高原高寒地區(qū)高速鐵路保溫護(hù)道路基溫度場的分布研究

李元強(qiáng)

摘要：高原高寒區(qū)分布著廣泛的季節(jié)性凍土，冬期時該區(qū)段高速鐵路路基通常會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的凍脹病害，為了減小外界低溫對路基土體的影響，通過在路基兩側(cè)邊坡鋪筑保溫護(hù)道對內(nèi)部土體進(jìn)行保溫。本文以蘭新高速鐵路為研究對象，調(diào)研了凍脹嚴(yán)重路段的凍脹情況，基于氣溫實測資料建立了溫度場的邊界條件，并運用ANSYS有限元軟件，分析了不同護(hù)道高度對路基溫度場分布的影響，研究了冬期路基沿斷面橫向和深度方向的溫度變化特征。研究結(jié)果表明：保溫護(hù)道對距離路基中心較遠(yuǎn)的路肩和護(hù)道下方的土體凍脹影響較明顯，能夠有效縮小路肩部位的凍結(jié)深度。研究成果對高速鐵路路基凍脹的預(yù)防和整治具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：高速鐵路;季節(jié)性凍土;路基凍脹;保溫護(hù)道;溫度場

中圖分類號：[U24] ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1.前言

季節(jié)性凍土相對多年凍土更不穩(wěn)定，冬期土體凍脹變形，當(dāng)天氣回暖，土體又會發(fā)生不同程度的融沉現(xiàn)象，常年保持周期性的凍融循環(huán)作用。季節(jié)性凍土區(qū)的高速鐵路盡管施工標(biāo)準(zhǔn)高，但難免在凍脹深度較大的條件下，路基表面仍會產(chǎn)生凍脹變形，引起無砟軌道結(jié)構(gòu)的不平順，嚴(yán)重情況下會對列車的運行安全產(chǎn)生威脅，增加線路的養(yǎng)護(hù)維修費用[1-6]。目前凍土路基主要采用保溫的措施來防治凍脹，常見的包括保溫護(hù)道法和保溫板法。鋪設(shè)保溫護(hù)道不僅對路基填土起到保溫作用，還能防止雨水通過邊坡滲入路基土體[7-8]。

溫度是路基凍脹的一個關(guān)鍵性因素，當(dāng)土體溫度降低到冰點以下時，內(nèi)部的水分開始凍結(jié)，隨著溫度繼續(xù)降低，未凍區(qū)的水分含量減少，路基的凍結(jié)深度增加[9-10]。因此，溫度場的分布反映了土體中水分凍結(jié)分布特征，研究不同高度的保溫護(hù)道對路基溫度場影響，對整治路基凍脹病害有重要的指導(dǎo)意義。

2.路基溫度場模型的建立

2.1 工程概況

蘭新高速鐵路門源至浩門區(qū)段處于典型的高原高寒地區(qū)，線路通過海拔2500m左右的祁連山地段，地層多為洪積粉土、圓礫土和卵石土，路基周圍多為耕地。門源地區(qū)晝夜溫差較大，冬期溫度低，持續(xù)時間較長，并且受西南暖濕氣流的影響，年平均降雨量較大，氣候陰濕。祁連山夏季融雪水易在路基一側(cè)形成積水，雨期降水會通過道床板伸縮縫、裂縫、邊坡等滲入路基內(nèi)部，由于路基兩側(cè)路基多為耕地，地下水位通常較高。以上地質(zhì)、氣象及水文條件都為該地區(qū)的路基凍脹提供了非常有利的條件[11-13]。

2.2 溫度場模型

高速鐵路線路在很長距離上保持相同斷面，故可以視為線性土工構(gòu)造物，在對路基溫度場進(jìn)行計算時，可以將其簡化為平面問題處理。根據(jù)蘭新高速鐵路路基設(shè)計圖紙和現(xiàn)場勘察資料，路基溫度場模型橫斷面具體尺寸和土質(zhì)情況如圖1所示。

所建路基模型為路堤形式，并對道床板及封閉層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化;路基基床表層填料為級配碎石、基床中下層為A、B組合填料;保溫護(hù)道寬度為2m，填料與路基材料相同;地基沿地表向下取10m，表面為1.5m厚的粉土，下部為8.5m厚的圓礫土。

