嚴(yán)寒地區(qū)路基凍脹變形特征及過程分析

王功博　黃新文

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

Analysis of the Frost Heave Deformation Characteristics and Process of Subgrade in Cold Area

WANG Gongbo　HUANG Xinwen

嚴(yán)寒地區(qū)路基凍脹變形特征及過程分析

王功博黃新文

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

Analysis of the Frost Heave Deformation Characteristics and Process of Subgrade in Cold Area

WANG GongboHUANG Xinwen

摘要根據(jù)某客運(yùn)專線GDK222+581.1～GDK222+681.1工點凍脹變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析該工點的凍脹變形特征及過程，研究得出該工點凍脹量主要發(fā)生在基床表層。并指出路基凍脹存在縱向及橫向的隨機(jī)性、不確定性和不均勻性，凍脹變形快速上升階段與快速融沉階段是凍脹變形最主要的兩個階段，也是造成路基本體不均勻凍脹后引起軌道幾何形態(tài)指標(biāo)超限，影響旅客乘坐舒適度，極端情況下危機(jī)行車安全的主要階段。

關(guān)鍵詞路基凍脹融沉變形特性過程

在高寒地區(qū)修建高速鐵路，季節(jié)性凍土路基的防凍脹問題是世界性難題[1]?？瓦\(yùn)專線列車行車速度高，對線路平順性、旅客舒適度等要求高。路基本體不均勻凍脹后引起軌道幾何形態(tài)指標(biāo)超限，影響旅客乘坐舒適度，極端情況下危機(jī)行車安全[2]。因此，全面、細(xì)致、準(zhǔn)確的掌握嚴(yán)寒地區(qū)路基凍脹的具體變化情況，并為今后鐵路建設(shè)提供參考，對在建的客運(yùn)專線上進(jìn)行路基凍脹變形監(jiān)測與試驗是十分必要的[3]。

1概述

1.1　工程概況

新建某客運(yùn)專線位于吉林省中東部，線路全長360.602 km，設(shè)計速度250 km/h，有砟軌道。該工點位于布爾哈通低山溝谷區(qū)，地勢起伏不大，大部分地表被植被覆蓋，地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。該工點為路堤段，填高約6～7 m，基床表層填筑級配碎石，厚0.7 m；基床底層頂部設(shè)0.2 m厚中粗砂內(nèi)夾鋪一層復(fù)合土工膜隔斷層，其下填筑1.0 m厚非凍脹性A、B組填料和1.1 m厚A、B組填料。路基本體采用A，B組或C組碎石、礫石類填料。

1.2　氣象特征

本區(qū)屬北亞溫帶濕潤半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，按照對鐵路工程影響的氣候分區(qū)，該區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū)。年平均氣溫4.6 ℃，最冷月平均氣溫-15.2 ℃，極端最低氣溫-37.1 ℃，年平均降水量670.4 mm，主要集中于6～8月；平均相對濕度67%。土壤最大凍結(jié)深度171 cm，每年從10月底開始凍結(jié)，次年4～5月全部融化，經(jīng)歷時間長達(dá)5～6個月。

1.3　監(jiān)測方法及監(jiān)測點布置原則

在線路兩側(cè)基床表層位置挖一條平行于線路的監(jiān)測溝(埋深300 mm，寬300 mm)，位于中心線兩側(cè)5.5 m，監(jiān)測線分布于監(jiān)測溝內(nèi)。從基準(zhǔn)點開始每5 m布設(shè)一個監(jiān)測點(見圖1)，同時也對該工點地溫進(jìn)行自動監(jiān)測。

圖1　自動變形監(jiān)測系統(tǒng)示意

2凍脹變形特征分析

該工點長度為100 m。采用DCM自動監(jiān)測系統(tǒng)對變形進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，本監(jiān)測周期左側(cè)最大變形值為10.0 mm，于2014年3月21日發(fā)生在DK222+626.1點；右側(cè)最大變形值為8.1 mm，于2014年3月12日發(fā)生在DK222+601.1點。左側(cè)平均凍脹量為 5.16 mm，右側(cè)平均凍脹量為4.04 mm。融沉階段部分監(jiān)測點受沉降影響融沉至初始高程以下。左側(cè)凍脹變形縱斷面情況見圖2，右側(cè)凍脹變形縱斷面情況見圖3。

圖2　左側(cè)變形縱斷面

圖3　右側(cè)變形縱斷面

總結(jié)本工點凍脹變形特征如下。

(1)路基凍脹變形具有隨機(jī)性和不確定性[4]:凍脹變形在縱向上呈波動狀態(tài)，凍峰、凍谷交替出現(xiàn)，顯示出凍脹變形位置的隨機(jī)性及不確定性。

