鐵路路基凍害防治保溫技術研究

閆宏業，蔡德鉤，張千里，朱忠林，劉莉

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081; 3.中建鐵路建設有限公司，北京 100053)

鐵路路基凍害防治保溫技術研究

閆宏業1，2，蔡德鉤1，2，張千里1，2，朱忠林1，2，劉莉3

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081; 3.中建鐵路建設有限公司，北京 100053)

通過理論分析和現場試驗等方法開展了路基凍害防治保溫技術的研究。分析了保溫材料應用于季節性凍土重載路基的適用性，模擬了不同保溫板厚度條件下路堤和路塹溫度場的分布特征，提出了消除凍害所需的保溫材料及其厚度，形成了保溫板的施工工藝流程。現場試驗結果表明，試驗地段的凍害得到了有效治理。

重載鐵路 凍害防治 保溫材料

我國凍土分布廣泛，許多鐵路不可避免地穿越了凍土地區。受氣候、水文和地質條件的影響，每年冬季和春季都會發生凍脹和融沉變形，造成路基凍害，給行車安全帶來一定的影響。為保證鐵路列車安全、暢通地運行，研究提出切實可行的路基保溫技術成為當務之急。

本文采用XPS作為隔熱防凍材料，開展了朔黃重載鐵路路基凍害整治的試驗研究。項目組結合某現場工點，對不同保溫板厚度條件下路基和路塹的保溫措施進行了理論和試驗研究，提出了鐵路路基保溫板施工技術，得到了有益結論。

1 保溫材料性能分析

凍土路基內加鋪保溫材料主要有聚苯乙烯泡沫(EPS)板、聚氨酯泡沫(PU)板和聚苯乙烯擠塑(XPS)板。EPS，PU作為隔熱防凍材料，已在鐵路、公路的凍害防治中得到廣泛的應用，而XPS在交通領域的應用則較晚。與前兩者相比，XPS具有較突出的耐久性、吸水率和抗壓性，是非常理想的重載路基凍害整治材料。

1.1 耐久性

XPS因其穩定的化學結構和物理結構而具有超常的耐久性能。從圖1的曲線可以看出，其保溫性能隨時間的變化很小，即使使用2年之后其保溫性能仍能保持在開始時的80%以上。

1.2 吸水率

由于聚苯乙烯擠塑板具有緊密的閉孔式蜂窩結構，而分子結構本身亦不吸水，因此聚苯乙烯擠塑板具有極佳的抗水、防潮和防滲透性能。如表1所示，XPS的吸水率較EPS和PU低很多。

圖1 XPS熱阻值隨時間變化曲線

表1 幾種材料凍融循環后吸水率%

1.3 抗壓性

目前重載鐵路開行列車軸重達到25 t，根據現場實測結果統計，路基動應力最大值可表示為σ(kPa) =4P，P為軸重。按照這個結果，25 t軸重條件下，路基動應力最大值達到100 kPa。遠期若開行27和30 t軸重列車，路基動應力最大值將分別達到108和120 kPa。而XPS保溫板抗壓強度高達550 kPa，且其長期蠕變極小，20年內也不超過1%。因此，在重載條件下，XPS保溫板的耐久性是非常出色的。

2 保溫技術理論分析

2.1 計算參數的確定

本次凍土路基溫度場的分析采用大型有限元軟件ANSYS進行。采用的計算參數如表2和表3所示。

表2 各部分熱物理計算參數

表3 基床填料、地基土計算參數

根據項目組2011年在神池南站所做的路基檢測試驗，基床范圍內土性基本上為粉土或粉質黏土，且含水量偏大，基本上都達到或超過20%。根據相關資料提供的亞黏土的熱物參數，分析影響亞黏土比熱容和導熱系數的因素，以土的干密度和含水量為參變量，對導熱系數k、比熱容C進行回歸分析，得到式(1)至式(4)

式中:κf為凍結土的導熱系數;κu為未凍土的導熱系數;Cf為凍結土的比熱容;Cu為未凍土的比熱容;pd為土的干密度，取1 900 kg/m3;w為土的含水率，基床底層和地基土都取為20%。

由以上幾式可得到凍結區和未凍結區的導熱系數及比熱容，在相變區間可進行線性插值。由于本次計算采用顯熱容法，即將相變潛熱含到比熱容里，則有下式

收集工點大氣溫度資料，得到2011年7月1日到2012年7月1日的日平均氣溫的擬合曲線，作為外界溫度荷載施加于路基表面及邊坡上，見式(6)和圖2。

圖2 朔州地區氣溫變化曲線

本次計算模型兩側為絕熱條件。根據相關資料，一般地面以下10 m地溫波動很小，其值為地表氣溫的年平均值，對于現場工點地區，地下深部溫度取為5.4℃。本次計算時間為1年，共365 d。

本次仿真共計算路堤和路塹兩種結構形式，分別對重載線路一側進行保溫，保溫板的厚度分別為3，5，7，10，15 cm。圖3至圖4分別為路堤計算模型和路塹計算模型。

圖3 路堤計算模型(保溫板厚10 cm)

圖4 路塹計算模型(保溫板厚10 cm)

