季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基變形監(jiān)測及凍害原因分析

田亞護，溫立光，劉建坤

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京100044;2.呼和浩特鐵路局 工務處，呼和浩特010000)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，高速鐵路、重載鐵路和大運量鐵路成為鐵路建設發(fā)展的主要方向，因此，對路基的變形控制已成為高速、重載鐵路路基的關(guān)鍵技術(shù)［1－3］。在我國的東北、華北、西北和西南地區(qū)，由于受地理條件的限制，每年都有持續(xù)數(shù)月的嚴冬季節(jié)，使之季節(jié)凍土廣泛分布。由于氣候、地質(zhì)條件等原因，季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基每年在冬季發(fā)生凍脹、春季發(fā)生翻漿冒泥，嚴重地影響了線路的正常運營，也限制了鐵路提速。

北京—包頭鐵路(京包線)和包頭—蘭州鐵路(包蘭線)是我國北方地區(qū)交通運輸?shù)膬蓷l主干線，是溝通西北和華北地區(qū)客貨運輸?shù)闹匾ǖ?。這兩條線路處在季節(jié)性凍土區(qū)內(nèi)的地段，一直都存在著不同程度的路基凍害。當列車時速較低時，通過每年的養(yǎng)護維修也基本能正常運營，隨著列車速度的提高，加之多年來凍脹的日積月累，已不能保證按規(guī)定時速正常安全行駛，給列車的安全運營帶來隱患。本文通過對內(nèi)蒙古季節(jié)凍土區(qū)京包線和包蘭線路基從1月—6月期間內(nèi)的變形監(jiān)測，分析季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基凍害特點及發(fā)生原因，為季節(jié)凍土區(qū)高等級鐵路路基的凍害防治、養(yǎng)護維修和抗凍設計提供借鑒。

1 季節(jié)凍土區(qū)的氣候條件及路基填土性質(zhì)

1.1 路基凍害地段的氣候條件

京包線、包蘭線的呼和浩特鐵路局管界內(nèi)，年平均氣溫在7℃以上，歷年最低氣溫低于－30℃，年凍結(jié)深度在天然地表下1.0～1.2m范圍內(nèi)。根據(jù)調(diào)查，京包、包蘭線呼局管界內(nèi)每年凍脹量在20 mm以上者多達124處，總累計達5 000多米;凍脹量在20 mm以下者，達到了近30 km。

根據(jù)凍害調(diào)查所得的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，選擇代表性的2個路基高程變化觀測段:察素齊(位于京包上行線K701+0～K701+400段)和前旗(位于包蘭上行線K72+600～K72+900段)。觀測段地區(qū)的氣象資料見表1。

表1 京包線、包蘭線部分地區(qū)氣象資料

由圖1可看出，該地區(qū)的降雨具有明顯的季節(jié)性特征，主要集中在夏季6—9月間，也就是在路基土凍結(jié)的前期降雨量最大。

1.2 監(jiān)測地段路基填土的工程性質(zhì)

圖1 察素齊、前旗段多年月平均降雨量曲線圖

對監(jiān)測地段內(nèi)路基填土取樣進行室內(nèi)試驗分析，2個監(jiān)測地段的路基土基本性質(zhì)見表2，其級配情況如下所述。K701+024處土的級配為:細礫3.1%，砂粒64.74%，粉粒26.81%，黏粒5.35%，粒徑>0.075mm顆粒的質(zhì)量超過總質(zhì)量的50%且<80%。

K72+612處土的級配為:細礫0.74%，砂粒39.87%，粉粒45.74%，黏粒13.65%;10<(Ip=13.2)<17.0(Ip為塑性指數(shù))，液限(WL=26.6%)<40%。

根據(jù)鐵路路基規(guī)范[1]，這兩處路基土都屬于 C類填料;K72+612處路基填土的細顆粒含量較高，粒徑<0.075mm的占總重量的60%左右，為低液限粉質(zhì)黏土;K701+024處的土樣粗顆粒含量相對較高，粒徑>0.075mm的占總重量的65%以上，該土為粉砂土。

表2 路基填土基本物理性質(zhì)

2 路基變形監(jiān)測結(jié)果及分析

根據(jù)對京包上行線 K701+0～K701+400段、包蘭上行線K72+600～K72+900段兩處路基在1月—6月期間路基上的軌面高程的監(jiān)測，觀察路基高程在不同時間的變化過程?，F(xiàn)場監(jiān)測高程采用黃海高程系。

2.1 K701+0～K701+400段路基變形

該段路堤位于京包線上行線位置，路基高度為2～3 m，位于土默川平原的山前沖積扇，地勢平坦，天然地面1.5 m以下未見地下水，線路坡度為－0.6‰。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，此段路基上的軌面在不同時間的高程變化趨勢見圖2。

