嚴(yán)寒地區(qū)牡佳高速鐵路路基凍脹特性研究

孫英潮

黑龍江鐵路發(fā)展集團(tuán)有限公司，哈爾濱 150000

鐵路路基季節(jié)性?xún)雒涀冃螌?duì)列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全性、平穩(wěn)性有直接影響。近年來(lái)在我國(guó)季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)鐵路建設(shè)大規(guī)模開(kāi)展，對(duì)路基凍脹變形的控制十分嚴(yán)格，設(shè)計(jì)階段制定了一系列防凍脹方案，防凍脹效果需要通過(guò)嚴(yán)格的施工質(zhì)量控制來(lái)保證，以及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)來(lái)驗(yàn)證［1-3］。關(guān)于高速鐵路路基凍脹變形特性及監(jiān)測(cè)已有研究。陳則連等［4］以哈齊高速鐵路為依托，研究其凍脹變形發(fā)展隨著時(shí)間的變化規(guī)律。孫英潮等［5］結(jié)合自動(dòng)監(jiān)測(cè)、水準(zhǔn)觀測(cè)和軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)相結(jié)合的綜合凍脹監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用要求，探討了高速鐵路建設(shè)與運(yùn)營(yíng)各階段不同監(jiān)測(cè)方式的相互關(guān)系。楊有海、夏瓊等［6-7］以蘭新高速鐵路為研究對(duì)象，研究了路基土分層凍脹變形與凍結(jié)深度的關(guān)系，分析了凍脹率隨凍結(jié)深度的變化規(guī)律，提出了抑制凍脹發(fā)展的措施。張正義［8］以沈丹客專(zhuān)為背景，系統(tǒng)研究了嚴(yán)寒地區(qū)山區(qū)高速鐵路路基防凍脹技術(shù)措施，得出合理的防凍脹措施可以有效控制凍脹變形發(fā)展。

綜上所述，季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)高速鐵路路基凍脹是存在的，但采取適當(dāng)?shù)拇胧┛梢杂行б种苾雒涀冃蔚陌l(fā)展。牡佳高速鐵路位于黑龍江省東部，全線處于嚴(yán)寒地區(qū)，線路長(zhǎng)度374.744 km，路基176.079 km，占線路全長(zhǎng)的47.5%。路基處于季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)，易發(fā)生凍害，掌握其路基凍脹的發(fā)展變化規(guī)律可為牡佳高速鐵路后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供依據(jù)，為我國(guó)季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)高速鐵路設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 牡佳高速鐵路路基防凍脹措施

1.1 路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基床表層填筑級(jí)配碎石，其顆粒粒徑d≤0.075 mm含量小于5%，壓實(shí)后小于7%，同時(shí)滿足壓實(shí)后的滲透系數(shù)大于5 × 10-5m∕s，并摻入5%水泥。無(wú)砟軌道路基基床表層底面以下至設(shè)計(jì)凍結(jié)深度范圍內(nèi)填筑級(jí)配碎石。有砟軌道基床底層采用A、B 組填料，其中基床表層底面以下至設(shè)計(jì)凍結(jié)深度范圍內(nèi)，填筑非凍脹A、B 組填料。

1.2 防凍脹護(hù)道

對(duì)水稻田、雨季滯水或地下水位高（地下水位距地表0.5 m）的低洼谷地路堤地段及地勢(shì)平坦、排水條件困難地段，且地基土為凍脹性土層時(shí)，兩側(cè)邊坡設(shè)防凍脹護(hù)道，護(hù)道高寬均為3.0 m。路堤填高小于3.0 m 的低路堤，兩側(cè)邊坡基床表層底面處設(shè)置寬3.0 m的保溫護(hù)道。

1.3 限制路堤最小高度

路堤高度原則上應(yīng)大于基床厚度，常年積水地段路肩高程應(yīng)位于常水位以上不小于設(shè)計(jì)凍結(jié)深度+0.5 m。對(duì)于低路堤及路塹段落設(shè)置滲水盲溝，盲溝出口采取保溫措施。

