含鹽砂土區(qū)鐵路路基凍脹分析

潘高峰，吳亞平，劉路，王釭，王軍

（1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.青海省地方鐵路建設(shè)投資有限公司，青海西寧810000；3.中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京100018）

含鹽砂土區(qū)鐵路路基凍脹分析

潘高峰1，吳亞平1，劉路1，王釭2，王軍3

（1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.青海省地方鐵路建設(shè)投資有限公司，青海西寧810000；3.中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京100018）

為了探討新建錫鐵山至北霍布遜地區(qū)鐵路路基的凍脹變形規(guī)律，為高含鹽地區(qū)路基的設(shè)計(jì)和修筑提供參考依據(jù)，開展了高含鹽砂土的室內(nèi)凍脹試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判定該類含鹽砂土屬于強(qiáng)凍脹土。繼而結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用有限元數(shù)值模擬得出了路基為期一年的凍結(jié)深度變化規(guī)律，最后對(duì)凍結(jié)期和非凍結(jié)期的路基頂面豎向位移進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)高含鹽砂土在凍結(jié)過程中的2次相變點(diǎn)溫度分別為-6.8℃和-15.2℃，路基凍結(jié)期為11月至次年3月，凍結(jié)期路基頂面中心抬升21.7 mm。關(guān)鍵詞含鹽砂土；凍脹路基；凍脹試驗(yàn)；數(shù)值模擬

凍土本身由于被冰所膠結(jié)而具有較復(fù)雜的多相體系，影響土體凍脹變形的主要因素為溫度、水分和巖性［1-5］。我國西北寒區(qū)廣泛分布的鹽漬砂土，其液相含鹽溶液，固相含結(jié)晶鹽，使其在凍結(jié)期具有更加復(fù)雜的變形特性。與一般土不同，鹽漬土在低溫環(huán)境下的變形量主要有兩部分組成，一部分是由于土體中的孔隙水凍結(jié)和解凍而發(fā)生體積變化，另一部分則是在溫度的影響下鹽溶液中的鹽分溶解和結(jié)晶而產(chǎn)生的。影響鹽漬土變形的主要因素為含鹽量、含水率和溫度。這使得鹽漬土的液、固相以及孔隙率隨著溫度和應(yīng)力水平的變化而變化，加之極端氣候條件下的反復(fù)凍融循環(huán)，極易對(duì)該類土質(zhì)地區(qū)的基礎(chǔ)產(chǎn)生各種病害問題，對(duì)地區(qū)的發(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)造成巨大的阻礙。

雖然到目前為止，對(duì)于鹽漬土的工程特性已有不少研究，也取得了一些有價(jià)值的成果，但由于地域和土類的差異使得鹽漬土的工程性質(zhì)區(qū)別較大，導(dǎo)致病害問題的隨機(jī)性和不確定性［6-9］，難有可以普遍推廣的研究成果。為此，本文針對(duì)北霍布遜地區(qū)含鹽砂土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)凍脹試驗(yàn)，并利用試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀筚Y料對(duì)路基的變形規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從而探討含鹽砂土區(qū)路基的凍脹規(guī)律，為類似地區(qū)路基的防凍脹措施提供依據(jù)。

1　工程概述

本項(xiàng)目鐵路位于青海省境內(nèi)，所經(jīng)地區(qū)氣候環(huán)境惡劣，高寒干燥。區(qū)域內(nèi)廣泛分布著湖積細(xì)砂，由于含鹽量較高，大多在地表形成鹽殼，地面自然坡度較緩（約1%～5%），地表荒蕪，無植物生長，呈沙漠戈壁景觀，如圖1。地區(qū)年平均氣溫為-1.7℃，最高氣溫為33.0℃，最低為-34.2℃，最大積雪厚度約10 cm。區(qū)域內(nèi)的土體含鹽率普遍很高，較高的地下水位使得大量鹽漬土處于飽和狀態(tài)，土體凍結(jié)時(shí)的溫度由于鹽分的存在而低于0℃，約為-7.5℃，凍深約200 cm。

圖1　鹽漬土地區(qū)地貌

2　室內(nèi)凍脹試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方法

現(xiàn)場取樣后風(fēng)干，按土工試驗(yàn)規(guī)范對(duì)土樣進(jìn)行飽和試驗(yàn)，從而獲得其飽和含水率20.3%。隨后根據(jù)飽和試驗(yàn)結(jié)果確定各組試樣的含水率（5%，10%，15%，20.3%），并按各自含水率對(duì)試樣進(jìn)行配制。在試驗(yàn)過程中，共設(shè)置有4組不同含水率的試樣，其中含水率最大的試樣處于飽和狀態(tài)。試驗(yàn)過程中將它們?cè)?0～-30℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行逐級(jí)降溫凍結(jié)試驗(yàn)，從而測(cè)得不同含水率的土樣在不同溫度下的凍脹率。試驗(yàn)所需儀器設(shè)備有凍脹儀、溫度控制系統(tǒng)、電阻式溫度傳感器、套筒、百分表等。

