哈大客專路基凍脹變形特征及防治措施

趙富軍

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142）

哈大客專路基凍脹變形特征及防治措施

趙富軍

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142）

以哈大客運(yùn)專線的無(wú)砟軌道路基工程為依托，通過(guò)路基凍脹變形觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)勘察、試驗(yàn)等，從凍脹機(jī)理和控制因素角度對(duì)凍脹變形特征進(jìn)行分析。總結(jié)了季節(jié)性凍土區(qū)無(wú)砟軌道路基設(shè)計(jì)和施工的經(jīng)驗(yàn)。實(shí)踐表明：路基基床表層的級(jí)配碎石層應(yīng)添加水泥進(jìn)行改良，深大路塹段應(yīng)設(shè)置滲水盲溝，并適當(dāng)加深凍結(jié)深度。

客運(yùn)專線；無(wú)砟軌道；路基；季節(jié)性凍土；凍脹變形；病害整治

1　工程概況

我國(guó)季節(jié)性凍土分布范圍約占國(guó)土面積的53.5%［1］，在東北地區(qū)，由于季節(jié)性凍土的凍脹和融沉特性，給鐵路和公路的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了嚴(yán)重危害。2004年哈爾濱鐵路局范圍內(nèi)超過(guò)15 mm的凍脹變形有16 123處累計(jì)334 454 m，其中變形達(dá)到50 mm以上的有121處累計(jì)4 323 m，最大變形可達(dá)600 mm［2］。

哈大客運(yùn)專線是我國(guó)在高寒季節(jié)性凍土區(qū)自行設(shè)計(jì)建造的第1條時(shí)速350 km高速鐵路，考慮到無(wú)砟軌道對(duì)路基變形的特殊要求，設(shè)計(jì)采取了一系列防凍脹措施。但2011年冬季的變形觀測(cè)和鐵路軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)資料表明，部分路基仍然存在較嚴(yán)重的凍脹變形。經(jīng)過(guò)對(duì)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，綜合沈大段的現(xiàn)場(chǎng)勘探、試驗(yàn)資料，從路基凍脹機(jī)理和主要控制因素方面分析了凍脹變形特征，針對(duì)設(shè)計(jì)施工中存在的不足，提出了合理的整治措施。本文對(duì)此進(jìn)行分析總結(jié)，為類似地區(qū)的路基防凍脹設(shè)計(jì)和病害整治提供參考。

哈大客運(yùn)專線全線無(wú)砟軌道路基長(zhǎng)181.97 km，其中沈大段82.47 km（路堤地段44.73 km，路塹地段37.74 km）。沿線主要?dú)庀笠厝缦拢孩倌昶骄鶜鉁?.9～10.6℃，最冷月平均氣溫-11.3～-4.9℃；②極端最高氣溫35.0～36.7℃，極端最低氣溫-33.1～-21.1℃；③年平均降水量591.5～674.7 mm，土壤最大凍結(jié)深度0.93～1.48 m。

2　路基防凍脹設(shè)計(jì)原則

在調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)規(guī)定和科研成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)采用了防凍填料和防水相結(jié)合的防凍脹原則［3］。

首先，設(shè)置了防止地表水下滲的纖維混凝土防水層，軌道間、軌道板底座外采用現(xiàn)澆6～10 cm厚的C25纖維混凝土防水層；對(duì)各種接縫、伸縮縫采用熱瀝青澆注灌縫等措施處理。

其次，通過(guò)控制細(xì)顆粒含量提高基床表層填料防凍性能，表層級(jí)配碎石滿足粒徑d≤0.075 mm顆粒的含量不大于5.0%、壓實(shí)后不大于7.0%的要求。

此外，基床底層填筑層頂面增設(shè)了一層兩布一膜土工布，防止基床表層積水下滲。最大凍結(jié)深度范圍內(nèi)基床底層填筑層填料采用粒徑d≤0.075 mm顆粒的含量不大于15%的A，B組填料。如圖1所示。

圖1　路堤標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：m）

路基排水系統(tǒng)，根據(jù)不同情況設(shè)置了排水溝、排水側(cè)溝、滲管或滲水暗溝，并做好各排水系統(tǒng)的銜接。路橋、路涵過(guò)渡段分層填筑級(jí)配碎石（摻入5%P.O32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥）。