(2)路基凍脹變形具有不均勻性[5]：凍脹變形在縱向及橫向上均呈現(xiàn)出不等高的變形情況，表現(xiàn)出縱向及橫向凍脹變形的不均勻性。

3凍脹變形過程分析

本工點于GDK222+650斷面兩側(cè)分別安裝了地溫監(jiān)測系統(tǒng)，通過對地溫和水分的監(jiān)測來判斷地溫零度線所在的位置(即凍結(jié)發(fā)生的深度)，從而對凍脹變形發(fā)生過程進(jìn)行分析。

3.1　左線變形發(fā)生過程分析

根據(jù)左側(cè)平均變形監(jiān)測數(shù)據(jù)及地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以得到凍脹變形曲線及凍深變化曲線(見圖4)。左側(cè)不同深度(自路基面以下)地溫監(jiān)測情況見圖5。

圖4　左側(cè)凍脹變形曲線及凍深變化曲線

圖5　左側(cè)地溫曲線

根據(jù)圖4綜合分析，左線凍脹變形過程如下：

左線凍脹量在2013年12月22前呈平穩(wěn)波動階段，該階段路基凍脹變形幅度很小，基本處于平穩(wěn)小波動狀態(tài)，凍脹量在0.5 mm以內(nèi)，地溫監(jiān)測顯示零度線在0.7 m以上。

2013年12月22日至2014年1月10日之間呈快速上升階段，該階段路基凍脹變形幅度很大，處于陡升狀態(tài)，凍脹量達(dá)到3.54 mm，約占凍脹極致點的75%。地溫監(jiān)測顯示零度線自0.7 m深下降至0.9 m深。

2014年1月10日至2014年3月29日呈平穩(wěn)小波動階段，該階段路基凍脹變形幅度較小，基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，該時間段地溫零度線下降至1.6 m深。其中，在2月24日至3月21日呈緩慢波動上升階段，在此期間地溫監(jiān)測顯示零度線并未向下下降，但氣溫快速回暖導(dǎo)致表層融化，融深一度達(dá)到0.9 m深，后又緩慢凍結(jié)，是導(dǎo)致此次緩慢上升的主要原因。

2014年3月29日至2014年4月15日為快速融沉過程，該階段路基融沉變形幅度很大，處于陡降狀態(tài)，融沉至初始高程以下(受沉降影響)。地溫監(jiān)測顯示0.5 m深地溫自4月5日開始快速上升， 0.7 m深地溫自4月10日開始快速上升，0.9 m深地溫自4月14日開始快速上升，1.4 m深地溫自4月15日開始快速上升，說明融沉自上而下逐漸融沉。

2014年4月15日后出現(xiàn)小幅沉降，該階段僅1.4～1.9 m深局部凍層緩慢融化，初步分析，所引起的融沉為鉆孔回填土由于含水量增加所引起的沉降所致。

3.2　右線變形發(fā)生過程分析

根據(jù)右側(cè)平均變形監(jiān)測數(shù)據(jù)及地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以得到凍脹變形曲線及凍深變化曲線(見圖6)，右側(cè)不同深度(自路基面以下)地溫曲線見圖7。

圖6　右側(cè)凍脹變形曲線及凍深變化曲線

圖7　右側(cè)地溫曲線

右線凍脹量在2013年12月15前呈平穩(wěn)波動階段，該段時間路基凍脹變形幅度很小，基本處于平穩(wěn)小波動狀態(tài)，凍脹量基本在0.5 mm以內(nèi)，地溫監(jiān)測顯示零度線在0.7 m以上。

2013年12月15日至2014年1月5日之間呈快速上升階段，該階段路基凍脹變形幅度很大，處于陡升狀態(tài)，凍脹量達(dá)到2.82 mm，約占凍脹極致點的85%。地溫監(jiān)測顯示零度線自0.7 m深下降至1.1 m深之間。

2014年1月5日至2014年3月25日呈平穩(wěn)小波動階段，該階段路基凍脹變形幅度較小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。該段時間地溫監(jiān)測顯示零度線自1.1 m深下降至1.9 m深，1.4 m深的地溫監(jiān)測顯示零度線于2014年1月17日達(dá)到該深度，1.9 m深處地溫僅觸及零度線，但并未超過零度。其中，2月26日至3月21日呈緩慢波動上升階段，地溫監(jiān)測顯示零度線未下降，但氣溫快速回暖導(dǎo)致表層融化，融深一度達(dá)到0.7 m深，后又緩慢凍結(jié)，是導(dǎo)致此次凍脹的主要原因。