2 路基凍脹變形觀測(cè)方法

2.1 人工觀測(cè)

沿線路方向每50 m 設(shè)置一個(gè)觀測(cè)斷面，路橋及路涵過(guò)渡段內(nèi)應(yīng)布設(shè)不小于1個(gè)觀測(cè)斷面，涵頂布設(shè)一個(gè)觀測(cè)斷面，共布設(shè)3 185個(gè)斷面。每個(gè)斷面布設(shè)3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，即線路中心和左右線軌道外側(cè)各設(shè)一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置如圖1 所示。首次觀測(cè)應(yīng)聯(lián)測(cè)線下深埋水準(zhǔn)點(diǎn)和線路水準(zhǔn)基點(diǎn)，進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)觀測(cè)，建立線上監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)。首次觀測(cè)應(yīng)編制好水準(zhǔn)線路圖，以后每次觀測(cè)均固定水準(zhǔn)路線，并且規(guī)定儀器的擺放位置。后期每次路基變形監(jiān)測(cè)前，應(yīng)采用二等水準(zhǔn)測(cè)量方式對(duì)線上基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行檢核。如果各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)間滿足二等水準(zhǔn)的限差要求，則采用原值。如果不滿足可采用內(nèi)插法進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)內(nèi)插法無(wú)法調(diào)整時(shí)，需重新聯(lián)測(cè)線下基準(zhǔn)點(diǎn)并對(duì)線上基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行檢核及調(diào)整。常規(guī)監(jiān)測(cè)時(shí)間為 11 月以及次年的 1、3、5 月，每隔 1個(gè)月中旬觀測(cè)1次，共觀測(cè)4次。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫斷面布設(shè)

2.2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)

根據(jù)路基工點(diǎn)類(lèi)型、地貌類(lèi)型、地質(zhì)條件、地下水分布情況以及現(xiàn)場(chǎng)施工情況選擇具有代表性的監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)元器件布設(shè)。每個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面在路基表面橫向布設(shè)2 排平行監(jiān)測(cè)孔，分別位于路基中心和路堤左線外側(cè)1 m 或路塹右線外1 m；縱向布設(shè)5 排平行監(jiān)測(cè)孔，相鄰兩孔間距1 m，由小里程到大里程方向孔深分別為0.7、1.7、2.7、5.0、5.0 m，進(jìn)行凍脹變形、含水率、地溫監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖2 所示。共計(jì)30個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，所有元器件埋設(shè)后必須至少測(cè)試5 次初始讀數(shù)，穩(wěn)定后確定初值。測(cè)讀頻率可根據(jù)需要設(shè)定。待穩(wěn)定后，每天采集 4 次，分別于00：00、06：00、12：00、18：00 四個(gè)時(shí)刻進(jìn)行自動(dòng)采集，可根據(jù)實(shí)際情況加密監(jiān)測(cè)頻次，頻次增加時(shí)可等間隔采集，時(shí)間起點(diǎn)為00：00。

圖2 路基自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面元器件布設(shè)平面示意

3 路基凍脹變形分析

3.1 路基面凍脹觀測(cè)分析

2020—2021 年全線監(jiān)測(cè)路基段落169個(gè)，人工監(jiān)測(cè)四個(gè)期次，分別為 2020 年 11 月，2021 年 1 月、3 月、5月，統(tǒng)計(jì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)凍脹最大值所在期次。不同期次對(duì)最大凍脹變形的貢獻(xiàn)率，在第三期（2021 年3 月）達(dá)到最大值測(cè)點(diǎn)占 68.8%，在第二期（2021 年 1 月）占31.2%，第一期和第四期沒(méi)有，可知凍脹變形主要在三月份達(dá)到最大值。全線測(cè)點(diǎn)平均變形量隨期次的變化曲線見(jiàn)圖3。可知，在第四期出現(xiàn)凍脹回落，部分測(cè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)一個(gè)凍融周期路基凍土層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并表現(xiàn)為表面相對(duì)疏松。現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械（整平、鋪軌等）在第四期現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量之前進(jìn)場(chǎng)施工，來(lái)回重載碾壓引起路基出現(xiàn)再次壓實(shí)而產(chǎn)生一定沉降，但沉降變形總體上不大。