3　路基凍脹變形特征

1）2012年初的軌道觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，哈大客專無(wú)砟軌道路基發(fā)生凍脹變形的比例為76.0%，＞5 mm的比例為19.81%，＞10 mm的比例為3.12%［2］。哈大客專路基凍脹變形是普遍的，設(shè)計(jì)采用的防凍措施效果也很明顯，與既有鐵路的凍害相比，哈大客專路基凍脹變形處于一個(gè)小變形的范圍。根據(jù)運(yùn)營(yíng)部門要求，超過(guò)10 mm的凍脹變形影響行車安全和舒適度，是不能允許的，必須整治。

2）路塹地段發(fā)生凍脹變形的比例多于路堤，但隨著凍脹變形量的增加，沈陽(yáng)以北地區(qū)路塹地段發(fā)生凍害的概率明顯增加［2］（見(jiàn)表1），沈大段路塹發(fā)生凍害的概率變化不大。

表1　哈大客專全線路堤與路塹凍脹變形比較

3）過(guò)渡段發(fā)生凍脹變形量小于路堤，特別是變形＞10 mm的概率明顯低于一般路基地段。

4）沈大段的路塹換填與凍脹變形統(tǒng)計(jì)表明，換填厚度越大，發(fā)生隆起變形比例越高（見(jiàn)表2），說(shuō)明換填后路基的抗凍性能弱于強(qiáng)～弱風(fēng)化硬質(zhì)巖。設(shè)置滲溝地段的凍脹變形量則明顯減小。

表2　沈大段路塹換填與凍脹變形統(tǒng)計(jì)

4　路基凍脹機(jī)理和變形控制因素分析

4.1路基凍脹機(jī)理［4］

路基凍脹主要是由于土層在凍結(jié)時(shí)，周圍未凍區(qū)土中的水分向凍結(jié)區(qū)遷移、聚集所致。由于負(fù)溫作用，路基表層開(kāi)始凍結(jié)時(shí)，水分由下層向凍結(jié)鋒面聚集，形成冰晶體、冰夾層。隨著路基下部土體中水分向路基上部聚集，在路基面下部形成較厚的聚冰層，排擠土顆粒引起土體積增大，致使路基土產(chǎn)生凍脹。

4.2凍脹變形控制因素

影響路基凍脹的主要因素有適宜的土質(zhì)、足夠的負(fù)溫總量和土中水源補(bǔ)給。適宜的土質(zhì)是內(nèi)因，負(fù)溫和水分是外因，當(dāng)3個(gè)條件都具備時(shí)，路基就不可避免地發(fā)生凍脹。

土的粒徑和級(jí)配對(duì)土體的凍脹性影響十分顯著，當(dāng)顆粒粒徑由大變小時(shí)，其比表面積由小變大，與水的作用和土在凍結(jié)過(guò)程中水分遷移的能力也隨著加大。一般認(rèn)為，土中細(xì)顆粒（d≤0.075 mm）的含量越大，土的凍脹性越強(qiáng)。

土中的水分是引起土體凍脹的必要條件。土體中存有的水分并非都會(huì)凍脹，只有當(dāng)土體孔隙中全部擠滿冰晶，并使土粒發(fā)生位移，即土體含水率達(dá)到起始凍脹含水率時(shí)，土體才會(huì)凍脹。影響路基凍脹量的另一種水分是地下水，地下水位距凍結(jié)進(jìn)程線的距離直接關(guān)系到凍脹值的大小。當(dāng)?shù)叵滤癫剌^淺時(shí)，水分通過(guò)毛細(xì)管作用，直接補(bǔ)充凍結(jié)層水分，就會(huì)增加土的凍脹量。

土的凍結(jié)受環(huán)境溫度的影響。土的凍結(jié)過(guò)程實(shí)際上是土中凍結(jié)溫度下降的過(guò)程，土的凍脹決定于土的起始凍結(jié)溫度、土體凍脹溫度和土的凍結(jié)速率。當(dāng)土體的凍脹溫度低于起始凍結(jié)溫度時(shí)，隨著溫度的繼續(xù)下降，土中水分不斷凍結(jié)，含冰量增加，土體的凍脹劇烈增長(zhǎng)。當(dāng)溫度下降到某一值后，土體的凍脹開(kāi)始變緩，直至凍脹終止。在相同的含水率下，當(dāng)凍結(jié)負(fù)溫總量較大、凍結(jié)速率緩慢時(shí)，土中水分有較充分的時(shí)間遷移，凍脹量也就大。

5　設(shè)計(jì)和施工的幾個(gè)問(wèn)題

5.1路基基床填料標(biāo)準(zhǔn)

