季節(jié)性凍土地區(qū)路基凍結深度試驗研究

張聰穎

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

季節(jié)性凍土地區(qū)路基凍結深度試驗研究

張聰穎

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

在季節(jié)性凍土地區(qū)修建無砟軌道鐵路，路基凍脹變形控制是突出技術難題。通過對填筑粗顆粒填料的路基、天然地基與保溫路基的溫度及變形測試，確定不同土質凍結指數(shù)與凍結深度的關系，證明設置保溫層可以降低凍結深度，是路基凍脹變形控制的一種有效措施。

路基；季節(jié)性凍土區(qū)；保溫板；凍脹觀測

中國國土面積約有53.5%的地區(qū)屬于季節(jié)性凍土區(qū)[1]。季節(jié)性凍土是指寒季凍結暖季全部融化的土層。路基在經(jīng)受年復一年的周期性凍融循環(huán)作用后，凍害嚴重影響了鐵路路基壽命。凍害主要特征表明：凍脹變形多為不均勻變形，且發(fā)生位置具有隨機性。路基病害的不斷發(fā)生，不僅給鐵路運輸安全帶來重大的危害，而且還影響運輸成本[2]。因此，研究路基防凍脹措施對于在季節(jié)性凍土區(qū)修建無砟軌道具有重要的意義。

建設中的哈齊客運專線為無砟軌道鐵路，位于松嫩平原。沿線地勢低洼，河流水系發(fā)育，地下水豐富。沿線最冷月平均氣溫-23.8～-27.3 ℃，極端最低溫度-36.8～-39.3 ℃，最大凍結深度1.89～2.72 m，路基凍脹變形控制難度極大。

本文依托哈齊客運專線路基試驗段，通過一個凍融周期的凍脹和溫度監(jiān)測，對比天然地基、粗顆粒填料填筑路堤及鋪設保溫板的路基的凍結深度及凍脹變形情況，分析凍結深度與路基結構、凍結指數(shù)的關系，探討合理的防凍路基結構形式。

1 監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 溫度監(jiān)測

為觀測溫度分布及發(fā)展狀況，在不同位置及深度安裝溫度傳感器， 其深度分別為路基或地基表面下0.2 m，0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.2 m，1.6 m，1.7 m至4.1 m共計20個溫度計。

溫度傳感器測溫精度為0.1 ℃。

1.2 變形監(jiān)測

為監(jiān)測土體的整體變形和分層變形，對不同部位路基或地基表面下1 m，2 m，3 m深度分別埋設了凍脹計。

凍脹計量程為60 mm，精度為0.01 mm。

2 粗顆粒填料路基與天然地基

2.1 粗顆粒填料路基

路基基床表層0.4 m填筑級配碎石，其下2.0 m范圍內填筑非凍脹A、B組土。級配碎石及非凍脹A、B組土細顆粒含量應控制在5%以內，壓實后細顆粒含量應小于7%，滲透系數(shù)應大于5×10-5m/s。非凍脹A、B組土以下0.3 m填筑A、B組土，基床以下填筑A、B組土或C組粗顆粒土。分別選擇左線底座板外邊緣、右線底座板兩側邊緣和中心、右側路肩位置布設傳感元器件，布設位置如圖1所示。

從2012年11月中旬路基開始冰凍至2013年6月全部融化，對其進行一個凍融周期的觀測，繪制期間氣溫變化曲線及路基向下0.6 m，1 m，2 m，3 m深度處的溫度隨時間變化的曲線，如圖2、圖3所示。

圖1 傳感器布設位置(單位：m)

圖2 氣溫變化曲線

圖3 粗顆粒填料路基溫度隨時間變化曲線

從11月中旬至次年3月上旬，地溫始終緩慢下降，地表溫度最低，地溫隨深度增大而升高。從3月上旬開始逐漸融化，地溫急劇升高，4月中旬后，地表溫度最高，地溫隨深度增大而減小。 整個凍融周期中，地溫為先降低后升高的趨勢，呈余弦變化，但不同深度處的溫度極值、相位均有顯著差別。

在不同深度，地溫變化趨勢相似，地表溫度變化的幅度較大，隨著深度的增加，地溫的變化幅度逐漸變小，地溫曲線逐漸變得平緩。路基溫度場沿深度方向呈非線性分布[3]，這主要是因為路基不同深度處溫度變化受外界環(huán)境變化影響，并且熱量在傳遞過程中伴隨著能量的衰減所致。主要表現(xiàn)為進入冬季，路基內部溫度顯著高于環(huán)境溫度，熱量從路基內部向外界環(huán)境擴散；春季轉暖后，一部分熱量由周圍環(huán)境通過路面及兩側傳向路基，路基內部溫度逐漸升高，至夏季，其溫度升至最高，但仍低于氣溫。

通過監(jiān)測路基的凍脹量和凍深變化情況(圖4)，發(fā)現(xiàn)總體凍脹量并不大，未超過1.5 mm。在凍結初期，凍脹量迅速發(fā)展，后處于平穩(wěn)期，至春融開始，凍脹量逐漸下降至接近初值。

圖4 凍脹凍深變化曲線

凍結深度在凍結期是逐漸向下發(fā)展的，3月中旬后，下層路基凍結深度開始緩慢抬升，4月中旬開始，上層路基也開始融化，且融化速率大于下層的融化速率，主要是因為外界熱量向路基內部傳遞速度較快。4月底至5月初路基凍土全部融化。

