重載鐵路路基凍害的防治措施效果分析

張棟 閆嘯坤 曾帥 鄧逆濤 劉景宇 張新岡

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.國能運輸技術研究院有限責任公司，北京100080

重載鐵路路基的凍害會導致路基結構劣化，變形加劇，基床表層、支承層和軌道板相互脫離，嚴重威脅線路安全運營［1-5］。我國是世界第三凍土大國，季節性凍土和多年凍土分布面積達到720.6萬km2，占國土面積的74.8%，因此重載鐵路路基的凍脹病害及整治措施的研究越來越受到關注。國內外學者對凍脹理論的研究表明，必須同時滿足3個條件才會發生凍脹：①具有凍脹敏感性土；②路基中含有一定的水分，或者地下水位較高；③外界空氣溫度低于冰點。因此，對凍脹病害的防治主要從凍脹形成條件入手。在改良土質方面，文獻［6-7］發現相比于細顆粒填料，粗顆粒填料可明顯降低路基凍脹。文獻［8］通過熱力耦合理論分析，得出青藏鐵路多年凍土區路基排水渠道周圍換填非凍脹土可使其穩定性顯著提高。在控制水分方面，文獻［9］闡明了應用土工膜緩解季凍區鐵路路基凍脹的基本原理，并對其緩解路基凍脹的效果做了研究。文獻［10］針對高寒區隧道襯砌凍害，提出了新型防水、排水措施。文獻［11］分析了含水率對鐵路路基凍害的影響，并優化了路基施工方式，有效降低了路基凍脹變形量。在控制溫度方面，文獻［12-13］分析了以保溫板為基礎的凍害防治措施的凍脹變形，驗證了保溫板+瀝青混凝土路面+碎石路基組合結構在凍害整治方面的效果。文獻［14-16］提出了鋪設聚苯乙烯隔熱層、摻加粗顆粒填料、提高填料的含鹽量等方式，有效地解決了鐵路路基凍害問題。

關于重載鐵路路基防凍脹措施的研究主要集中于工程應用，在不同措施的防凍脹機理、適用條件和效果對比方面成果較少，還需做進一步研究。不斷增長的交通運輸量及運輸實效性的需求，使得重載鐵路路基的要求越來越高。本文以朔黃重載鐵路路基凍害段為研究對象，開展單向凍結室內試驗，研究應力釋放孔的孔深、孔洞率和填充材料彈性模量對路基凍脹變形的影響；建立三維地下水動態滲流模型，分析井點降水法中抽水井布置間距對路基凍脹變形的影響；以凍脹緩解率為指標，對比應力釋放孔和井點降水兩種措施緩解路基凍脹的效果。研究成果可為今后重載鐵路路基凍脹處理提供指導意見。

1 工程條件及填料分析

朔黃（朔州—黃驊）重載鐵路為國家Ⅰ級干線雙線電氣化重載鐵路，全長588 km，穿行通過季節性凍土區域，凍害現象嚴重，凍脹變形量在15～60 mm，呈現出很明顯的不均勻性，嚴重威脅著行車的安全。選取其中某個凍害區域作為研究區域。

1.1 工程條件

研究區域屬溫帶大陸性季風氣候，冬季持續時間長且氣溫較低，平均氣溫-3.8～-2.1℃，1月份的平均氣溫最低。據調研，2017年1月的最冷氣溫約為-14.5℃，月平均氣溫為-10.5℃。

凍害段覆蓋地層自上而下可分為4層，分別為粉土層、粉砂土層、粉質黏土層和泥質灰巖層。其中粉質黏土層的滲透系數較小，視為不透水層。研究區域的平均降雨量約為481.3 mm，呈現出明顯的季節特征，主要表現為夏季降雨豐富集中，春秋冬三季降雨相對匱乏。勘察期間地下水位埋深為0.2～0.4 m。冬季過冷的溫度和較高的地下水位導致該區域凍害嚴重。

1.2 填料特性

土樣選取自研究區域路基基床的表層、底層以及基底位置，在實驗室進行了顆粒分析試驗、界限含水率試驗、土粒相對密度試驗、擊實試驗以及三軸試驗五項基本特性試驗。通過基本特性試驗得出填料的含水率為18%，最大干密度為1.886 g/cm3，液限為25.2%，塑性指數為8，土粒相對密度為2.753，圍壓200 kPa、壓實系數0.93條件下填料的彈性模量為11.423 MPa，填料屬于低液限粉土。

