季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路橋過渡段路基變形特征分析

張玉芝，杜彥良，孫寶臣

(1.石家莊鐵道大學 河北省大型結構健康診斷與控制重點實驗室，河北 石家莊　050043；2.北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京　100044)

哈大高速鐵路是我國在高寒季節(jié)性凍土地區(qū)修建的第1條高速鐵路，對路基穩(wěn)定性要求嚴格。

鐵路設計時期，許健等[1-3]運用淺層凍土非穩(wěn)態(tài)相變溫度場的數(shù)學模型，研究了保溫、換填等防凍脹措施可能對路基地溫場和變形場造成的影響。路基修建之初，劉華等[4-5]依據(jù)哈大高速鐵路長春段路基地溫監(jiān)測資料，初步分析了路基斷面不同位置的地溫分布規(guī)律，并建立數(shù)值模型研究了不同路基填料地溫場的分布規(guī)律。牛富俊等[6-7]通過對現(xiàn)場監(jiān)測資料的分析，研究了哈大高速鐵路路涵過渡段路基及其下部地基土的凍結特征和時空變化特征及其對路基熱穩(wěn)定性的影響，并建立溫度場模型分析了不同結構形式的涵洞對路基熱穩(wěn)定性的影響。上述研究成果在一定程度上指導了凍土地區(qū)高速鐵路路基的工程實踐，并初步評價了工程措施的效果。

對于季節(jié)性凍土地區(qū)而言，保證路基的力學穩(wěn)定性是其設計和維護的關鍵，現(xiàn)場大量的實測路基地溫和變形等資料有助于分析路基的穩(wěn)定性狀況，并為養(yǎng)護維修提供參考。凍土地區(qū)鐵路路基的修筑打破了原地層的熱量周轉格局，路基及周邊地區(qū)地溫場需要一段時間才能逐漸穩(wěn)定。張玉芝[8]等依據(jù)3年的地溫實測資料數(shù)值分析了路基不同位置及坡腳、天然位置的地溫分布規(guī)律，并研究了地溫的發(fā)展趨勢及對路基穩(wěn)定性可能造成的影響。哈大高速鐵路運營后首個凍融期(2012—2013年)的路基變形監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，路基普遍存在凍脹，個別區(qū)段出現(xiàn)了近20 mm的凍脹變形，且路基的凍脹變形以基床表層凍脹為主，主要發(fā)生在非凍脹敏感性的A和B組填料及級配碎石中。盛岱超等[9-10]認為列車循環(huán)動荷載引發(fā)的超靜孔壓將水壓向凍結鋒面，使冰層不斷形成，并導致凍脹持續(xù)發(fā)展。石剛強等[11]依據(jù)哈大高速鐵路沿線9 641個凸臺觀測點的監(jiān)測資料得出結論，路基的凍脹程度與采取的填料和斷面的位置存在內(nèi)在聯(lián)系。王春雷等[12]的研究則表明，路基填料質量不佳和防排水措施不到位等是凍脹的主要影響因素。由于缺乏對典型斷面的連續(xù)監(jiān)測分析，對于季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基變形特征及影響因素尚缺乏明確和系統(tǒng)的分析。

哈大高速鐵路沈哈段的路橋過渡段采用了二次過渡形式，過渡段范圍內(nèi)不同斷面處路基的填料組成變化比較大，同時，高速鐵路的運營經(jīng)驗也表明：路橋過渡段路基沉降變形引起的病害是最為普遍的一類路基病害[13]。因此，本文結合哈大高速鐵路德惠特大橋路橋過渡段2012—2014年2個凍融循環(huán)期間的地溫和沉降實測數(shù)據(jù)，研究季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路運營后凍融周期內(nèi)路橋過渡段的凍脹融沉和差異沉降等的發(fā)展變化特征。

