大西客運(yùn)專線寒冷地區(qū)路基凍脹現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

陳 虎,張戎墾,冷景巖

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

大西客運(yùn)專線寒冷地區(qū)路基凍脹現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

陳 虎,張戎墾,冷景巖

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

為掌握大西客運(yùn)專線寒冷地區(qū)路基凍脹變形規(guī)律,選擇4個(gè)代表性監(jiān)測(cè)段落,在一個(gè)凍融期內(nèi)對(duì)路基中地溫、凍脹變形及含水量進(jìn)行觀測(cè),測(cè)試結(jié)果表明:地溫發(fā)展變化大致經(jīng)歷快速降溫、慢速降溫、升溫3個(gè)階段,部分段落的最大凍結(jié)深度測(cè)試值大于設(shè)計(jì)值;路基表層處體積含水量上下波動(dòng)相對(duì)較大,路基深層處體積含水量有緩慢減小的趨勢(shì);路基凍脹變形均小于8mm,凍脹發(fā)生的部位主要集中在基床表層范圍。

客運(yùn)專線;寒冷地區(qū);路基凍脹;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在我國(guó)季節(jié)性凍土地區(qū),由于以往對(duì)鐵路路基的凍脹性認(rèn)識(shí)不足,路基工程的防凍脹措施未明確要求或標(biāo)準(zhǔn)較低,路基季節(jié)性的凍脹和融沉導(dǎo)致了路基產(chǎn)生嚴(yán)重的不均勻變形,破壞軌道的平順性,造成線路養(yǎng)護(hù)維修工作量十分繁重,并對(duì)安全行車帶來了嚴(yán)重危害[1- 4]。

高速鐵路運(yùn)行速度快,對(duì)軌道的平順性提出了更高的要求,而下部構(gòu)筑物的變形直接影響到軌道的質(zhì)量狀態(tài)。在季節(jié)性凍土地區(qū)修建高速鐵路,解決路基季節(jié)性凍脹、融沉引起的線路不平順問題已經(jīng)成為工程建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)[5- 6]。

新建大西客運(yùn)專線原平西至運(yùn)城北段最冷月平均氣溫為-5～-15℃,最大凍結(jié)深度為0.81～1.21 m,按對(duì)鐵路工程影響的氣候分區(qū)屬于寒冷地區(qū)。為了解新建大西客運(yùn)專線路基凍脹變形大小、發(fā)生的規(guī)律,驗(yàn)證防凍脹措施的效果等。在大西客運(yùn)專線寒冷地區(qū)選擇了4個(gè)代表性的監(jiān)測(cè)段落,對(duì)路基中地溫、凍脹變形及含水量進(jìn)行了觀測(cè),從而評(píng)價(jià)本地區(qū)路基防凍脹設(shè)計(jì)以及路基施工質(zhì)量,為建設(shè)和運(yùn)營(yíng)部門及時(shí)采取有效措施提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 路基凍脹監(jiān)測(cè)區(qū)段選擇

監(jiān)測(cè)段落的選擇綜合考慮了氣候氣象條件、凍結(jié)深度、地下水位深度、路基填料、路基填挖形式等,最終確定了4個(gè)監(jiān)測(cè)段落,如表1所示。其中太原以北是全線最寒冷和凍結(jié)深度最大地區(qū),分別選取一段基床底層填料為A、B組土的填方路基段落,一段基床底層填料為水泥改良土挖方路塹段落;由于地下水位對(duì)凍脹的影響較為重要,因此選取了晉中站附近路基地下水位較高的一段路堤段落;通過分析沿線的氣象特點(diǎn),靈石地區(qū)的降水量大,且凍結(jié)深度在此地區(qū)比相鄰的南北區(qū)域都大,因此在靈石附近選擇一段路塹段落。

____________________表1 監(jiān)測(cè)段落

1.2 路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大西客運(yùn)專線采取的路基防凍脹措施主要是:原平及晉中段路堤基床表層厚為0.4 m的級(jí)配碎石,基床底層厚2.3 m,基床底層上部0.6 m范圍內(nèi)填筑非凍脹填料(粒徑小于0.075 mm顆粒含量小于15%的A、B組土或改良土),基床底層下部及基床以下路堤均采用A、B組土或改良土填料填筑。忻州及靈石段路塹基床表層厚為0.4 m的級(jí)配碎石,基床底層2.3 m換填改良土,基巖埋深較淺時(shí),基床底層換填改良土至基巖面。

1.3 監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)及觀測(cè)頻率

在4個(gè)監(jiān)測(cè)段落內(nèi)選擇了34個(gè)測(cè)試斷面,每個(gè)測(cè)試斷面在線路左右中心線平行布置相同的傳感器,測(cè)試內(nèi)容主要包括路基中地溫、凍脹變形及路基填料的含水量。