2.2 天然土體

從2012年11月中旬路基開始至2013年6月，對其進行一個凍融周期的觀測，繪制0.1 m，1 m，2 m，3 m深度處的溫度隨時間變化的曲線，如圖5所示。

天然土體和粗顆粒填料路基在不同時間的凍結速率如表1所示。

圖5 天然土體溫度隨時間變化曲線

路基類型12月凍結速率/(cm/d)1月凍結速率/(cm/d)2月凍結速率/(cm/d)最大凍結深度/m天然土體1.51.40.51.42粗顆粒填料2.51.61.32.15

根據(jù)部分現(xiàn)場實測觀測資料，發(fā)現(xiàn)天然土體的總體變化趨勢與粗顆粒填料路基相似，但粗顆粒填料路基中心的實際凍結深度要大于天然地表的凍深。在一個凍融周期內，天然地表下和路基下凍結深度隨著凍結指數(shù)的變化大致呈現(xiàn)平方根趨勢變化(圖6)，依據(jù)傳統(tǒng)Stephen問題的解析解，凍結深度與凍結指數(shù)有如下擬合關系[4]

Hf=A(-∑Tf)0.5

式中，Hf為凍結深度；-∑Tf為負溫累計值，稱為凍結指數(shù)；A為擬合參數(shù)，有

圖6 凍結深度與凍結指數(shù)擬合關系

經(jīng)過擬合對比，得出擬合參數(shù)A，發(fā)現(xiàn)路基中心的擬合參數(shù)大于天然地表的擬合參數(shù)，并且根據(jù)此擬合參數(shù)、氣溫，可以模擬下一年度的凍深發(fā)展狀況及最大凍深。由此發(fā)現(xiàn)，由于具體地點的土質、水分狀況、日照、周圍環(huán)境等的不同，凍結深度變化差異還是很大的[6]。

3 設置保溫層粗顆粒填料路基

粗顆粒填料路基基床底層施工完成后，于軌道板底座下澆筑中空鋼筋混凝土板，混凝土板空腔內填充XPS保溫板；軌道板底座范圍以外位置，在基床表層頂部鋪設XPS保溫板，保溫板上澆筑纖維混凝土保護。電纜槽底部和側面設置XPS保溫板。XPS保溫板厚0.2 m，不同部位的保溫板搭接長度0.1 m。

圖7為2012年11月中旬至2013年6月右線位置不同深度溫度測試曲線。

圖7 右線下溫度變化曲線

可以看出，表層溫度是呈先陡然降低，至深0.2 m處已降至零度以下，到12月初達到最低點，之后驟然升高，然后呈緩慢降低緩慢升高的趨勢。深層地溫未受影響。12月中旬后，溫度變化趨勢與普通路基和天然土體類似。

這主要是因為在12月初之前，還未鋪設保溫板，表層溫度降到了0 ℃以下，隨后12月上旬開始施工，進行清除表層，搭建保溫棚，澆筑中空鋼筋混凝土板，鋪設保溫板等工作，導致上層路基溫度逐漸上升，在整個凍融周期內，保溫板鋪設完畢后，地溫一直保持在0 ℃以上。

但右側路肩位置的測點(圖8)出現(xiàn)了負溫區(qū)，最大凍結深度約0.9 m，出現(xiàn)于12月下旬，之后溫度逐漸升高。值得注意的是哈齊客運專線12月下旬仍處于負溫累積階段，即正常情況下，凍結深度應處于持續(xù)發(fā)展而非融化階段，因此該點的測試結果受施工過程影響較大，其保溫效果需結合進一步的觀測進行評估驗證。

圖8 右側路肩溫度變化

4 結論

(1)凍結深度與凍結指數(shù)及土質有關，擬合結果表明，凍結深度與凍結指數(shù)呈指數(shù)關系，在相同凍結指數(shù)條件下，粗顆粒填料路基凍結深度明顯大于黏性土天然地基。

(2)在凍結過程中，地表溫度最小，隨深度增加逐漸升高，融化過程則剛好相反，路基溫度場沿深度方向呈非線性分布，凍融周期中，溫度總體呈余弦規(guī)律變化。

(3)粗顆粒填料路基凍脹量在初期發(fā)展較快，短時間內即進入平穩(wěn)期，且最大變形量較小，說明粗顆粒填料路基防凍脹變形效果較好。

(4)鋪設保溫板后，線路中心測點溫度一直在零度以上，說明通過保溫措施將凍結深度控制在一定范圍是可行的。邊緣測點出現(xiàn)負溫區(qū)，是源于保溫方案尚存在不完善的方面還是施工過程的干擾，尚需結合進一步的觀測進行驗證。

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Study on Frozen Depth Test of Subgrade in Seasonal Frozen Soil Area

Zhang Congying

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， TianJin 300251, China)

Where ballastless track is constructed in the area with seasonal frozen soil， the embankment deformation control is a prominent problem. The test of subgrade filled with coarse grain soil and the test of temperature and deformation of the natural foundation and insulated embankment are conducted to determine the relationship between different soil frozen index and frozen depth. Test results show that insulating layer can reduce the frozen depth prove to be an effective way to control subgrade deformation caused by frost heave．

Subgrade; Seasonal frozen area; Insulation board; Frost heaving observation

2014-08-26

張聰穎(1987—)，女，工程師，2011年畢業(yè)于中國地質大學

1004-2954(2014)11-0032-04

U213.1+4

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.008

(北京)資源與環(huán)境遙感專業(yè)，工學碩士。