路基基床表層填筑0.55 m厚的級(jí)配碎石，要求粒徑d≤0.075 mm的顆粒含量≤5.0%，壓實(shí)后粒徑d≤0.075 mm的顆粒含量≤7.0%；其下2.1 m為A，B組土，且最大凍結(jié)深度范圍采用粒徑d≤0.075 mm顆粒含量≤15%的非凍脹填料。

根據(jù)當(dāng)時(shí)的規(guī)范和研究成果，這種填料組合已經(jīng)考慮了季節(jié)性凍脹的要求，但后期中國(guó)鐵道科學(xué)研究院的研究發(fā)現(xiàn)［5］：當(dāng)粗粒土中＜0.05mm（或0.074 mm）的細(xì)粒成分含量≤3%，土的凍脹率η在0.2左右；當(dāng)細(xì)粒含量＞3%，η迅速達(dá)到0.8～1.0；當(dāng)細(xì)粒含量＞15%之后，隨著細(xì)粒含量的增加，土體凍脹敏感性顯著增大，見(jiàn)圖2。

細(xì)粒含量≤7.0%的標(biāo)準(zhǔn)值得進(jìn)一步研究，考慮到細(xì)顆粒含量＜3%的標(biāo)準(zhǔn)施工難以實(shí)施，借鑒本工程過(guò)渡段的經(jīng)驗(yàn)及吉琿客專的試驗(yàn)成果［6］，基床表層級(jí)配碎石宜部分（上部0.3 m）或全部填筑摻入5%水泥的級(jí)配碎石，級(jí)配碎石底部不再鋪設(shè)兩布一膜不透水土工布，其防凍脹效果有明顯的改善。

現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)：101個(gè)級(jí)配碎石樣品，細(xì)顆粒含量＞7.0%的56個(gè)；76個(gè)非凍脹A，B組填料樣品，細(xì)顆粒含量＞15.0%的30個(gè)。部分填料細(xì)顆粒含量超標(biāo)，也加大了哈大客專的路基凍脹變形。

圖2　凍脹率與粗粒土細(xì)粒含量的關(guān)系

5.2基床表層的防排水

水分是引起土體凍脹的重要條件，哈大客專設(shè)計(jì)也采取了一系列基床表層防排水措施。雖然這些措施基本解決了基床表層的防排水問(wèn)題，但有些地方仍需要完善。首先路基表面存在各種結(jié)構(gòu)縫，如混凝土底座板間的沉降縫、纖維混凝土間的伸縮縫等，采用瀝青封堵容易失效，使地表水下滲；其次，路肩的電纜槽與路基本體之間的間隙及電纜槽各預(yù)制節(jié)間的接縫，也是地表水下滲的途徑。此外，施工不當(dāng)和惡劣的環(huán)境使纖維混凝土出現(xiàn)裂紋、地表排水坡不順暢等也增加了地表水下滲。

下滲的水分匯集到基床表層底部的兩布一膜處，沿路堤橫向排出。但在初冬季節(jié)，路肩往往先于路基本體凍結(jié)，致使路基排水不暢，形成級(jí)配碎石層富水或飽水（現(xiàn)場(chǎng)挖探也驗(yàn)證了這點(diǎn)），加大了基床表層的凍脹變形。

5.3路塹的防排水設(shè)計(jì)

哈大客專沈大段的路塹采用路堤式路塹型式，如圖3所示。

圖3　代表性路塹橫斷面（單位：m）

基床的換填方式依據(jù)路塹基底的巖性及風(fēng)化程度確定。分別為：①基床不換填；②僅基床表層換填0.55 m厚的級(jí)配碎石；③基床表層換填0.55 m厚的級(jí)配碎石，以下1.3 m或2.1 m換填A(yù)，B組土。當(dāng)基床底層換填時(shí)，凍深影響范圍內(nèi)填筑非凍脹土，于中粗砂底部鋪設(shè)兩布一膜不透水土工布。換填層底部鋪設(shè)復(fù)合排水網(wǎng)，底部?jī)蓚?cè)設(shè)滲水盲管。