(1)地溫傳感器,自路基級(jí)配碎石頂面以下0.2 m垂直向下布設(shè),傳感器之間間距為0.2 m,每個(gè)測(cè)溫孔中安裝10支測(cè)溫傳感器,觀測(cè)不同深度上地溫變化特征,同時(shí)計(jì)算路基凍結(jié)深度,4個(gè)監(jiān)測(cè)段落各安裝16個(gè)測(cè)溫孔。

(2)含水量傳感器,原平和忻州段每段中選擇2個(gè)斷面布設(shè)含水量監(jiān)測(cè)元件,自路基級(jí)配碎石頂面以下0.2 m垂直向下布設(shè),間距0.8 m,每孔3個(gè)含水量傳感器。晉中和靈石段路基兩側(cè)底座板中心位置下部設(shè)置含水量監(jiān)測(cè)元件,每段中選擇3個(gè)斷面布設(shè)含水量監(jiān)測(cè)元件,自路基級(jí)配碎石頂面以下0.2 m垂直向下布設(shè),間距0.6 m,每孔3個(gè)含水量傳感器。

(3)凍脹變形傳感器,原平和忻州段由于最大凍結(jié)深度超過1 m,監(jiān)測(cè)斷面每側(cè)各安裝3支凍脹計(jì),安裝深度分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m,2個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)段每段安裝48支。榆次和靈石段,監(jiān)測(cè)斷面每側(cè)各安裝4支凍脹計(jì),安裝深度分別為0.5 m、1.0 m,2個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)段每段安裝36支凍脹變形傳感器。

圖1為線路左線中心線監(jiān)測(cè)傳感器布置示意, 12月上旬埋設(shè)傳感器,全部埋設(shè)完畢后開始觀測(cè),地溫、凍脹變形、含水量?jī)雒浧陂g每天觀測(cè)12次,氣溫回暖凍脹消失后每天觀測(cè)1次。

2 觀測(cè)結(jié)果分析

2.1 監(jiān)測(cè)區(qū)段地溫與凍結(jié)深度

鐵路路基凍脹是多種因素綜合作用的結(jié)果,路基的土質(zhì)情況、含水量、大氣溫度是形成基床凍脹的3個(gè)主要因素。沒有負(fù)溫水就不會(huì)成冰,體積就不會(huì)變化,負(fù)溫在一定范圍下,就會(huì)產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象,因而負(fù)溫是發(fā)生凍脹的前提條件[7- 9]。

典型的地溫隨時(shí)間變化曲線如圖2所示,絕大部分監(jiān)測(cè)斷面的地溫隨時(shí)間發(fā)展變化規(guī)律基本一致,一個(gè)凍融循環(huán)周期內(nèi)地溫發(fā)展變化大致可以分為快速降溫階段、慢速降溫階段、升溫階段3個(gè)階段。2013年12月中旬到2014年1月初表現(xiàn)為地溫降低快速發(fā)展期;2014年1～2月為地溫緩慢降溫階段,至3月上旬地溫普遍大于0℃。

圖2 典型的地溫隨時(shí)間變化曲線

距離地面0.2、0.4 m深的地溫受短期外部氣溫升降影響較大,而距離地面0.6 m以下的地溫受短期外部氣溫的升降影響較小,地溫變化延遲效應(yīng)相應(yīng)增大。

同一監(jiān)測(cè)段落各監(jiān)測(cè)孔的凍結(jié)深度差異較大,大部分測(cè)試孔測(cè)試的最大凍結(jié)深度小于設(shè)計(jì)凍結(jié)深度。原平段路基最大凍結(jié)深度的測(cè)試值均小于最大凍結(jié)深度設(shè)計(jì)值1.21 m,最大凍結(jié)深度測(cè)試值主要集中在0.7～0.9 m,占63%;忻州段最大凍結(jié)深度設(shè)計(jì)值為1.10 m,測(cè)試的最大凍結(jié)深度為1.09 m,后者大于前者的測(cè)孔占總測(cè)孔數(shù)的79%;而晉中段測(cè)試的最大凍結(jié)深度為1.14 m,其中線路右側(cè)測(cè)試均大于最大凍結(jié)深度設(shè)計(jì)值0.77 m,線路左側(cè)均小于最大凍結(jié)深度設(shè)計(jì)值;靈石段最大凍結(jié)深度設(shè)計(jì)值為0.81 m,測(cè)試最大凍結(jié)深度為0.93 m,除去凍結(jié)深度為0.93 m的測(cè)試孔,其他17個(gè)監(jiān)測(cè)孔測(cè)試的凍結(jié)深度均小于0.81 m。圖3為典型的凍結(jié)深度隨時(shí)間變化典型曲線,圖中T29代表第29個(gè)測(cè)試斷面,-Y代表線路右側(cè)凍結(jié)深度,-Z代表線路左側(cè)凍結(jié)深度。