根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)[11-13]，所建路基溫度場模型分別在凍結(jié)和融化狀態(tài)下的熱分析參數(shù)見表1。

2.3 熱邊界條件

盡管路基表面所受到的外界溫度條件較為復(fù)雜，但主要以熱學(xué)中的第一類邊界條件為主。根據(jù)路基的部位又分為上邊界條件、左右邊界條件和下邊界條件，不考慮路線兩側(cè)外界溫度的差異。通過對2018年10月至2019年10月門源地區(qū)路基周圍的氣溫監(jiān)測，收集的平均溫度通過處理得到的擬合曲線見圖2。

根據(jù)氣溫實測數(shù)據(jù)和附面層原理[14-15]，可得到路基溫度場的上邊界條件表達(dá)式為

（1）

式中：T0為該地區(qū)的年平均溫度，取1.1℃;

R0為氣溫年增長量，取0.03℃/a;

A0為附面層底的年地溫振幅，取15℃;

為初相位置，取 ;

ΔT為附面層的溫度增量，取3℃。

由于地基左右邊界距路基邊坡有20m的距離，兩側(cè)溫度變化對路基溫度場的影響幾乎可以忽略，故取左右邊界的溫度梯度為零。下邊界條件可參考相關(guān)文獻(xiàn)，門源地區(qū)地層溫度在天然地表以下10m范圍達(dá)到了穩(wěn)定，維持在為10℃。

3.數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了對比不同護(hù)道高度對路基溫度場的影響，本文分別建立了護(hù)道高度為0m、1.5m、4.5m和5m的模型。通過對模型整個冬期的溫度場計算，路基不同部位的土體的最大凍深均出現(xiàn)在3月份，圖3為2018年3月份時路基不同保溫護(hù)道高度條件下的溫度場分布情況。

由圖3可以看出，不同工況下的路基溫度場分布大致相同，等溫線在路基處向上拱起，呈現(xiàn)出正弦形式，路基表面的溫度低于天然地表溫度。路基及天然地表由表面向下一定深度的溫度梯度比較大，底部的溫度比較穩(wěn)定，沿深度方向變化微小。為了說明護(hù)道高度對路基溫度場的影響情況，將不同護(hù)道高度下路基不同部位的土體凍結(jié)深度列出，見表2。

從表2可知，在相同護(hù)道高度下，護(hù)道處的凍結(jié)深度最大，在護(hù)道高度5m時達(dá)到了3.47m;也反映出路基橫向距離路基中心處越遠(yuǎn)，該部位處凍結(jié)深度越大。隨著路基保溫護(hù)道的增高，路基中心處的溫度分布基本相同，凍結(jié)深度變化較小，可認(rèn)為護(hù)道高度變化對路基中心溫度場基本無影響;路肩部位受到護(hù)道的保溫效果較明顯，土體的凍結(jié)深度由無護(hù)道時的3.15m減小到5m護(hù)道下的2.60m，約占不同路基凍深的17.5%;然而并非隨著護(hù)道高度增加，路基中心兩側(cè)的凍結(jié)深度就保持減小，計算結(jié)果顯示，護(hù)道處的凍結(jié)深度在4.5m處達(dá)到了達(dá)到了最小，隨著護(hù)道高度繼續(xù)增加，凍結(jié)深度出現(xiàn)了增長現(xiàn)象。

4 結(jié)語

通過處理凍脹地區(qū)的氣溫監(jiān)測數(shù)據(jù)確定了路基溫度場的邊界條件，并運用有限元方法建立了不同護(hù)道高度的路基模型，對溫度場結(jié)果進(jìn)行了分析，主要研究結(jié)論如下：

（1）路基內(nèi)的等溫線呈現(xiàn)出正弦形式，路基表面及天然地表在一定深度范圍的溫度梯度變化劇烈，地基底部的溫度比較穩(wěn)定。

（2）在護(hù)道高度相同時，距離路基中心較遠(yuǎn)的部位凍結(jié)深度相對較大，即護(hù)道處的凍結(jié)深度相對路基中心和路肩處的凍結(jié)深度較大。

（3）伴隨著護(hù)道高度的增加，路肩部位的凍結(jié)深度逐漸減小，對路基中心處的溫度影響較小，考慮護(hù)道處凍結(jié)深度在高度達(dá)到4.5m以后，出現(xiàn)了增長，工程中可取路基護(hù)道最佳高度為4.5m。

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