如果地下水位較高，于兩側(cè)側(cè)溝平臺(tái)下設(shè)置滲溝。

路塹型式和換填方式顯示，對(duì)于基床底層也換填的路塹，其基床表層的設(shè)計(jì)與路堤完全一致，影響凍脹變形的控制因素也相同。

當(dāng)路塹不設(shè)滲水盲溝時(shí)，基床底層土體與路塹邊坡在側(cè)溝下方相連通，路塹頂部及邊坡的地表水下滲，通過(guò)側(cè)溝底部下方滲入基床底層，會(huì)導(dǎo)致部分基床底層土體的含水率增加。由于路塹的開(kāi)挖改變了原來(lái)的地形條件，路塹兩側(cè)的地表水及下滲水都更易向凍結(jié)范圍匯集，所以這個(gè)因素不能忽視。2012年整治路基凍害開(kāi)挖滲水盲溝時(shí)，也發(fā)現(xiàn)基床本體內(nèi)有大量積水向外流淌。如果這些水分直接或通過(guò)毛細(xì)作用上升到凍結(jié)范圍之內(nèi)，必然增大路基凍脹變形量。

路堤填方較高時(shí)，外來(lái)水分不會(huì)影響到凍結(jié)范圍線以上的土體，基床底層的凍脹量取決于土體填筑時(shí)的含水率，這也是路塹凍脹變形比路堤嚴(yán)重的主要原因。

設(shè)置了滲水盲溝的地段，滲溝能有效阻斷路塹邊坡地表滲水和地下水對(duì)路基基床底層的補(bǔ)給，所以這些地段的路基凍脹變形明顯減小。

大連地區(qū)硬質(zhì)巖分度較廣，對(duì)于基底巖層較好的地段，基床不換填或僅換填基床表層。觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示這些段落的凍脹變形相對(duì)較小，反映出強(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)化硬質(zhì)巖的抗凍張能力，總體要好于填筑的級(jí)配碎石和非凍脹A，B組土。基巖的凍脹與節(jié)理裂隙的發(fā)育程度、水分補(bǔ)給、基巖頂面的排水順暢程度等有關(guān)。

5.4凍結(jié)深度對(duì)路基凍脹的影響

哈大客專沈大段采用氣象部門提供的累年土壤最大凍結(jié)深度值設(shè)計(jì)，這個(gè)深度值滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2002）標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度Z0的要求［7］，也滿足《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 118—2011）設(shè)計(jì)凍結(jié)深度（凍深影響系數(shù)按照最不利考慮）的要求［8］。

鐵路是一種長(zhǎng)大的線性工程，跨越區(qū)域較廣，受地形地貌、土質(zhì)、填料性質(zhì)、線路走向、路基結(jié)構(gòu)形式、地下水等影響，必然會(huì)與氣象部門的觀測(cè)數(shù)值有所差異。哈大客專沈大段的挖探發(fā)現(xiàn)，大連地區(qū)路基的實(shí)際凍深為1.0～1.3 m，是設(shè)計(jì)值0.93 m的1.08～1.4倍，普遍大于天然地基的凍結(jié)深度，且路肩的凍結(jié)深度大于線路中心。

哈齊客專關(guān)于路基凍結(jié)深度試驗(yàn)研究的成果顯示［9］：粗顆粒填料路堤的凍結(jié)深度明顯大于天然地基。青藏鐵路、公路的科研資料也顯示：原狀土換填為A，B組填料后，凍結(jié)深度也會(huì)增加。

凍結(jié)深度遠(yuǎn)大于基床表層厚度時(shí)，設(shè)計(jì)凍結(jié)深度的取值，對(duì)路堤基床表層的凍脹變形沒(méi)有影響。路堤基床底層頂面鋪設(shè)了兩布一膜土工布，地表的水分被隔斷，路堤基床底層土體基本沒(méi)有水分補(bǔ)給來(lái)源，填料的含水量取決于填筑時(shí)的情況，凍結(jié)深度的變化對(duì)其影響不大。吉琿客專的觀測(cè)資料顯示［6］，路堤的凍脹變形與凍結(jié)深度沒(méi)有明顯關(guān)系。路塹基床有豐富的外來(lái)水分補(bǔ)給，隨著凍結(jié)深度的加深，凍脹變形量則會(huì)明顯加大。

如果凍結(jié)深度考慮不足，路塹滲水盲溝的排水作用也會(huì)受到影響，甚至失效。

6　凍害整治措施

在分析凍脹變形控制因素的同時(shí)，考慮了哈大客專的實(shí)際情況和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，制訂了“以治水為主、疏堵相結(jié)合”的辦法，輔以局部保溫的措施。