2 應力釋放孔緩解路基凍脹效果分析

土體凍脹過程中產生凍脹應力，若消散不及時，會導致路基面產生不均勻凍脹變形。在土體中設置應力釋放孔，凍脹應力可以通過釋放孔得到釋放，避免路基產生凍脹變形。

2.1 試驗介紹

試驗采用單向凍結試驗儀，包含有機玻璃試樣筒、冷浴循環機、傳感器、數據采集儀等，如圖1所示。其中，試樣筒規格為直徑100 mm、高度150 mm，冷浴控溫精度為±0.01℃，位移百分表精度為±0.01 mm。

圖1 單向凍結試驗儀

制備試驗土樣時，將土樣分五層壓實放入試樣筒中壓實，并在土樣中心設置一定孔徑的應力釋放孔。應力釋放孔內的填充材料預先在固定孔徑的PVC管內制得，土樣壓實并制得應力釋放孔后，將填充材料放入。橡膠顆粒目前廣泛應用于公路工程中，結合瀝青材料，具有良好的彈性性能、溫度穩定性和抗老化性［17］。本文選取橡膠顆粒為填充材料的骨架材料，同時加入纖維材料與瀝青混合增加材料間的黏結。填充材料的彈性模型通過調整各組分之間的配比進行控制。

制備的土樣壓實系數為0.93，初始含水率為20.7%，試驗開始前將土樣置于低溫室內，在環境溫度1℃條件下恒溫穩定，排除外界環境溫度對土樣的干擾。由于凍害區域的冬季平均氣溫-3.8～-2.1℃，因此模型冷端（土樣頂端）溫度選取-3.0℃。凍結試驗開始時，暖端（土樣底端）溫度保持不變，冷端溫度設置為-3.0℃，72 h后試驗停止。

2.2 結果分析

采用凍脹變形量和凍脹率評價分析土樣的凍脹程度，其中凍脹率定義為凍結時間內凍脹變形量與凍結深度的比值。依據GB 50324—2014《凍土工程地質勘察規范》，凍脹率小于1%視為不凍脹，凍脹率大于1%小于3.5%視為弱凍脹，凍脹率大于3.5%小于6%視為凍脹。孔洞率為應力釋放孔截面積與土樣截面積的比值，即［（πr2）/（πR2）］×100%，其中r為孔洞的半徑，R為土樣的半徑。

孔深100 mm、填充材料彈性模量3.0 MPa條件下土樣凍脹變形量和凍脹率隨孔洞率的變化曲線見圖2。可得：①合理的應力釋放孔布置可明顯緩解凍脹。②凍脹變形量和凍脹率隨孔洞率的增大而減小。③孔洞率越大，土樣凍結過程中可收縮變形的空間越大。當孔洞率為1.5%～3.5%時，對土柱凍脹的緩解效果更為明顯；當孔洞率高于3.3%后，土柱基本不發生凍脹。

圖2 凍脹變形量和凍脹率隨孔洞率變化曲線

孔洞率4.0%、填充材料彈性模量3.0 MPa條件下土樣凍脹變形量和凍脹率隨應力釋放孔深度的變化曲線見圖3。可得：凍脹變形量和凍脹率隨孔深的增大先減小后增大。當孔深小于凍結深度時，隨孔深的增大，凍脹緩解效果越來越好；當孔深大于凍結深度時，孔深的變化對凍脹緩解效果影響不大，說明將孔深控制在凍結深度左右能夠最大效率地發揮應力釋放孔的工作效能。

圖3 凍脹變形量和凍脹率隨應力釋放孔深度變化曲線

孔洞率4.0%、孔深100 mm條件下土樣凍脹變形量隨填充材料彈性模量的變化曲線見圖4。可得：隨彈性模量的增加，凍脹變形量增大，增大速率呈現慢-快-慢的趨勢。當彈性模量接近土樣本身的彈性模量時，土樣的凍脹變形較為明顯，應力釋放孔幾乎沒有緩解凍脹的效果；當彈性模量約為土樣本身彈性模量的1/4～1/2時，緩解凍脹現象的效果比較明顯。可見，較小的彈性模量可以明顯緩解土樣的凍脹變形。

圖4 凍脹變形量隨填充材料彈性模量變化曲線

3 井點降水法緩解路基凍脹效果分析

在地下水位較高、土體顆粒粒徑較小的凍土地區，路基在聚冰作用與毛細作用聯合作用下產生顯著的凍脹，井點降水法可通過快速降低地下水位使土中毛細帶降至路基凍結深度以下，避免地下水和毛細水對路基的影響，抑制路基凍脹。

3.1 模型建立

采用Visual MODFLOW Flex軟件建立研究區域的地下水動態滲流模型，如圖5所示。模型高度和地下水位高度采用相對高度，以模型底面為參考，高度定為0。模型長600 m，寬200 m，由上至下劃分為四層，各層厚度和材料屬性按照勘察結果進行構建，模型最高處高度為60.0 m，最低處高度為43.6 m。