圖3 全線測(cè)點(diǎn)平均變形量隨期次的變化曲線

統(tǒng)計(jì)了每個(gè)段落不同部位的變形值，沿線部分?jǐn)嗝娌煌课蛔畲髢雒涀冃坞S里程的變化曲線見(jiàn)圖4。可知，每個(gè)斷面不同部位凍脹差異整體較小，個(gè)別斷面有明顯差異，路基左側(cè)、中心、右側(cè)凍脹隨里程變化曲線趨勢(shì)基本一致，路基變形較大斷面相對(duì)集中。統(tǒng)計(jì)了部分?jǐn)嗝孀畲笾底钚≈惦S里程變化曲線，兩者隨里程變化趨勢(shì)一致，整體差異不大，個(gè)別斷面差異明顯。因此，凍脹變形差異在縱向上比在橫向上明顯。這是由于縱向的路基工點(diǎn)類(lèi)型、地形地貌、地下水分布、施工質(zhì)量等多種因素都存在一定差異，這些因素往往是凍脹變形的控制因素或間接影響因素。

圖4 部分?jǐn)嗝娌煌课蛔畲髢雒涀冃坞S里程變化曲線

綜合分析了2019—2021 兩個(gè)年度路基最大凍脹變形、沉降變形，對(duì)比情況見(jiàn)圖5。可知：2019—2020年凍脹變形最大值、沉降變形最大值均較大，表現(xiàn)為點(diǎn)位分布較為離散，變形區(qū)間較大，極端變形值也較多。相比而言，2020—2021 年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位變形相對(duì)較小，點(diǎn)位集中分布于0～4 mm，凍脹變形和沉降變形相對(duì)較小。主要原因在于2020—2021年，牡佳高速鐵路各路基段落基本完成砟石和鐵軌鋪設(shè)工作，地基、路基上覆工程層厚度增加，同部位地溫相較于上年度有所升高。此外，路基配套排水設(shè)施完成度和暢通情況較上年度施工期顯著提高，場(chǎng)地排水條件改善明顯。2020—2021 年凍脹變形的測(cè)點(diǎn)占總測(cè)點(diǎn)數(shù)量的78.2%，沉降變形的測(cè)點(diǎn)數(shù)量占21.8%，全線人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)位主要表現(xiàn)為凍脹變形。2020—2021年全線變形小于等于4 mm的測(cè)點(diǎn)、4～8 mm 的測(cè)點(diǎn)、大于8 mm 的測(cè)點(diǎn)占比分別為99.7%、0.3%、0%。

圖5 2019—2021兩年度最大凍脹變形、沉降變形對(duì)比

3.2 路基凍脹變形統(tǒng)計(jì)分析

以斷面DK133+686 為例，分析該斷面右側(cè)凍脹變形隨時(shí)間變化曲線，見(jiàn)圖6。可知：從變形發(fā)展階段來(lái)看，變形發(fā)展過(guò)程主要表現(xiàn)為初始波動(dòng)、快速凍脹、穩(wěn)定凍脹、融化回落4個(gè)階段［9］；從分層變形量值來(lái)看，表層（0～0.7 m）變形最大，占總凍脹變形量的50%左右，中部及以下變形較小；從產(chǎn)生原因上分析，監(jiān)測(cè)期間表層為A 組填料，上部覆蓋冰雪在白天融化晚上上凍過(guò)程中增加填料含水（冰）率，凍脹比較明顯。隨著深度增加，上部融化的水難以到達(dá)而含水率較小，凍脹較小。中部（0.7～1.4 m）位于凍結(jié)深度范圍內(nèi)，含水率小，所以增加的凍脹變形不明顯，1.35 m 以下含水率較大并逐漸增加，卻不具備負(fù)溫條件，所以對(duì)凍脹變形貢獻(xiàn)不大，可見(jiàn)凍脹變形需要含水率、地溫、填料結(jié)構(gòu)、水分變化遷移共同作用才能發(fā)生。凍脹變形在不同深度有一定差異，大致表現(xiàn)為隨深度增加而增大。

