寒區高速鐵路路基地溫監測技術優化試驗研究

王富玉,王天亮,曹立輝,王天木,劉亞星,李思琪

(石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043)

在寒冷地區，土體的反復凍脹、融沉變形以及由此引起的強度劣化是造成工程構筑物損傷破壞、凍害循環往復且難以整治的直接原因[1-3]。路基地溫動態監測技術的研究與應用，對掌握寒區高速鐵路路基凍害演化過程，抑制凍害的發生與發展，提高我國高速鐵路路基凍脹防控水平具有工程實際意義[4-6]。

溫度的高低直接影響凍土土顆粒中未凍水和凍結水的含量，也決定著路基的穩定性和強度。當土中溫度降低到0 ℃以下時，土顆粒之間的水分子就會凍結，形成凍脹，路基凍脹會使線路平縱斷面的平順性難以保證[7]。當溫度升高到0 ℃以上時，土體表面的冰晶體首先開始融化，而底層土層中凍結的冰會逐漸融化，為此上部消融的水在土里就難以滲透或排除，因而產生翻漿冒泥，使整個土層強度降低，影響路基的穩定性和承載力[8-10]。由此可見，研究凍土溫度的監測很有必要。

影響寒區高速鐵路路基溫度的因素有很多，如路基填料種類、路基深度、氣候條件等。測試溫度的傳感器類型、傳感器的埋置形式、溫度測試時管口的閉合條件等[11]會對地溫監測產生不同的影響。本試驗主要研究內容：①優化寒區高速鐵路路基溫度監測技術試驗方案；②通過溫度傳感器測試凍土在不同類別試驗管、路基填料、路基深度、填料含水率以及試驗管口是否閉合條件下的溫度，并分析各測試結果的差異。

1 凍土路基地溫現場監測試驗方案

1.1 試驗材料及試驗設備

試驗所用的土樣：試樣A，含水率20%的中密粉土；試樣B，含水率35%的中密粉土；試樣C，含水率20%的中密砂土。

試驗管的類型及參數：①鋼管，外直徑40 mm,壁厚2 mm,長度300 mm；②PVC管，外直徑40 mm,壁厚2 mm,長度300 mm；③玻璃管，外直徑40 mm,壁厚2 mm,長度300 mm。

試樣桶底板：材質為PVC，直徑為330 mm，厚度為30 mm，上面鉆有深度為20 mm、內徑40 mm的圓孔若干，用于固定各種試驗管。

試驗設備：烘干箱、高低溫交變試驗箱、溫度傳感器、方孔篩、壓實桿、聚氨酯泡沫填縫劑、995中性型膠、CR6數據采集器等。

1.2 土樣制備

根據試驗儀器確定土的用量：試樣桶底板直徑D為330 mm，試驗中要求土樣高度H為300 mm，粉土、砂土的相對密度分別以2.7,2.6計算[12]，得粉土、砂土的質量分別為69.244，66.679 kg。

土樣均來自石家莊地鐵1號線，考慮到后期篩分可能造成的質量損失，故準備粉土和砂土各80 kg。土樣干燥后，篩分去除土中混合的石塊，對于大的土塊將其碾碎，最后裝袋封存。

通過計算，在獲取的干燥試樣A中加入13.85 kg的水；在獲取的干燥試樣B中加入24.23 kg的水；在獲取的干燥試樣C中加入13.34 kg的水。將制得的土樣靜置24 h，準備后續試驗。

1.3 試驗方案與步驟

1.3.1 試驗方案

1)將試樣A、試樣B、試樣C通過高低溫交變試驗箱降溫至-10 ℃形成凍土。試驗近似模擬現場的路基凍土，每個凍結和消融的周期均為4 h。

2)分別取各試驗管距底板3，15，27 cm處進行溫度監測。

3)溫度傳感器分別放置于鋼管、玻璃管、PVC管和土樣中。其中：將直接埋置在土里的溫度傳感器所得值作為試驗的對照；采用CR6數據采集器進行數據的采集和存儲(設定為每分鐘采集1次溫度數據)。

