大西客運專線路基凍脹監測與分析

劉海江（大西鐵路客運專線有限責任公司，山西 太原　030027）

大西客運專線路基凍脹監測與分析

劉海江
（大西鐵路客運專線有限責任公司，山西 太原030027）

高速鐵路對軌道的平順性要求高，路基凍脹產生的不均勻變形會傳遞給軌道，影響列車運行安全性與舒適度。大西客運專線原平—運城段屬于寒冷地區，為了控制該段路基凍脹變形，采取了不同的凍脹控制措施，并選擇了4段典型段落開展了凍脹監測。經過一個凍融周期監測發現：凍融循環周期內地溫發展變化大致可以分為快速降溫、慢速降溫和升溫3個階段；絕大部分測試的最大凍結深度小于設計的最大凍結深度；基床底層采用A，B組填料的路堤工點的最大凍脹變形略小于基床底層采用改良土的路塹工點；凍脹變形均＜8 mm，凍脹變形主要集中在≤4 mm范圍內，說明防凍脹措施是有效的。

客運專線；路基凍脹；監測；凍結深度；凍脹變形

寒區鐵路路基凍害產生的主要原因是土壤中的水（包括原位水和遷移水）在凍結形成冰晶時會發生體積的膨脹，使路基發生凍脹。通常情況下由于路基填料或其特性不均勻，往往造成路基表面縱橫向凍脹高度的差異，從而使軌面高度產生不均勻的變化，影響行車。路基凍脹影響因素眾多，但對于我國大部分寒區鐵路路基凍害來說，其主要可歸納為土質、水、溫度、附加應力等。

在寒冷地區修建無砟軌道，路基凍脹問題是必須解決的關鍵技術之一。路基凍脹的危害主要體現在冬季凍脹和春季融沉。為了降低填料含水量，進而降低凍脹危害，沈丹、哈齊等高鐵施工過程中采用了 A，B組土（細顆粒含量控制在5%以內）作為填料。針對大西客專區域工程地質條件和氣候特點，采取不同填料控制路基凍脹，監測結果驗證了所采取的凍脹控制措施的有效性。本文對此予以總結。

1　線路概況

大西客運專線原平西—運城北段全長477.51 km，正線采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。沿線河流分屬海河及黃河水系。河流水流量受季節影響變化大，河流均具有典型的雨洪特征，流量、水位與降水量成正比，動態極不穩定。除較大河流常年有水，流量較大外，山間溝谷多為深溝峽谷，呈樹枝狀，旱季流量很小甚至干涸，雨季流量大。沿線受極地大陸性冷空氣團控制時間長，受海洋熱帶暖氣團影響時間短，冬季長，熱天短，日照富，溫差大，降水少，風沙大，季風氣候特征明顯，四季干濕冷熱分明。近年來氣候趨向轉暖。

大西客運專線原平西—晉中段最冷月平均氣溫為-5～-15℃，最大凍結深度為0.81～1.21 m，按對鐵路工程影響的氣候分區屬于寒冷地區。地層以黃土為主。冬季在負溫條件下，路基易產生不均勻變形，因此采取相應的防凍脹措施是關鍵。

2　路基凍脹影響因素與防凍脹措施

2.1路基凍脹的影響因素

路基填補土體的礦物成分、密實度及粒度成分是路基減小凍脹的主要影響因素。隨著路基土土顆粒粒徑的減小，土顆粒與水之間的相互作用增強，土壤滲透性減弱。顆粒粒徑由大變小時，其比表面積由小變大，與水的作用和土在凍結過程中水分遷移的能力也隨之加大。路基土中的水分是產生凍脹的必要條件。負溫是土體凍結的前提條件，是決定土的凍結過程、路基凍脹以及凍土物理力學性質的基本因素。

2.2路基防凍脹措施

針對大西線地理位置、地層條件、氣候條件以及路基類型，路堤表層采用0.4 m級配碎石填筑、底層凍深影響范圍內采用非凍脹填料填筑（非凍脹填料是指粒徑＜0.075 mm顆粒含量 ＜15%的 A，B組土或改良土）。基床底層下部及基床以下路堤均采用A，B組土或改良土。路塹段落基床表層采用0.4 m級配碎石填筑，基床底層2.3 m或至基巖范圍內換填A，B組土或改良土。