6.1封堵路基面的各種縫隙

路基表面存在的各種結(jié)構(gòu)縫，采用混凝土接縫密封膠替代原設(shè)計(jì)的瀝青軟膏進(jìn)行封堵處理?；炷两涌p密封膠主要成分為聚氨酯，具有良好的彈性、粘結(jié)性、耐久性和伸長(zhǎng)率，可以有效防止地表水下滲。

6.2疏排基床表層積水

對(duì)凍脹變形大、基床表層排水不暢的地段，從路肩側(cè)面縱向每隔5 m開(kāi)鑿直徑50 mm的橫向排水孔至土工布上方，疏排基床表層積水，排水孔采用透水土工布包裹碎石填塞。

6.3設(shè)置滲水盲溝

在分析路基凍脹規(guī)律、現(xiàn)場(chǎng)勘察研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況在路塹段兩側(cè)或單側(cè)原有水溝下設(shè)置滲水盲溝。滲水盲溝的埋深必須滿足1.3倍最大凍結(jié)深度+0.5 m的要求，滲水盲溝底面高程應(yīng)低于基床底層高程，保證基床底層的積水順利排出，同時(shí)有效降低地下水位或截?cái)鄩q坡側(cè)向水分的補(bǔ)給。

6.4輔助保溫措施

在滲水盲溝的頂部、原有水溝的底部鋪設(shè)保溫板，可以減少排水溝對(duì)凍結(jié)深度的影響，保證滲水盲溝在冬季不被凍結(jié)，最大程度發(fā)揮其截排水功能。

通過(guò)整治，路基的防凍脹效果明顯改善，運(yùn)營(yíng)實(shí)踐證實(shí)［10］，冬季全線凍害總計(jì)出現(xiàn)249處，路基最大凍脹變形＜10 mm，未出現(xiàn)Ⅲ級(jí)及以上超限處所，線路優(yōu)良率達(dá)到100%。

7　結(jié)語(yǔ)

哈大客運(yùn)專線路基凍脹變形具有普遍性，設(shè)計(jì)采用的防凍脹措施基本有效，凍脹變形量得到了很好的控制。總體上看，路塹地段凍脹發(fā)生的概率大于路堤，過(guò)渡段的凍脹變形量明顯小于路堤。隨著凍脹變形量的增加，沈陽(yáng)以北地區(qū)路塹地段發(fā)生凍害的概率明顯增加，沈大段路塹發(fā)生凍害的概率變化不明顯，換填后路基的抗凍性能弱于強(qiáng)～弱風(fēng)化硬質(zhì)巖。

通過(guò)分析，填料的細(xì)顆粒含量和環(huán)境對(duì)路基本體水分的補(bǔ)給是哈大客專路基凍脹變形的2個(gè)最主要控制因素。路基基床表層部分或全部采用添加5%水泥的級(jí)配碎石填筑，可以提高其防凍性能。在路塹地段，凍結(jié)深度設(shè)計(jì)值的選用，對(duì)凍脹變形量有較大的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況適當(dāng)加大取值；地下水位較高或挖方較大的路塹均應(yīng)設(shè)置滲水盲溝。哈大客運(yùn)專線凍脹整治采用“以治水為主、疏堵相結(jié)合”的對(duì)策是行之有效的，能為類似工程治理凍脹提供借鑒。

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［8］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 118—2011凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［9］張聰穎.季節(jié)性凍土地區(qū)路基凍結(jié)深度試驗(yàn)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014（11）：32-35.

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Analysis on Frost Heaving Deformation Features of Passenger Dedicated Railway Subgrade and Its Prevention and Treatment Measures

ZHAO Fujun
（The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China）

Based on the observation data statistics，field investigation and experiment on ballastless track subgrade engineering of Harbin-Dalian passenger dedicated railway，the frost heaving characteristics were analyzed from the points of frost heaving mechanism and controlling factors.T he design and construction experience of ballastless track subgrade in seasonal permafrost region were summarized.T he results showed that graded broken stone should be modified with cement in surface layer of subgrade bed，blind drainage system should be set in deep cutting sections，the value of frozen depth should be properly increased.T he research results provide reference for frost heaving prevention and treatment in seasonal permafrost region.

Passengerdedicatedrailway；Ballastlesstrack；Subgrade；Seasonalpermafrost；Frostheaving deformation；Hazard treatment

U238；U216.41+7

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.22

1003-1995（2016）09-0086-05

（責(zé)任審編趙其文）

2016-03-30；

2016-07-05

趙富軍（1966—），男，高級(jí)工程師。