4)每種管分別做閉口和開口的試驗。

最終通過試驗監測得到的數據，具體研究每一種因素對溫度監測的影響，然后對試驗進行評估和優化，提出合理建議。

1.3.2 試驗步驟

1)準備鋼管、玻璃管、PVC管各1根，在每根測試管的3,15,27cm處分別設置溫度傳感器，同時在對應埋深的土體內直接埋設溫度傳感器。

2)將各管放入帶有孔洞的PVC底板固定，將制備好的試樣A填入試樣桶內，用壓實桿壓實至中密即可，然后用聚氨酯泡沫填縫劑進行蓋口的封閉處理，處理完畢后，將其放入高低溫交變試驗箱內，設置其溫度為-10 ℃。待試樣A封閉管試驗完畢后，按照軟件的提示，進行試樣A封閉試驗數據的儲存。之后將高低溫交變試驗箱溫度設定為30 ℃，使土質消融。一段時間后，土質消融，記錄數據后再進行閉口的拆卸，進行開口試驗，同樣將高低溫交變試驗箱設定為-10 ℃，按照上述步驟進行。試樣C、試樣B的試驗步驟與之相同。

3)依次完成各組試驗：試樣A封閉條件下溫度監測→試樣A開放條件下溫度監測→試樣C開放條件下溫度監測→試樣C封閉條件下溫度監測→試樣B封閉條件下溫度監測→試樣B開放條件下溫度監測。

2 試驗結果分析

2.1 試樣A試驗結果分析

封閉條件下各管距底板3，15，27 cm處試樣A的溫度時程曲線見圖1。可知，隨著高低溫交變試驗箱逐漸降溫，溫度傳感器在玻璃管、PVC管、鋼管測定的溫度值在各管距底板3，15，27 cm處都大致相同。同一時刻，距底板3 cm處測出的溫度>距底板15 cm 處測出的溫度>距底板27 cm處測出的溫度。距底板27 cm 處的溫度值首先達到0 ℃，然后是距底板15 cm處，最后是底部。玻璃管、PVC管、鋼管內溫度傳感器測定的溫度值在距底板3，15 cm處都比直接埋置在土體里測定的溫度值提前達到0 ℃。無論采用何種管，距底板27 cm處溫度的變化率>距底板15 cm處溫度的變化率>距底板3 cm處溫度的變化率。

圖1 封閉條件下不同位置處試樣A的溫度時程曲線

封閉條件下各管距底板3，15，27 cm處試樣A的溫度測量值與實際值差值隨時間的變化曲線見圖2。可知，距底板27 cm處玻璃管、PVC管、鋼管內溫度傳感器測得的溫度值與直接埋置在土里測得的值差值約在25%左右。而距底板3，15 cm處玻璃管、PVC管、鋼管溫度傳感器測得的溫度值總體上與直接埋置在土里測得的值相差較大，距底板15 cm處最大達到了65%，距底板3 cm處最大達到了40%。

圖2 封閉條件下不同位置處試樣A的溫度測量值與實際值差值增減幅度隨時間的變化曲線

開放條件下各管距底板3，15，27 cm處試樣A的溫度時程曲線見圖3。可知：在升溫的過程中，玻璃管、PVC管、鋼管內溫度傳感器比直接埋置在土里的溫度傳感器首先感知到溫度的變化，溫度變化首先出現拐點。3種管中，使用玻璃管與直接埋置的溫度傳感器測得的溫度值變化趨勢比較接近。

圖3 開放條件下不同位置處試樣A的溫度時程曲線

開放條件下各管距底板3，15，27 cm處試樣A的溫度測量值與實際值差值隨時間的變化曲線見圖4。可知，距底板3 cm處增減幅度大多數在0.5%左右，最大增減幅度為1%；距底板15 cm處增減幅度大多在1.2%左右，最大為2%；距底板27 cm處增減幅度大多在0.5%左右，最大為4.5%。其中，玻璃管的差值在三者里面最小。