1　現(xiàn)場監(jiān)測

1.1　監(jiān)測區(qū)域概況

監(jiān)測區(qū)域為哈大高速鐵路德惠特大橋橋頭的填方過渡段，如圖1所示。圖中，L為過渡段長度；(h1-h2)為橋臺后路堤的高度，a取過渡段內(nèi)正梯形和倒梯形中短邊長度的較大值。

圖1　過渡段結構設置及沉降監(jiān)測測點布設示意圖

該處地下水為第四系孔隙潛水，主要由大氣降水補給。水位埋深較大，一般為13.0～18.5 m。

該路橋過渡段的正梯形部分采用水泥穩(wěn)定級配碎石(摻加3%～5%水泥)，其后設置一段倒梯形的過渡段，填料為A，B組填料，壓實標準同基床底層。過渡段范圍內(nèi)0.4 m厚基床表層的級配碎石摻加3%～5%的水泥。過渡段范圍以外，路基基床表層為0.4 m厚的級配碎石，下設1.0 m防凍層，采用非凍脹性A，B組填料(填料中細粒含量小于15%，且平均凍脹率η≤1%)填筑。在基床表層底面均鋪設1層兩布一膜的復合土工膜隔斷層，土工膜上下各設0.05 m厚的中粗砂墊層。

1.2　監(jiān)測方案

沉降測點布設基本方案為：自橋邊緣處沿線路方向30 m范圍內(nèi)的東路肩表面每5 m布設1個沉降監(jiān)測點，共布置6個測點，基準點固定在橋框架梁上見圖1。

地溫采用文獻[8]和[14]的測點布設方案：軌道鋪設前，在橋后過渡段K1 063+629東路肩處布設測溫孔，在路基表面以下0.8～3.8 m深范圍內(nèi)每間隔0.5 m設1個溫度測點。同時，在沉降測點的監(jiān)測裝置中集成溫度傳感器，測量地表溫度。

沉降變形傳感器選擇文獻[15]中研發(fā)的基于液體壓差的傳感器，能夠實現(xiàn)變形的同步連續(xù)測讀。傳感器在200 mm的有效量程內(nèi)測試精度可達到±0.2 mm。溫度傳感器采用熱敏電阻作為主要元件，測量范圍為-40～60 ℃，在-20～20 ℃范圍內(nèi)測量精度為±0.03 ℃。

路基地溫采集頻率為每5 d采集1次，變形和地表溫度數(shù)據(jù)采集頻率設定為每6 h采集1次。

2　過渡段沉降變形分析

以0 ℃作為凍結溫度，依據(jù)地表溫度和路基地溫實測值通過線性插值得到凍深實測值。2個凍融循環(huán)期間凍深和變形的時程曲線如圖2和圖3所示，2個凍融循環(huán)期間凍脹穩(wěn)定期的最大凍脹變形量如圖4所示。

由圖2—圖4可知，2個凍融循環(huán)期間凍脹變形均呈階段性的增長，最大凍脹量差異很小，且各測點凍脹變形最大值的大小次序基本相同。由凍脹基本穩(wěn)定時對應的凍深可知，凍脹量基本發(fā)生在凍深0～1.2 m范圍內(nèi)。因此，2013年冬季的凍深雖然減小(從2.47 m降至2.25 m)，但凍脹量并未顯著降低。季節(jié)性凍結層融化后，融沉壓縮變形逐漸穩(wěn)定，基本上回復到凍融之前的狀態(tài)。

各測點變形均可分為凍脹和融沉壓縮2個階段，本文以變形量較為明顯的2012—2013年期間路橋過渡段的變形為基礎，基于文獻[16]中的凍深—表面凍脹量對比法，研究凍脹變形隨凍深的發(fā)展變化。而后比較路基不同結構層的凍脹量對總凍脹量貢獻，并進一步分析過渡段的融沉壓縮及差異沉降的變化。