圖2 京包上行線K701+0～K701+400段路基上軌面高程變化曲線

由圖2可以看出，該段路基上的軌面高程基本在1月—2月期間達到最大值，在5月—6月又降低到最小值。這是由于，在1月—2月期間，當?shù)貧鉁靥幱谧畹蜁r期，路基中的土體基本上也達到了最大季節(jié)凍結(jié)深度，因此，土中凍結(jié)水分的量最大，相應凍脹量也最大，從而表現(xiàn)為同一位置處的軌面高程達到最大值。在春季以后，隨著氣溫的逐漸回升，季節(jié)凍土層中的冰晶逐漸融化，在列車荷載和土體自重的作用下，路基土受壓軌面高程逐漸回落降低，在5月—6月同一位置處的軌面高程基本上降到最小值。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，以6月份路基軌面高程為基準值，相同位置處不同時間的軌面高程與6月份的軌面高程差值作為路基變形量，并以圖3顯示路基變形量在不同時間沿線路縱向的變化。

圖3 京包上行線K701+0～K701+400段路基變形量曲線

圖3表明，該段路基凍脹變形較明顯，且沿著線路縱向很不均勻。路基變形量在1月—2月期間達到最大值，在3月—4月期間逐漸減小，在5月—6月基本回落完畢。在1月—2月期間，K701+0～K701+200段路基的變形量最大值發(fā)生在K701+025處，其值為57 mm，變形量最小值發(fā)生在 K701+075處，為 26 mm;此段路基每年季節(jié)凍結(jié)深度為1.1 m，其最大凍脹率為5.2%，最小凍脹率為2.4%。由于凍脹引起線路軌面高程發(fā)生突變，嚴重影響了線路縱向的平順度要求。

K701+200～K701+400段路基在1月—2月份軌面高程監(jiān)測變化幅度較大，最大變形量達78 mm。這是由于監(jiān)測期間工務段養(yǎng)護部門進行路基凍害整治，對這段路基進行養(yǎng)護作業(yè)后路基軌面高程產(chǎn)生較大變化造成的。

2.2 K72+600～K72+900段路基變形

該觀測段路堤位于包蘭線上行線位置，路基高度為3～4 m，位于黃河沖積平原，地勢平坦，屬中溫帶型大陸性氣候，天然地面1.0 m以下未見地下水，線路坡度為 －0.2‰。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，此段路基上軌面高程在不同時間其變化曲線見圖4。

圖4 包蘭上行線K72+600～K72+900段路基上軌面高程變化曲線

由圖4路基上的軌面高程變化過程可以看出，該段軌面高程變化時間性很明顯。在2月份，相同里程處軌面高程基本達到最大值，3月份后，開始逐漸下降，4月份以后，基本上就降低到最小值附近。此段填土路基的每年季節(jié)凍結(jié)深度為1.1 m。在3月初以后，隨著氣溫逐漸升高，凍結(jié)區(qū)的土體從路基上部開始融化，在1個月內(nèi)，路基高程幾乎回落到最小值，表明土體中引起路基凍脹的冰晶基本上全部融化。這說明此段路基的凍脹也主要發(fā)生在季節(jié)凍結(jié)層的上部，即基床表層附近，表明基床表層附近土中冰晶含量相對較大。此段路基變形量在不同時間沿線路縱向的變化見圖5。

圖5 包蘭上行線K72+600～K72+90段路基變形量曲線

從圖5可以看出，該段路基變形量沿線路縱向變化很不均勻。在2月份，K72+615處路基凍脹變形量最大，為46 mm，而在K72+875處凍脹變形量最小，為12 mm。此段路基每年季節(jié)凍結(jié)深度為1.1 m，最大凍脹率為4.2%，最小凍脹率為1.1%。圖5中也表明，在氣溫回升以后，路基中部分地段路基變形量為負值，其大小在4～7 mm左右。這是由于基床表層附近土中的冰晶體含量較大，在其融化后產(chǎn)生道砟沉陷導致軌面高程降低，在經(jīng)路基養(yǎng)護后軌面抬高所致。

對于鐵路線路來說，有意義的不是路基凍脹的絕對數(shù)值，而是在其縱向和橫向上路基凍脹的不均勻程度。凍脹的不均勻性，常使軌道結(jié)構(gòu)的水平、高低等發(fā)生不均勻的變化，改變了線路的整體平順度，給行車帶來安全隱患。通過對京包線和包蘭線的路基凍脹變形監(jiān)測的結(jié)果表明，京包線和包蘭線路基凍脹呈現(xiàn)整體性變形，但不同里程處的路基凍脹的相對高度相互之間差異較大，路基的凍脹變形極不規(guī)則，嚴重破壞了路基的整體平順度。

