一種青藏鐵路凍土地基加固裝置的方案設計

林 森

（江蘇工程職業技術學院,江蘇 南通 226007）

全球多年凍土分布區域多位于北半球高緯度地區，青藏高原由于其“世界屋脊”的超高海拔，成為中低緯度唯一具有大范圍多年凍土分布的區域，其多年凍土地溫高、厚度薄、穩定性差，伴隨著全球溫室效應的愈發嚴重，地基正變得越來越脆弱[1]。據不完全統計，青藏高原鐵路路基病害超過80%都是由于路基所處地段地基的凍土熱融、沉陷、冷凍、膨脹所致，鐵路路基的任何形變都會給鐵路運輸帶來巨大的隱患。現行的穩定凍土地基的措施有：選擇合適的路基高度、構筑片石通風路基、放置熱管、鋪設隔熱層和通風管、以橋代路等，多為間接的、地上的、被動的和局部的舉措。本文將就如何突破現行措施進行探討研究，嘗試通過引入新能源、新材料和新技術，構造設計出一種新型鐵路凍土地基加固裝置來改變既有局面[1]，如圖1所示。

圖1 青藏鐵路凍土地基加固裝置整體方案

1 采用新能源

青藏高原豐富的太陽能和通行列車自身的重量，是造成鐵路地基形變的重要因素。通過將太陽能和重力勢能“變廢為寶”地轉換為電能，可以為加固裝置提供清潔化的電能來源。

如圖2所示，通過將太陽能電池片安裝在鐵路路基的南向坡面上，在獲取大量清潔電能的同時，還能為鐵路路基的南向坡面遮陽，防止鐵路南向陽坡和北向陰坡由于接收太陽輻射量的差異而形成南向陽坡裂縫和移位。此外，由于青藏高原冬春季節多強風沙，故太陽能電池片的表面須覆蓋有高透明的保護性材料，在不影響太陽能電池片接收太陽輻射的同時，起到保護作用；由于動物遷徙區域可能會與鐵路行經區域發生重疊，故太陽能電池片為不連續放置，間斷處需留置獸道，方便動物快速穿過；太陽能電池片支架為板狀結構，板面上留有蜂窩狀細小通風孔，為鐵路路基與外部環境的熱量交換留有充分空間，同時即使發生動物不慎踏入支架處，其被板狀支架卡住的概率也會大大低于條形支架[2]。通過在鐵路每根混凝土枕木下對稱放置多個壓電塊，在列車通過時可以獲取較之單個壓電塊更多的電能，同時使得這些壓電塊與混凝土枕木之間的相互作用力對稱，而均衡的受力有利于混凝土枕木的形態穩定；同時，為獲取更顯著的壓電效應和更大的壓電輸出電壓，壓電塊應具有高壓電常數和高機電耦合系數，并可將多個壓電塊之間的電連接方式設置為串聯連接。

圖2 青藏鐵路凍土地基加固裝置地上部分側視結構

如圖3所示，太陽能電池片和壓電塊對電流變液地下枕梁的供電方式均為直流電直接供應，太陽能電池片與電流變液地下枕梁外層電流變液材質之間的電連接為：太陽能電池片的正極接外層電流變液材質中心，外層電流變液材質兩側末端均接太陽能電池片的負極。壓電塊與電流變液地下枕梁內層電流變液材質之間的電連接為：壓電塊的正極接內層電流變液材質中心，內層電流變液材質兩側末端均接壓電塊的負極。

2 采用新材料

圖3 壓電塊和太陽能電池片與電流變液地下枕梁內外層之間的電連接示意圖

圖4 單根電流變液地下枕梁俯視結構

通過將電流變液和形狀記憶合金材質引入加固裝置，使得加固裝置堅硬和柔韌兼而有之。如圖4和圖5所示，電流變液地下枕梁的長度大于鐵路路基的寬度，并相對鐵路路基的中心呈對稱放置，電流變液地下枕梁的寬度由中部向兩側逐漸對稱縮小，其末端為根狀結構。如圖6所示，電流變液地下枕梁為扁平狀結構，呈內外兩層。內外兩層均填充有電流變液材質，其中：外層電流變液材質為大慣性的電流變液材質，其液固態之間相變的速度慢；內層電流變液材質為小慣性的電流變液材質，其液固態之間相變的速度快。如圖7所示，形狀記憶合金彈簧由中部向兩端逐漸對稱變細

