論

哈大高速鐵路氣候嚴寒,無砟軌道路基凍脹具有普遍性、不確定性和難以避免的特點;相比路堤結構,路塹地段由于排水條件較差更易導致凍脹的發生,涵洞過渡段發生不均勻凍脹的比率也相對較高。

通過以上分析,路基本體的水分條件是路基凍脹的主要影響因素,填料的細顆粒含量也是路基凍脹的重要影響因素。為了預防和減弱凍脹,嚴寒地區路基選線應盡量提高線路高程,采取以橋代路的理念,減少路塹段落和路基長度;同時應系統梳理嚴寒地區無砟軌道路基防排水結構存在的系統問題,優化防排水結構設計,減弱地表水下滲對路基凍脹的影響。

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Analysis of Frost Heave Laws in Subgrade on Haerbin-Dalian High-speed Railway and Its Influence Factors

ZHANG Xian-jun
(Project Administration Center,the Ministry of Railways,Beijing 100844,China)

After systematic analysis and comparison based on survey and statistic results of frost heave in the subgrade on Haerbin-Dalian High-speed Railway,this paper put forward the characteristics and basic laws of frostheave in subgrade of ballastless track in severe cold region.And by analyzing the influence factors of frost heave in subgrade such aswater,temperature and particle content,this paper put forward the design optimization scheme about frost heave prevention and reduction from the perspective of structure design.It is of important guiding significance for the frost heave treatment and design optimization of subgrade structure of ballastless track in severe cold regions.

Haerbin-Dalian High-speed Railway;subgrade;frost heave laws;influence factors

U216.41+7

A

1004- 2954(2013)07- 0008- 04

2013 02 21;

2013- 03 08

鐵道部科技研究開發計劃項目(Z2012-062)

張先軍(1971—),男,高級工程師,工學博士,E-mail:zxianjun @yahoo.com.cn。