圖3 典型的凍結(jié)深度隨時(shí)間變化典型曲線

2.2 路基體積含水量變化

土中的水分是引起土體凍脹的必要條件,水來源于地表水和地下水[7]。圖4給出了體積含水量隨時(shí)間變化曲線,從圖中可以看出,淺層距地表0.2 m深處的體積含水量變化相對(duì)較大,監(jiān)測(cè)周期內(nèi)體積含水量最大波動(dòng)約5%,同一監(jiān)測(cè)段落的兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面表現(xiàn)出很好的一致性;深層處1.0、1.8 m的體積含水量表現(xiàn)出緩慢減小的趨勢(shì)。造成這種情況的主要原因:一是兩處填方路堤地段路堤填筑較高(超過6 m),地下水很難通過毛細(xì)管作用直接補(bǔ)充凍結(jié)層的水分;二是兩處挖方路塹為黃土地段地下水位較深,地下水位也很難對(duì)上層路堤凍脹進(jìn)行補(bǔ)充。

圖4 典型的體積含水量隨時(shí)間變化曲線

2.3 路基凍脹變形

在季節(jié)凍土區(qū),冬季隨著氣溫的逐漸降低,路基土體從表層開始凍結(jié),向下逐漸延伸,最終達(dá)到最大凍結(jié)深度,并產(chǎn)生凍脹變形[5]。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示4個(gè)監(jiān)測(cè)段落凍脹變形總體較小,最大凍脹變形均小于8 mm,最大凍脹變形主要集中在≤4 mm范圍內(nèi),4個(gè)監(jiān)測(cè)段落最大凍脹變形在≤4 mm范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)數(shù)分別占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的68.2%～100%。說明監(jiān)測(cè)區(qū)段路基的絕對(duì)凍脹量絕大部分處于較低水平,已采取的路基防凍脹措施發(fā)揮了有效作用,凍脹變形處于可控狀態(tài)。最大凍脹變形分布統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

圖5 最大凍脹變形分布統(tǒng)計(jì)

根據(jù)以往研究結(jié)果,路基分層總凍脹量沿凍結(jié)層深度逐漸減小,在封閉系統(tǒng)下,80%左右的凍脹量是由路基表層到2/3凍結(jié)深度內(nèi)土體產(chǎn)生[10]。

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示,距地表0.5 m范圍內(nèi)最大凍脹量的平均值是1.0 m范圍內(nèi)的62%～83%,可以看出凍脹主要發(fā)生在地表淺層,距地表1.5 m范圍內(nèi)的最大凍脹量與距地表1.0 m范圍內(nèi)的最大凍脹量的差異不大,測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)[10]的結(jié)論相同。

3 結(jié)論

通過對(duì)大西客運(yùn)專線2013年冬季至2014年春季凍融期間4個(gè)路基段落監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,得出以下結(jié)論。

(1)地溫發(fā)展變化大致經(jīng)歷快速降溫、慢速降溫、升溫3個(gè)階段。絕大部分測(cè)試的最大凍結(jié)深度小于最大凍結(jié)深度設(shè)計(jì)值,4個(gè)監(jiān)測(cè)段落最大凍結(jié)深度測(cè)試值小于設(shè)計(jì)值,分別占總測(cè)孔的100%、79%、50%、94%。

(2)地表淺層處的體積含水量受外部環(huán)境影響相對(duì)較大,而深層處的體積含水量在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)總體表現(xiàn)出微小減小的趨勢(shì),表明地下水對(duì)凍結(jié)鋒面補(bǔ)充不明顯,應(yīng)重點(diǎn)做好路基面的防排水措施。

(3)路基凍脹變形總體較小,凍脹主要集中在距地表淺層0.5 m范圍內(nèi),路基最大凍脹變形均小于8 mm,且主要集中在≤4 mm范圍內(nèi)。路基凍脹變形在可控制范圍內(nèi),已采取的路基防凍脹措施發(fā)揮了有效作用。

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Field Test of Subgrade Frost Heaving on Datong-Xi'an Passenger Dedicated Line in Cold Region

CHEN Hu,ZHANG Rong-ken,LENG Jing-yan
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,TianJin 300251,China)

Four representative monitoring sections are selected in the freezing and thawing period to learn the rules of subgrade frost heaving deformation on Datong-Xi'an passenger dedicated line in cold region by means of the observation of ground temperature,subgrade frost heave deformation and water content. The results show that the development and change of ground temperature occur in three stages:rapid cooling,slow cooling and temperature rise;the measured maximum freezing depths are greater than the design values on some sections;the fluctuation of volumetric water content in the subgrade surface is relatively greater,while the volumetric water content in deep subgrade tends to reduce slowly;the subgrade frost heave deformation is less than 8 mm,and the frost heaving concentrates in the subgrade surface.

Passenger dedicated line;Cold region;Subgrade frost heaving;Field test

U238;U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.002

1004-2954(2014)12-0006-03

2014-09-01;

2014-09-19

陳 虎(1985—),男,工程師,2013年畢業(yè)于西南交通大學(xué),工學(xué)博士,E-mail:307633247@qq.com。