圖6 DK133+686 右側(cè)凍脹變形隨時(shí)間變化曲線

3.3 路基地溫及凍結(jié)深度

以斷面DK133+686為例，2020—2021年該斷面右側(cè)不同深度地溫隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖7。可知，路基表層溫度隨時(shí)間的波動(dòng)較大，與氣溫隨時(shí)間變化曲線相關(guān)性較強(qiáng)，隨著深度增加波動(dòng)幅度逐漸降低，地面1.1 m 深度及以下幾乎平滑，波動(dòng)較小，2 月中旬至3月上旬以后（受當(dāng)年氣候影響）表層溫度逐漸由降低開(kāi)始變?yōu)樯撸畈繙囟冗€在緩慢降低，說(shuō)明地溫從路基表層往下的增減存在明顯的時(shí)間滯后。

圖7 DK133+686右側(cè)不同深度地溫隨時(shí)間變化曲線

DK133+686 右側(cè)不同部位凍結(jié)深度隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖8。可知，在路基凍脹過(guò)程中，受外界氣溫?zé)醾鲗?dǎo)作用從路基表面和側(cè)面向路基體內(nèi)凍結(jié)，進(jìn)入融化期則從路基表層、側(cè)面以及路基底部向凍結(jié)體中心解凍，因此存在兩個(gè)凍結(jié)深度變化曲線。在凍脹初期路基表面為負(fù)溫，僅存在一個(gè)凍結(jié)深度變化曲線，凍結(jié)深度隨時(shí)間變化相對(duì)較快。進(jìn)入2 月中旬—3 月初以后凍脹速率開(kāi)始變緩，凍結(jié)深度發(fā)展到最大，之后開(kāi)始減小，減小速率較大。3 月下旬隨著氣溫的回升表層開(kāi)始解凍，凍結(jié)深度變化曲線下降速率比底層凍結(jié)深度變化曲線速率快。3月底兩條曲線開(kāi)始靠近或連接，凍結(jié)層由最初的較快增大，到中期的緩慢增大，再到后期的快速減小，最后消失。在凍脹監(jiān)測(cè)周期內(nèi)凍結(jié)融化規(guī)律大致相似，凍結(jié)深度變化略有差異。

圖8 DK133+686不同部位凍結(jié)深度隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

1）2020—2021 年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位凍脹和沉降變形比2019—2020 年小，且點(diǎn)位分布相對(duì)集中，其中凍脹變形量呈現(xiàn)逐年降低趨勢(shì)，主要是路基填土經(jīng)過(guò)了較長(zhǎng)時(shí)間自然沉降、氣溫回升、路基上覆層（砟石、軌道板等）厚度增加、路基凍脹歷史等多因素共同作用的結(jié)果。

2）基床表層的凍脹分層變形量最大，約占總凍脹變形值的50%，凍脹變形需要含水率、地溫、填料結(jié)構(gòu)、水分變化遷移共同作用才能發(fā)生。凍脹變形在不同深度有一定差異，大致表現(xiàn)為隨深度增加而增大。

3）凍結(jié)深度的發(fā)展表現(xiàn)為隨時(shí)間先增大后減小直到消失的規(guī)律，其中在凍脹初期和中期，凍結(jié)深度增加速率相對(duì)較小，后期由于表層溫度升高，上部融化導(dǎo)致凍結(jié)深度減小，由于融化速率較快，凍結(jié)深度減小速率比前期和中期增加速率明顯快，路基中心和路基一側(cè)凍結(jié)深度數(shù)值及變幅基本一致。