圖5 地下水動態滲流模型（單位：m）

抽水井采用潛水完整井，沿線路方向按一定間隔布置于路基側溝外側，距側溝0.7 m，抽水速率為800 m3/d，如圖6所示。沿線路方向的抽水井布置間距（以下簡稱布置間距）不同，會導致地下水降落曲線不同，進而產生不同的地下水位變化和路基凍脹緩解效果。依據GB 50202—2018《建筑地基基礎工程施工質量驗收規范》，井點降水系統布置時，間距為20～40 m。因此選取了21、24、27、30、33、36、39、42、45 m九個布置間距。

圖6 模型中抽水井（單位：m）

利用地下水動態滲流模型計算出不同工況下的地下水位，并按照第1.2節中檢測的填料屬性建立水熱力耦合模型，將地下水位數據導入耦合模型，計算出不同地下水位工況下的路基凍脹情況，分析井點降水法緩解路基凍脹的效果。

3.2 結果分析

選取研究區域凍脹嚴重位置開展地下水位觀測，進而研究井點降水法的降水效果和緩解凍脹效果。地下水位隨抽水時間的變化曲線見圖7。可得：井點降水法中合理的抽水井布置可取得顯著的降水效果；地下水位下降可分為急降、緩降和穩定三個過程；隨著布置間距的減小，地下水位的下降高度和下降速率增大，且增大幅度增加。抽水結束后，布置間距24、30、36 m的地下水位分別下降了4.16、3.03、2.43 m。相比于布置間距24 m，布置間距30、36 m的地下水位下降高度分別減小了27.2%和41.6%。

圖7 地下水位高度隨抽水時間的變化曲線

路基凍脹變形量隨布置間距的變化曲線見圖8。可得：井點降水法中合理的抽水井布置間距可明顯緩解路基凍脹；凍脹變形量隨布置間距的增大而增大，增大速率呈慢-快-慢的特點。當布置間距小于24 m時，地下水位降低至安全高度，路基不發生凍脹；布置間距在24～33 m時緩解凍脹現象的效果比較明顯；當布置間距繼續增大至45 m時，路基凍脹較為明顯，井點降水法對凍脹現象幾乎沒有緩解效果。

圖8 路基凍脹變形量隨布置間距變化曲線

4 措施對比與分析

采用措施前后的凍脹變形量之差與采用措施前的凍脹變形量的比值，稱為此措施的凍脹緩解率，可用于對比應力釋放孔和井點降水法對路基凍脹的緩解程度。凍脹緩解率越大，表明措施緩解路基凍脹的效果越好［18］。

圖9（a）為應力釋放孔緩解路基凍脹時，凍脹緩解率隨孔洞率的緩解曲線，圖9（b）為井點降水法中凍脹緩解率隨布置間距的變化曲線。可得：應力釋放孔的凍脹緩解率整體高于井點降水法；井點降水法的凍脹緩解率可達到100%，應力釋放孔達不到這種效果。

圖9 凍脹緩解率變化曲線

抽水井布置間距的減小，應力釋放孔孔洞率和孔深的增加，均會降低路基穩定性，造成路基坍塌，影響鐵路安全運營。鑒于應力釋放孔的凍脹緩解率整體高于井點降水法，在施工有限制或路基穩定系數較小的情況下，應力釋放孔為緩解路基凍脹的最佳選擇。但在地下水位較高的情況下，井點降水法為緩解路基凍脹的最佳選擇。

5 結論與建議

1）應力釋放孔和井點降水法均能緩解路基凍脹，緩解效果和釋放孔、抽水井的設置參數有關。

2）利用應力釋放孔緩解路基凍脹，凍脹變形量和凍脹率隨孔洞率的增大呈現減小的趨勢，隨孔深的增大呈現先減小后增大的趨勢，隨填充材料彈性模量的增大呈現增大的趨勢。

3）為使應力釋放孔發揮最大的緩解凍脹效能，孔洞率應在1.5%～3.5%，孔深應控制在路基凍結深度左右，填充材料的彈性模量應為路基填料彈性模量的1/4～1/2。

4）利用井點降水法緩解路基凍脹，地下水的下降高度和下降速率隨抽水井布置間距的增大而減小，凍脹變形量隨布置間距的增大而增大，增大速率呈慢-快-慢的特點。較小的布置間距會導致路基穩定性降低。

5）應力4體高于井點降水法。但在特殊情況下，井點降水法的凍脹緩解率可達到100%，路基不發生凍脹，應力釋放孔達不到這種緩解凍脹效果。

建議在施工有限制或路基穩定系數較小的情況下，選擇應力釋放孔作為緩解路基凍脹的措施；但在地下水位較高的情況下，選擇井點降水法作為緩解路基凍脹的措施。