圖5 單根電流變液地下枕梁末端根狀結構

圖6 單根電流變液地下枕梁橫截面側視結構

圖7 單根形狀記憶合金彈簧結構

受電的電流變液地下枕梁的外層由于相變慣性大，大到某個季節，小到某個時段，均能保持較為穩定的硬度，為主要承重構件；受電的電流變液地下枕梁的內層由于相變慣性小，可以快速感應行駛而過的列車重量，即時進一步增強整個電流變液地下枕梁的硬度，實現根據有無列車區別對待，為次要承重構件。

通過針對形狀記憶合金進行形狀“編程”，將形狀記憶合金彈簧處于低溫相馬氏體時的長度、處于高溫相奧氏體時的長度以及形狀記憶合金彈簧由低溫相馬氏體向高溫相奧氏體轉變的記憶溫度，分別進行人為設置；同時形狀記憶合金彈簧作為電流變液地下枕梁間的連接構件，與其相鄰兩側電流變液地下枕梁的外殼固定相連。

3 采用新結構

現有青藏鐵路穩定凍土地基的最常見措施為放置太陽能重力熱管，熱管各自獨立，在物理上互不相連。通過以鐵路延伸方向作為經線參考方向，形狀記憶合金彈簧依照經線方向排列，電流變液地下枕梁為依照緯線方向排列，兩者經緯交織，構成網狀結構，埋于多年凍土層中，如圖8所示。

從整體來看，眾多電流變液地下枕梁和形狀記憶合金彈簧構成大型地下網絡，隨著鐵路的延伸，綿延對稱排列于鐵路路基兩側；從局部來看，單根電流變液地下枕梁和單根形狀記憶合金彈簧均相對于自身中心呈對稱結構，即中間粗、兩端逐漸縮小的類紡錘形態，受力平均、結構穩定（見圖4和圖7）。同時，電流變液地下枕梁的扁平狀結構也可以使得電流變液地下枕梁向其下更大面積的凍土分散壓力；每根電流變液地下枕梁末端的根狀結構，相對于此根電流變液地下枕梁所處緯線方向亦呈對稱分布，并向外圍放射性延伸，形成局部小型地下網絡；此外，壓電塊和太陽能電池片分別與電流變液地下枕梁內外層之間的電連接亦為對稱連接；眾多對稱性構造的應用，連同對稱的大小型地下網絡共同支撐起高原鐵路凍土地基，使其堅韌穩固，從而保證凍土之上的列車能夠安全通行。

圖8 青藏鐵路凍土地基加固裝置地下部分俯視結構

4 加固裝置方案設計的理論可行性和智能性

壓電塊和太陽能電池片的數量多少及面積大小，可結合現場多年凍土層的情況，區別設置。在凍土發育不良和凍土退化明顯的區域，可放置較多數量的壓電塊和較大面積的太陽能電池片。在凍土發育良好和凍土退化輕微的區域，可放置較少數量的壓電塊和較小面積的太陽能電池片。當行駛的列車由遠及近地接近壓電塊時，壓電塊不斷由小及大的形變，由于壓電效應，持續產生電能，電能的多少與壓電塊和列車之間的距離高度相關，壓電塊和列車之間的距離遠，形變輕微，產生的電能少，壓電塊和列車之間的距離近，形變顯著，產生的電能多；反之，當行駛的列車由近及遠地遠離壓電塊時，情況亦然。

電流變液地下枕梁一一對應平行于地上混凝土枕木，承受其上通行而過的列車以及整個鐵路路基的重壓，其作用類似于現代混凝土建筑中的受力鋼筋；電流變液地下枕梁間的形狀記憶合金彈簧垂直于地上混凝土枕木，并將眾多電流變液地下枕梁相連成網，將由上而下傳遞的重壓分散至整個地下網絡，其作用類似于現代混凝土建筑中的分布鋼筋。但是，由于電流變液和形狀記憶材質的智能性，由電流變液地下枕梁和形狀記憶合金彈簧構成的地下網絡其工作時又有別于傳統的鋼筋結構。