3　監測段落選擇

根據大西客運專線路基段落的氣候氣象條件、凍結深度、地下水位深度、路基填料、路基填挖形式以及不同凍脹控制措施選擇監測段落。

太原以北凍結深度＞1 m，是全線最寒冷和凍結深度最大的地區，分別選取一段填方、基床底層填料為A，B組土和一段挖方、基床底層填料為水泥改良土路基作為凍脹監測代表性段落。通過監測能夠掌握大西客專經過的最寒冷地區的路基凍脹變形情況，并對不同基床填料對凍脹的影響作對比分析。

晉中站附近路基地下水位較高，選取晉中一段路基作為凍脹監測代表性段落。分析沿線的氣象特點可知，靈石地區的降水量大，且凍結深度比相鄰的南北區域都大，考慮到降水量大是影響凍脹發生的重要因素，因此在靈石附近選擇一段路基作為凍脹監測代表性段落。

最終在原平、忻州、晉中、靈石各選1段作為路基凍脹監測段落，各段落基本情況見表1。

表1　路基凍脹監測段落基本情況

4　監測方案

監測內容主要包括凍脹變形、地溫和路基填料含水量，通過在路基表面基床內不同深度埋設傳感器來監測。凍脹變形監測、地溫監測和含水量監測均采用自動實時采集、存儲和傳輸的方式。

4.1路基凍脹變形監測

路基凍脹變形監測采用橫向定點分層測試方法和縱向連續凍脹變形監測2種方式。對每1觀測斷面在路基兩側底座板中心處或路基兩側底座板外側埋設變形測試元件。縱向連續式測試路基面（底座板）凍脹變形。開展至少一個凍融周期的監測，比較分析不同類型、不同位置路基的變形情況。

在選取的4個區段內沿線路共設置了34個監測斷面，每個監測斷面在線路左右線對稱布置分層凍脹傳感器，對不同凍結深度區、不同填料類型的路基進行縱向連續凍脹變形監測。共布設5段縱向連續變形傳感器，分別安裝在底座板兩側，每個測試斷面設1根測線，每根測線3個測點，測點間距5 m。

4.2路基溫度場監測

對試驗段路基不同部位和深度進行溫度監測，分析路基溫度場變化規律及其與結構和環境溫度變化的關系。每個觀測斷面在路基兩側底座板中心處或路基兩側底座板外側設置地溫監測孔，采用鉆機成孔，埋設地溫傳感器并采用原土回填密實。

每段路基地溫計安裝在兩側底座板外側或線路左右線中心線處，元器件在級配碎石頂面以下 0.2～2.0 m布設，每孔8～10個。

4.3路基含水量監測

對試驗段各斷面路基不同部位和深度進行含水量監測，分析路基內水分場的變化規律。每個觀測斷面在路基兩側底座板中心處或路基兩側底座板外側設置含水量監測孔。每段選擇2個斷面布設含水量監測元件，自路基級配碎石頂面以下0.2 m垂直向下布設，間距0.6～0.8 m，每孔3個。監測斷面測點布置如圖1所示。

圖1　監測斷面測點布置（單位：m）

5　監測結果分析

5.1地溫

原平段地溫隨時間變化典型曲線見圖2，其余4個測試工點大部分監測斷面的地溫隨時間發展變化規律基本與此一致。可見，一個凍融循環周期內地溫發展變化大致可以分為快速降溫、慢速降溫、升溫3個階段。2013年12月中旬—2014年1月初表現為地溫降低快速發展期；2014年1—2月為地溫緩慢降溫階段，至3月上旬地溫普遍＞0℃。距離地面0.2，0.4 m深的地溫受短期外部氣溫升降影響較大，而距離地面0.6 m以下的地溫受短期外部氣溫的升降影響較小，地溫變化延遲效應相應增大。