圖2　2012—2013年各測點變形和凍深時程曲線

圖3　2013—2014年各測點變形和凍深時程曲線

圖4　凍融循環(huán)期間凍脹變形穩(wěn)定期路基各測點的最大變形

2.1　凍脹變形階段

各階段凍脹變化量和平均凍脹速率見表1。

由表1可見： 凍深在0～0.40 m時，監(jiān)測區(qū)域的凍脹量為0.2～2.0 mm，其中K1 063+614—K1 063+624區(qū)域內(nèi)凍脹量增長較快，平均凍脹速率為0.12～0.17 mm·d-1； 隨著凍深的增大，凍深在0.40～1.24 m時凍脹量持續(xù)增長，凍深為1.24 m時凍脹量達到2.8～8.3 mm，其中，凍深分別在0.40～0.66 m及0.97～1.24 m范圍內(nèi)時，各測點的凍脹較為明顯，平均凍脹速率為0.08～0.44 mm·d-1，而凍深在0.66～0.97 m內(nèi)時，凍脹處于相對平穩(wěn)時期；凍深繼續(xù)發(fā)展，K1 063+614—624區(qū)域內(nèi)的凍脹量繼續(xù)緩慢上升，而其余區(qū)域基本沒有增長；凍深超過1.24 m后，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)凍脹量基本保持穩(wěn)定，平均凍脹速率為0～0.01 mm·d-1。在凍脹穩(wěn)定期監(jiān)測區(qū)域的凍脹量在2.7～8.0 mm之間。

2.2　各結構層凍脹量貢獻

按路基的結構層劃分，各結構層凍脹量占總凍脹量的比例如圖5所示。測點K1 063+604和K1 063+624處的凍脹量最大，達到8.0 mm左右，靠近橋梁的K1 063+629處的凍脹量最小，僅為2.8 mm左右，其余測點的最大凍脹量基本在5.0～6.0 mm之間。結合圖2、表1及圖5分析可知，凍脹量占總凍脹量的比例較大的位置為路基以下0～0.66 m以及0.97～1.24 m深范圍。

表1　凍結期間不同階段凍脹變化量、平均凍脹速率及凍脹量占總凍脹量的比例統(tǒng)計表

圖5　路橋過渡段不同結構層凍脹量占總凍脹量比例

結合以上分析可得如下初步判斷結果。

(1) 基床表層范圍內(nèi)的級配碎石及粗砂墊層(路基以下0.5 m深范圍內(nèi))凍脹量占路基總凍脹量的平均比例為37.77%，其中，K1 063+614—624基床表層范圍內(nèi)級配碎石的凍脹量所占比例較大，接近60%。由于隔斷層中土工膜的存在，級配碎石內(nèi)的水分不能向下遷移。因此認為，此部分凍脹是由于軌道結構封堵不嚴及排水不暢導致水分積聚而引起的原位凍脹。

(2) 基床0.50～0.66 m及0.97～1.24 m范圍內(nèi)A和B組填料防凍層的凍脹量占總凍脹量的平均比例分別為14.65%和37.03%。由于土工膜的存在以及季節(jié)性凍土地區(qū)路基下部較高的土體地溫，在溫度勢作用下水分向上遷移到防凍層上部后滯留，導致含水率持續(xù)增加，故凍脹較為明顯。隨著冷端溫度快速下降，凍結鋒面向下發(fā)展(路基表面以下0.66～0.97 m)時，遷移至凍結鋒面的水分逐漸減少，含水率增加較少，故凍脹量較小。隨著凍深繼續(xù)發(fā)展至0.97～1.24 m處A，B組填料，由于溫度梯度有利于分凝凍脹的形成，其凍脹量比較大。而1.5 m以下的土體，由于水分已發(fā)生了向上遷移，導致地下水水位較低，超過了毛細水的上升高度，加之季節(jié)性凍土地區(qū)單向凍結造成路基土體越往下地溫越高，凍結越不充分等原因，導致含水率較低，故凍脹量小。

(3) 由K1 063+629處基床表層以下填料的凍脹量來看，級配碎石摻加水泥可減少路基的凍脹。K1 063+614—624區(qū)域內(nèi)的基床表層級配碎石摻加水泥后的凍脹量雖占總凍脹量的比例相對較大，但其凍脹率為0.05%～0.5%，仍然是比較低的。