2014年3月25日至2014年4月17日呈快速融沉階段，該階段路基融沉變形幅度很大，處于陡降狀態(tài)，融沉至初始高程以下(受沉降影響)。地溫監(jiān)測顯示0.7 m深地溫自4月6日開始快速上升，0.9 m深地溫自4月10日開始快速上升，1.4 m深地溫自4月15日開始快速上升，說明融沉自上而下逐漸融沉。

2014年4月17日之后呈緩慢融沉階段，該階段僅1.4～1.9 m深局部凍層緩慢融化，初步分析，所引起的融沉為鉆孔回填土由于含水量增加所引起的沉降所致。

3.3　綜合分析

該工點為路堤工點，在凍結(jié)階段，隨著零度線下降，零度線附近的含水量快速下降后趨于穩(wěn)定；在融化階段，隨著零度線的下降，零度線附近的含水量快速上升，達(dá)到極大值后迅速下降，下降至一定值后趨于平穩(wěn)，由此形成一個向上的尖頂。該工點凍脹變形可分為平穩(wěn)波動階段、快速上升階段、平穩(wěn)小波動階段、快速融沉階段、緩慢融沉階段。快速上升階段與快速融沉階段是凍脹變形最主要的兩個階段，快速變形說明凍脹量所發(fā)生的位置。

綜合考慮各種因素分析，本工點引起凍脹的深度在0.7～1.1 m深之間，初步分析該層在兩部一膜上的中粗砂層附近。

現(xiàn)有路基結(jié)構(gòu)形式下，凍結(jié)深度不是控制路基凍脹的主因[6]，根據(jù)地溫判斷，本工點實測最大凍結(jié)深度1.9 m，設(shè)計最大凍結(jié)深度1.71 m，實測最大凍結(jié)深度是設(shè)計最大凍結(jié)深度的1.1倍。根據(jù)含水率監(jiān)測曲線，本工點實測基床范圍內(nèi)含水率介于0%～11.1%之間。

環(huán)境溫度是影響土凍脹的重要因素之一[7]，平穩(wěn)波動階段后期的緩慢波動上升階段所對應(yīng)時間段的環(huán)境溫度恰好為一個非常明顯的回暖過程，由于促使路基土產(chǎn)生凍脹的基本條件就是路基土中的含水率[8]，且基床表層級配碎石的凍脹率隨著含水率和細(xì)顆粒含量的增加而增大[9]。因此可以判斷，回暖過程中路基表層融化的雪水下滲，由于基床底層兩布一膜鋪設(shè)不規(guī)范，排水坡度未達(dá)到設(shè)計要求，不能及時將滲水排出導(dǎo)致含水量急劇增大，再次凍結(jié)時凍脹量較初次凍結(jié)時明顯增大。因此，及時對基床表層滲水進(jìn)行疏通是防止路基凍脹的措施之一[10]。

4結(jié)論

通過對某客運(yùn)專線GDK222+581.1～GDK222+681.1工點凍脹變形特征及過程的分析，路基凍脹存在縱向及橫向的隨機(jī)性、不確定性和不均勻性；該工點凍脹變形可分為平穩(wěn)波動階段、快速上升階段、平穩(wěn)小波動階段、快速融沉階段、緩慢融沉階段五個階段。其中，快速上升階段與快速融沉階段是凍脹變形最主要的兩個階段，也是造成路基本體不均勻凍脹后引起軌道幾何形態(tài)指標(biāo)超限，影響旅客乘坐舒適度，極端情況下危機(jī)行車安全的主要階段。

參考文獻(xiàn)

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[2]夏健.寒冷地區(qū)客運(yùn)專線路基凍脹變形觀測方案研究[J].山西建筑，2014(1)

[3]石剛強(qiáng).嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基凍脹變形監(jiān)測分析[J].冰川凍土，2014(4)

[4]張先軍.哈大高速鐵路路基凍脹規(guī)律及影響因素分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(7)

[5]石剛強(qiáng)，張先軍.嚴(yán)寒地區(qū)客運(yùn)專線路基凍脹影響因素及防治技術(shù)[J].鐵道建筑，2011(6)

[6]余雷.哈大客專路基凍脹變形的觀測與分析[J].路基工程,2013(3)

[7]趙潤濤，李季宏，李曙光.客運(yùn)專線路基工程的防凍脹處理措施[J].鐵道勘察，2011(4)

[8]楊洪生，宇德忠，于立澤. 高寒地區(qū)路基土凍脹影響因素研究[J].黑龍江交通科技，2012(2)

中圖分類號：TU433

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)03-0031-03

作者簡介：第一王功博(1987—)，2010年畢業(yè)于西南交通大學(xué)巖土專業(yè)，碩士，助理工程師。

收稿日期：2015-03-03