圖4 開放條件下不同位置處試樣A的溫度測量值與實際值差值增減幅度隨時間的變化曲線

2.2 試樣C試驗結果分析

開放及封閉條件下各管距底板3，15，27 cm處試樣C的溫度時程曲線見圖5。可知：隨著高低溫交變試驗箱逐漸降溫，無論是開口還是閉口，溫度傳感器在玻璃管、PVC管、鋼管測定的溫度值變化規律均與試樣A大致相同。但在封閉條件下，三者與直接埋置的溫度傳感器所測溫度值相比差值較大。距底板 3 cm 處最多達到22%，距底板15 cm處最多達到15%，距底板27 cm處最多達到8%；而在開放條件下，距底板27 cm處大多保持在0.6%左右，最高達到1.2%；距底板15 cm 處大多保持在1.5%左右，最大為4%；距底板3 cm 處大多在0.8%左右，最多達到3.5%。

圖5 不同位置處試樣C的溫度時程曲線

圖6 不同位置處試樣B的溫度時程曲線

2.3 試樣B試驗結果分析

開放及封閉條件下各管距底板3，15，27 cm處試樣B的溫度時程曲線見圖6。可知，由于含水率的增高，玻璃管、PVC管、鋼管測定的溫度值與之前兩種情況差異較大。隨著深度的增大，測出的溫度值越高。距底板3，15，27 cm處測得的溫度值相比于直接埋置測出的溫度值都要偏高。

在開放條件下，玻璃管、PVC管、鋼管內溫度傳感器測得的溫度值與直接埋置在土里的溫度傳感器測得的值差值較大。距底板3 cm處大多保持在50%左右，最高達到180%；距底板15 cm處大多在10%左右，最大差值為100%；距底板27 cm處大多在10%左右，最大為180%。這與試樣A和試樣C的試驗結果是不一樣的，試樣A和試樣C的這種誤差相對較小，而試樣B的卻非常明顯。

在封閉條件下，玻璃管、PVC管、鋼管內溫度傳感器測得的溫度值與直接埋置在土里的溫度傳感器測得值的差值，距底板27 cm處大多保持在0.6%左右，最大達到1%；距底板15 cm處大多保持在0.8%左右，最大為4%；距底板3 cm處大多在2%左右，最多達到10%。這與試樣A和試樣C的試驗結果差異較大。

3 結論

1)在土樣管口封閉的條件下，玻璃管、鋼管、PVC管內溫度傳感器測得的溫度值相互之間相差在5%之內，差別不大。但在管口封閉條件下玻璃管、鋼管、PVC管內溫度傳感器測得的溫度值與直接埋置在土體里傳感器測得的溫度值相比增減的幅度要大于在管口開放條件下。而對于含水率35%的試樣B，這種結果卻恰恰相反，這說明了水的含量在土的凍結中起重要的作用，并且直接影響到地溫的監測，符合實際工況。

2)3種土樣中無論管口是否閉合，均有距底板27 cm 處溫度的驟變率>距底板15 cm處溫度的驟變率>距底板3 cm處溫度的驟變率；同一時間段內，距底板3 cm 處溫度值>距底板15 cm處溫度值>距底板27 cm 處溫度值，符合國內凍土研究中利用溫度測土體厚度的理論。不同土質同一管材測出的溫度值與實際值相比，在管口封閉時試樣C的差異最大，試樣A次之，試樣B最小；在管口開放時，試樣B的差異最大，試樣A次之，試樣C最小。

3)基于上述試驗結果，對寒區高速鐵路路基的地溫監測提出合理的優化方案：現場進行地溫監測時，測溫管管口的開放和封閉由土質及其含水率的大小決定。含水率>20%時選擇管口封閉，誤差值較小；而含水率<20%時應選擇開口。在選定溫度監測所用的管材時，盡可能選用玻璃管差值較小。若受造價成本限制，也可選擇PVC管。

4)工程所處地段路基土的性質很重要，土顆粒之間的間隙程度決定了水和氣體體積的大小，也在一定程度上決定了水分子之間的遷移凍結。試驗證明，回填土采用砂土時，測溫管中的溫度傳感器能更好地反映真實的地溫。

5)測溫時應在每天的相同時間段內采集溫度數據，這樣得到的地溫監測數據更為準確。

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