2.2 仿真模型的驗證

為解決鐵路的凍害問題，項目組進行了現場試驗。在道砟以下鋪設了厚度為5 cm的XPS保溫板，見圖5。對路基中不同深度的溫度進行了長期監測，在該種保溫措施條件下，神池南站路基在冬季最大凍深為40 cm左右。根據調查資料，未做任何整治措施時，凍深在1.0～1.3 m，說明XPS保溫板的鋪設大大降低了凍深，對重載鐵路的凍害防治效果較為顯著。

圖5 現場溫度儀埋設及監測站

對保證仿真計算的準確性，本次計算首先對現場相同工況條件下的路基進行仿真，計算結果與實測曲線進行對比，以確定計算模型的合理性。圖6和圖7分別為不同深度處仿真結果與測試結果的對比，從圖中可知，仿真結果與測試結果較為接近，說明本計算模型合理。

圖6 保溫板下表面仿真結果與測試結果對比

2.3 典型計算結果

本次計算了路堤和路塹兩種結構形式，每種結構形式分別對重載一側進行了保溫，保溫板的厚度分別為3，5，7，10及15 cm。圖8為不同保溫板厚度時路堤中溫度場分布圖。

分析可知，保溫一側以下溫度場在冬季高于未保溫另一側，說明保溫板起到了保溫的作用，且隨著保溫板厚度的增加，保溫一側的下方溫度呈現增大的趨勢，說明保溫板厚度的增加可降低凍深。

圖7 保溫板下1.2 m仿真結果與測試結果對比

2.4 計算結果分析

重點觀察外軌下方的凍深，在監測時間內，其最大凍深基本上在3月11日前后出現，因此提取3月11日不同位置和深度處的溫度，得到路基對稱中心、內側鋼軌下方、外側鋼軌下方及砟角處沿深度的溫度曲線。表4為各工況條件下不同位置的凍深統計表。從表中可以看出，保溫板厚度對鋼軌下方影響較大，對路基對稱中心和砟角處凍深影響則較小。在不保溫條件下，外軌下方凍深達到1.3 m左右;當保溫板厚度為3 cm時，外軌下方的凍深為70 cm左右;當保溫板厚度為5 cm時，外軌下方的凍深約為40 cm左右;當保溫板厚度＞7 cm后，路基中凍深基本上為0。說明保溫板對重載鐵路路基的凍害防治有顯著的作用，可明顯降低凍深。

表4 不同工況條件下不同位置的凍深m

3 保溫板施工技術

項目組在整條線路凍害最為嚴重的地段進行了現場試驗，選取了50 m單線路基作為凍害整治區段，在道砟以下鋪設了厚度為5 cm的XPS保溫板。

其施工工藝流程如下:

1)移除道砟(圖9)，修整路基面，形成4%排水坡。

2)鋪5 cm厚砂墊層。

3)在砂墊層上拼鋪擠塑板XPS(圖10)，滿鋪后緊密接縫，不出現較大錯臺。

圖10 鋪設砂墊層及保溫板

4)鋪設排水板。

5)在排水板上鋪設保護墊層。

6)回填道砟，恢復線路。

4 結論

本文通過理論分析和現場試驗，對不同結構形式的路基在不同保溫措施條件下的保溫效果進行了對比分析，得到如下結論:

1)對于重載鐵路凍害的防治，XPS保溫性能較EPS，PU更具有優勢，是較理想的保溫材料。

2)根據計算結果，在相同保溫措施及溫度荷載條件下，路堤凍深與路塹接近，但略大于路塹。

3)對于試驗工點條件，采用XPS保溫板可有效解決重載鐵路路基的凍害問題。當XPS保溫板的厚度達到7 cm時，鋼軌下方基本上沒有負溫;當厚度達到10 cm時，可完全消除凍害。

4)采用XPS板對重載鐵路路基進行保溫時，可采用移除道砟、鋪設砂墊層及保溫板、鋪設排水板、鋪設保護墊層、恢復路基的施工工藝流程進行操作。

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Study on railway subgrade's prevention of frost damage and warm-keeping technology

YAN Hongye1，2，CAIDegou1，2，ZHANG Qianli1，2，ZHU Zhonglin1，2，LIU Li3
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China; 3.China State Construction Railway Corp.，Ltd.，Beijing 100053，China)

By theoretical analysis and in-situ test，railway subgrade's prevention of frost damage and warm-keeping technology were studied in this paper.Adaptability of warm-keeping materials was studied，as they are applied to the subgrade of heavy haul railway in seasonal frozen soil areas.Temperature distributions at embankment and cutting of the lines were simulated as insulation boards of different thickness are used.The preferable warm-keeping material and its suggested thickness were proposed.Construction procedure of insulation board was put forward.In-situ test result showed that subgrade frost damage was treated effectively.

Heavy haul railway;Frost damage prevention;Warm-keeping material

U216.41+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.12

1003-1995(2015)01-0051-05

(責任審編 趙其文)

2014-10-01;

2014-11-05

鐵道部科技研究開發計劃項目(Z2012-062，2012G009-B，2012G012-A);中國鐵路總公司科研試驗任務(Z2013-038);鐵道科學技術研究發展中心科研項目(J2014G003);中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目(2013G009-G);中國鐵道科學研究院基金項目(2013YJ032)

閆宏業(1981—)，男，河北定州人，助理研究員，碩士。