圖2　原平段地溫隨時間變化典型曲線

5.2凍結深度

原平段、忻州段、晉中段、靈石段最大凍結深度分別為1.10，1.09，1.14，0.93 m。原平段凍結深度隨時間變化典型曲線見圖3。可見，2013年12月—2014 年3月完成一次凍融循環，2013年12月中旬—2014 年2月，凍結深度總體呈現逐漸增大的趨勢。2014年2月下旬地溫開始逐漸升高，凍結深度開始減小，2014 年3月初凍結深度減小到基本為0。

圖3　原平段凍結深度隨時間變化典型曲線

5.3凍脹變形

原平路堤工點凍脹變形最大值為2.45 mm，忻州路塹工點凍脹變形最大值為7.91 mm，晉中路堤工點凍脹變形最大值為6.60 mm，靈石路塹工點凍脹變形最大值為7.97 mm。原平段凍脹變形與凍結深度的關系典型曲線見圖4。

4個監測段落凍脹變形總體較小，最大凍脹變形均＜8 mm，最大凍脹變形主要集中在≤4 mm范圍內，原平、忻州、晉中和靈石工點最大凍脹變形在≤4 mm范圍內的測點數分別占總測點數的100%，68.2%，94.4%和77.8%。凍脹量較小，說明凍脹控制措施效果明顯。

分層凍脹監測數據表明，路基頂以下0.5 m范圍內凍脹量占總凍脹量的65%以上，表明淺表層凍脹是主要的，淺表層也是控制路基凍脹的關鍵部位。

圖4　原平段凍脹變形與凍結深度的關系典型曲線

5.4路基體積含水量

原平段體積含水量隨時間變化典型曲線見圖5。可以看出：0.2 m深處的體積含水量受外部環境影響較大，監測時間內體積含水量最大變動約5%，同一監測區段2個監測斷面表現出很好的一致性；深層處的體積含水量在監測時間內總體表現出減小的趨勢，但減小甚微，表明地下水對凍結鋒面補給不明顯。

圖5　原平段體積含水量隨時間變化典型曲線

6　結論

1）1個凍融循環周期內地溫發展變化大致可以分為快速降溫、慢速降溫和升溫3個階段。12月中旬到次年1月初表現為地溫降低快速發展期，1—2月為地溫緩慢降溫階段，至3月上旬地溫普遍＞0℃。

2）除個別監測點外，絕大部分監測點的最大凍結深度小于設計的最大凍結深度，4個監測段落各測試孔的最大凍結深度平均值忻州段（0.83 m）＞原平段（0.80 m）＞晉中段（0.69 m）＞靈石段（0.61 m）；

3）基床底層采用A，B組填料的路堤工點的最大凍脹變形略小于基床底層采用改良土的路塹工點。

4）凍脹變形均 ＜8 mm，凍脹變形主要集中在≤4 mm范圍內，說明防凍脹措施是有效的。

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（責任審編李付軍）

Monitoring Technology of Subgrade Frost Heaving for Datong-Xi'an Passenger Dedicated Railway

LIU Haijiang
（Datong-Xi'an Passenger Dedicated Railway Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi，030027，China）

High speed railway raises the requirement for track regularity，as the frost heaving of the subgrade results in the irregularityof track，therefore undermines operational safetyandpassengercomfort.Giventhat the Yuanping-Yuncheng section on Datong-Xi'an railway locates in cold area，the paper takes it as the study objects and adopts different approaches of frost heaving control to mitigate the hazard induced.Afterwards，it puts 4 sections under a complete cycle of frost heaving monitor.T he results indicated that in terms of the development of ground temperature，the freezing-thawing cycle could be generally divided into three stages，namely the stage of temperature slump，that of temperature decrease and that of temperature rise.In most cases，the maximum freezing depths fell below the designed depth obtained.At the same time，the frost heaving deformation occurred at the sampled points at the embankment，where set A and set B fillings were applied to the bottom layer of the subgrade，fell behind that occurred at the cut points-where improved soil was applied to the bottom layer-by a small margin，yet both stood below 8 mm.Given that most data collected stood at or below 4 mm，it could be said that the measures were effective.

Passenger dedicated railway；Frost heaving performance of subgrade；M onitor；Freezing depth；Frost heaving deformation

U213.1+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.27

1003-1995（2016）08-0108-04

2016-03-22；

2016-05-26

劉海江（1975— ），男，高級工程師。