（1）電流變液地下枕梁內部填充的電流變液材質，處于液態相的時候硬度低，處于固態相的時候硬度高，并且硬度隨著加載其上的電壓增大而變大；此外不同成分混合而成的電流變液材質，具有不同的相變慣性，即液態相和固態相之間相互轉變的速度有快有慢。從季節上來看，夏季太陽輻射最為強烈，凍土熱融最為明顯，此時太陽能電池片獲得的電能也最多，在電流變液地下枕梁外層填充大慣性的電流變液材質，將電能直送至電流變液地下枕梁的外層，使得在凍土最為脆弱的時間段獲得來自電流變液地下枕梁最堅硬的支撐；與此相反，在冬季，太陽輻射最為薄弱，凍土熱融最為輕微，此時太陽能電池獲得的電能也最少，電流變液地下枕梁的硬度也會隨之有所下降。綜上所述，從長時間跨度的季節上來看，電流變液地下枕梁的外層硬度，可以做到智能化地與凍土的熱融影響相匹配，短時天氣變化的情形與上述季節變化的情形亦相類似。

除此之外，電流變液地下枕梁內層填充與外層的小慣性的電流變液材質不同，其作用類似于現代混凝土建筑中的加強鋼筋，當列車行駛通過時，地基上的重壓會進一步增加，列車越靠近，電流變液地下枕梁的正上方多年凍土層中的電流變液地下枕梁所受重壓則越大，而此時放置于混凝土枕木下的壓電塊的形變也越來越大，由于壓電效應釋放出的電能也隨之越多。這些電能被直送至電流變液地下枕梁的內層，電流變液地下枕梁的內層迅速變得堅硬，即時對列車通行時的電流變液地下枕梁的硬度進一步加強，并且電流變液地下枕梁內層的硬度也可以實現智能化地與通行列車的距離相匹配，即距離越近，形變越大，電能越多，硬度越強，反之亦然。

最后，在電流變液地下枕梁的末端還設置了局部根狀小型網絡，其作用類似于現代混凝土建筑中的放射鋼筋，正是由于這種根狀結構，使得由電流變液地下枕梁中心受力段傳遞而來的壓力，可以向遠離鐵路路基正下方的多年凍土層的區域放射性分散，并且由于這種根狀結構，還使得電流變液地下枕梁的末端與多年凍土層的接觸面積大大增加，使得電流變液地下枕梁附近的多年凍土單位面積上的壓力大大降低，就好像在厚厚積雪里行走時所用的踏雪板一樣，將人體重量通過長長的踏雪板向人腳掌四周區域分散壓力。

（2）形狀記憶合金彈簧具有不同于普通建筑工程用材的智能性，即形狀記憶和超彈性。對形狀記憶合金彈簧的長度進行形狀“編程”，使其記住在高溫相奧氏體時的長度應小于相鄰兩根電流變液地下枕梁間的間距，同時在形狀記憶合金彈簧處于低溫相馬氏體時，將其拉伸，重新塑形，使其長度等于相鄰兩根電流變液地下枕梁間的間距，再將其與相鄰兩側緯線方向的電流變液地下枕梁固定連接；將形狀記憶合金彈簧的高溫相變記憶溫度設置為小于加固裝置所處的多年凍土層近10年以來的月平均溫度變化區間的最低值5℃以上，所以形狀記憶合金彈簧一經放置于多年凍土層中，即由低溫相馬氏體向高溫相奧氏體轉變，并在此過程中，形狀記憶合金彈簧自動吸熱，降低其附近區域的凍土溫度，并持續保持收縮緊繃狀態，緊緊相連兩側的電流變液地下枕梁；此外，形狀記憶合金彈簧在高溫相奧氏體時所呈現出的超彈性，還可以承載吸收其附近區域的凍土頻繁無序的熱融凍脹，甚至是與其相連的電流變液地下枕梁移位所產生的應力，而自身不至于失效，甚至斷裂，從而使得電流變液地下枕梁和形狀記憶合金彈簧構成的大型地下網絡，堅硬與柔韌兼而有之。

綜上所述，本文涉及的青藏鐵路凍土地基加固裝置設計方案，通過清潔化的電能獲取、智能化的材料利用和對稱型、網絡化的結構支撐，實現了從直接的、地下的、主動的和整體的視角去解決高原凍土退化給鐵路地基帶來的不利影響，從而為一條條通往“世界屋脊”的天路地基夯實加固。