2.3　路橋過渡段融沉壓縮和差異沉降

對比圖2及圖3可知，路基雙向融化導致凍結區(qū)域內(nèi)土體在1個月左右的時間內(nèi)快速融化，融化過程中季節(jié)凍結層出現(xiàn)凍土核現(xiàn)象。且由于路肩位置融化較晚，凍土核現(xiàn)象更為明顯[8]，導致劇烈相變過程中融化的水分不能及時下滲，也不能由兩側路肩順暢排除，加之列車動荷載的作用，監(jiān)測區(qū)域出現(xiàn)了比較明顯的融沉壓縮變形。并且，在凍脹較大的區(qū)域，路基聚冰多且多位于路基本體上部，融化期水分多，有可能伴隨路基基床強度的下降[14]，在列車荷載的作用下融沉壓縮變形較大。路基土體全部融化后，融沉壓縮變形也逐漸趨于穩(wěn)定。

按照高速鐵路設計規(guī)范(TB 10621—2009)[17]規(guī)定，當設計時速為250～350 km時，路橋過渡段軌面彎折角限值為θ≤1.0×10-3rad。

路橋過渡段軌面彎折角θ=H/L，其中H為工后沉降差。2012—2013年凍融循環(huán)期間，路橋過渡段路肩處由差異沉降引起的彎折角列于表2?？梢?，靠近橋梁位置的K1 063+624—629區(qū)域差異沉降引起的彎折角在12月20日達到1.06×10-3rad，但之后基本上沒有變化。在融化期間，差異沉降逐漸消失，彎折角迅速減小。差異沉降引起的彎折角基本滿足規(guī)范的相關要求。

表2　不均勻變形引起的彎折角統(tǒng)計表

顯然，控制沿線的凍脹變形是避免路橋過渡段產(chǎn)生較大差異沉降的關鍵。

2.4　討論

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，路基防排水措施的效果會降低，導致雨雪水的入滲和積聚；土體的物理力學性質也會逐步劣化，加之路橋過渡段土體性質不均勻以及土體中的水分發(fā)生遷移和重分布等，都可能導致凍脹變形和不均勻變形的增大。并且，由于路肩覆蓋層較線路中心薄，又毗鄰邊坡，有利于散熱，導致其處地溫較低，從而在橫斷面上引發(fā)差異變形。

綜上所述，在氣候環(huán)境影響下，哈大高速鐵路路基的地溫場及采用的土工膜、粗顆粒填料、防排水設施等工程措施均不同程度地影響了路基內(nèi)水分的遷移和重分布，從而形成了路基凍融變形發(fā)展的特征。因此，應提前采取措施防止路基的凍脹和融沉壓縮變形引起的病害：一方面，繼續(xù)跟蹤監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)路基病害，加強線間積水和地下水的整治，重視路基封堵排防水設施的維護；另一方面，必須結合現(xiàn)場實際工程環(huán)境等，繼續(xù)開展改善路基填料、保溫等防凍脹技術措施的研究。

3　結　論

(1)凍脹變形主要發(fā)生在凍深0～1.2 m左右的范圍內(nèi)，凍結期間變形隨凍深的增加呈現(xiàn)階段性增長的特征?；脖韺蛹壟渌槭膬雒浟考s占路基總凍脹量的40%。

(2)路基的融沉壓縮變形約在1個月內(nèi)完成，趨于穩(wěn)定后變形基本上恢復到凍融之前的狀態(tài)。在凍脹變形較大的區(qū)域，融沉壓縮變形相對較大，持續(xù)時間更長。凍融期間，差異沉降引起的彎折角基本滿足規(guī)范≤1.0×10-3rad的要求。

(3)在氣候環(huán)境影響下，路基采取的各項工程措施及形成的路基地溫場等引起了水分的遷移和重分布，進而影響路基土體凍融變形的特征。

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