3 京包線、包蘭線路基凍害原因分析

土凍脹敏感性及影響土凍脹量的因素眾多，土性、水、溫度是其中三個很重要的因素［4－6］。

溫度條件對凍脹過程影響的特征指標是凍結(jié)鋒面的前進速度，即凍結(jié)速率。凍結(jié)鋒面發(fā)展快慢差異，決定著土凍結(jié)時是否只有原孔隙中的土壤水結(jié)冰，或除上述外還出現(xiàn)冰的分凝作用，形成薄厚不等的冰透鏡體，直接改變凍土的物理力學性質(zhì)。根據(jù)京包線、包蘭線部分地區(qū)氣象資料顯示，路基監(jiān)測地段年平均氣溫較低，年極端最低氣溫達－30℃以下，年降雨集中在6月—10月份，冬季最大積雪深度可達6 cm。京包線、包蘭線路基地處季節(jié)性凍土地區(qū)，凍結(jié)初期溫度升降反復變化，路基土的凍結(jié)速率較慢，未凍土中水分有較長的遷移時間;在每年的雨季后，土體的天然含水量較高，而路基土的細顆粒含量較多，相應排水條件不良，當氣溫降低時很容易使得土體產(chǎn)生較大的凍脹量。

土的粒徑與級配是影響土凍脹性的重要因素之一，而且隨著粒徑的變細，土顆粒與水之間的相互作用增強，土壤滲透性減弱。當粉粒含量占主要組成時，凍脹性最強;當黏粒占主要組成時，土粒與土壤水的作用很強，但由于土壤滲透性減弱，影響凍結(jié)時水分向凍結(jié)緣遷移聚集，故凍脹性反而降低。圖6表示了水分遷移聚集及凍脹率隨礦物顆粒尺寸的變化趨勢[4]。

由圖6可見，土顆粒尺寸在0.050～0.005 mm范圍內(nèi)的粉粒土凍脹性最強，即土粒組成中粉質(zhì)顆粒占優(yōu)勢是水分遷移的最有力條件。在黏性土顆粒范圍內(nèi)(0.005～0.002 mm)及以下時，土體的分散性增加，在土顆粒自由能增加的同時，不參與水分遷移和土凍脹過程的強結(jié)合水量也隨之增大，且滲透系數(shù)降低，故水分遷移、聚集量反而逐漸減少。

圖6 水分遷移集聚量W及凍脹率η隨礦物顆粒尺寸的變化趨勢

京包線、包蘭線路基土中由于細顆粒含量較多，在每年雨季后土體的天然含水量較高，而路基土排水條件不良，這使得土體凍結(jié)過程中具有較高的水分遷移能力，因此，在冬季凍結(jié)過程中路基易產(chǎn)生凍脹。在春季，隨著氣溫回升，路基土體中冰晶融化，尤其在基床表層附近大量的冰晶融化，由于土體內(nèi)水分不能及時排出，在列車動力作用下易形成道砟陷槽和翻漿。另外，由于多年的病害效果累積，使道砟陷槽深淺不一、道床厚度及污染程度不同，加之養(yǎng)護維修時的換土使基床土質(zhì)在短距離內(nèi)有較大的變化，導致路基凍脹變形不均勻。

在每年的6月—10月，京包線的察素齊區(qū)域內(nèi)的降雨量比包蘭線前旗區(qū)域內(nèi)的明顯要大，由于路基土排水條件不良，因此，雨季過后路基土體中存有更多的水分，導致在觀測地段冬季路基凍脹率相對較大。

4 結(jié)論

京包線、包蘭線季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基凍脹呈現(xiàn)整體性變形，但不同里程處的路基凍脹量相互之間差異較大;在監(jiān)測段內(nèi)，京包線路基最大凍脹率為5.2%，最小凍脹率為2.4%，包蘭線路基最大凍脹率為4.2%，最小凍脹率為1.1%;路基的凍脹變形極不規(guī)則，嚴重破壞了路基的整體平順度。

路基填土的級配不良是引起路基凍害的首要原因。多年的凍害效果累積使道砟陷槽深淺不一、道床厚度及污染程度不同，加之養(yǎng)護維修時的換土使基床土質(zhì)在短距離內(nèi)有較大的變化，導致路基凍脹變形不均勻發(fā)生。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10001—2005鐵路路基設計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

[2] 中華人民共和國鐵道部.新建時速200～250 km客運專線設計暫行規(guī)定(上、下)［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

[3] 王其昌.高速鐵路土木工程［M］.成都:西南交通大學出版社，1999.

[4] 陳肖柏，劉建坤，劉鴻緒，等.土的凍結(jié)作用與地基［M］.北京:科學出版社，2006.

[5] 徐學祖，鄧友生.凍土中水分遷移的實驗研究［M］.北京:科學出版社，1991.

[6] 徐學祖，王家澄，張立新.凍土物力學［M］.北京:科學出版社，2001.

[7] 周小霞.高厚多年凍土區(qū)鐵路建設施工技術(shù)管理［J］.鐵道建筑，2005(7):69－70.

[8] 程愛君，葉陽升.多年凍土地區(qū)路基凍害分析及防治措施［J］.鐵道建筑，2006(7):60 －61.

[9] 荊志東，王春雪，謝強.凍區(qū)鹽漬土導熱系數(shù)測試方法的研究［J］.鐵道建筑，2008(3):69－70.