2.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

將各組試樣在不同溫度下進(jìn)行凍脹試驗(yàn)，分別測(cè)得其凍脹量，計(jì)算整理出各組試樣（含鹽量為25.30%）在特定溫度下的凍脹率，并繪于圖2中。

圖2　不同含水率土樣的凍脹率隨溫度的變化

由圖2可知，雖然各組試樣的含水率不同，但在試驗(yàn)過程中都出現(xiàn)了不同程度的冷縮現(xiàn)象，冷縮量與含水率成正相關(guān)關(guān)系。而且，在-6.8℃時(shí)各組試樣的體積都迅速增大，出現(xiàn)明顯的凍脹現(xiàn)象。隨后凍脹率的增速放緩，因此可以確定-6.8℃即為第1相變點(diǎn)。隨后不難發(fā)現(xiàn)，-15.2℃時(shí)也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，凍脹率增長的速率有大幅度的提升，直至-30℃方才穩(wěn)定。由此可見第2相變點(diǎn)溫度為-15.2℃。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以判定該含鹽砂土為強(qiáng)凍脹土。

3　數(shù)值模擬

3.1凍土三維熱傳導(dǎo)方程

在相同的導(dǎo)熱系數(shù)下，路基融土區(qū)土的三維熱傳導(dǎo)方程［10］為

路基凍土區(qū)土的三維熱傳導(dǎo)方程為

式中：下標(biāo)u，f分別為所處的融、凍狀態(tài)；c，T，λ分別為質(zhì)量熱容、土體溫度和導(dǎo)熱系數(shù)。

為了獲得各土層的質(zhì)量熱容cs和導(dǎo)熱系數(shù)λs，可以采用顯熱容法來構(gòu)造，如式（3）

3.2填土路基模型及各層土的熱物理參數(shù)

模型尺寸：寬120 m，深60 m，縱向40 m。共計(jì)單元42 200個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)47 603個(gè)。表1為路基土相關(guān)的熱物理參數(shù)。

表1　路基土的熱物理參數(shù)

3.3大氣溫度規(guī)律

為了使計(jì)算的相關(guān)參數(shù)更為合理，對(duì)該地區(qū)一年的大氣溫度數(shù)據(jù)通過實(shí)測(cè)獲得，并根據(jù)形態(tài)分布規(guī)律將數(shù)據(jù)擬合成正弦曲線，如圖3。

圖3　當(dāng)?shù)卮髿鉁囟饶曜兓瘮M合曲線

3.4路基土凍結(jié)深度規(guī)律

基于如圖3所示的溫度曲線函數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，從而得到2012年10月到2013年3月期間路基土的凍深與時(shí)間的關(guān)系，如圖4。

圖4　路基土凍深隨時(shí)間的變化曲線

由圖4可以看出，路基土大約在11月初可視為有效起凍時(shí)間，隨后隨著溫度的下降凍深呈線性增加，直到第2年1月中旬凍結(jié)深度達(dá)到最大值，為0.43 m。此后由于環(huán)境溫度回升，凍深不斷減小，最終在3月中旬達(dá)到非凍結(jié)狀態(tài)。提取最大凍結(jié)深度時(shí)路基土中不同深度處的溫度情況繪于圖5。圖5顯示，0～4 m深度范圍內(nèi)的溫度變化較大，且在2～4 m范圍內(nèi)還出現(xiàn)正溫；當(dāng)深度＞4 m后，其溫度趨近并穩(wěn)定在0℃。更值得注意的是，深度為0.43 m時(shí)，溫度約為-7℃，這與室內(nèi)試驗(yàn)所測(cè)值能夠很好地吻合，也驗(yàn)證了該數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

圖5　路基土溫度隨深度的變化曲線

4　路基凍脹變形模擬

借助室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和凍深模擬數(shù)據(jù)對(duì)未凍期和凍結(jié)期的路基豎向位移進(jìn)行對(duì)比模擬分析，為使模擬結(jié)果更為真實(shí)可靠，選取該地區(qū)分布最為廣泛的含鹽砂土作為路基土，其含鹽量為25.3%，含水率為20.3%。

4.1路基凍脹變形模擬

根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB 10002.1—2005）對(duì)路基采用“中-活載”進(jìn)行計(jì)算。路基在單列中-活載作用下，計(jì)算得出未凍結(jié)和凍結(jié)期間路基斷面的豎向位移等值線圖，分別如圖6和圖7所示。

圖6　未凍結(jié)路基斷面豎向位移等值線（單位：mm）

由圖6和圖7可知，路基在單列靜載作用下，路基豎向位移等值曲線圖成扇形分布，由路基頂面向下逐漸擴(kuò)散，頂面中心處位移最大；但凍結(jié)和未凍結(jié)工況下的位移等值線圖有所差異。由圖6可見整個(gè)路基土在荷載作用下均產(chǎn)生了豎向沉降，沉降量從上至下逐漸減?。坏蓤D7可以看到，由于凍脹作用，在路基上部的路基土不僅沒有沉降，反而產(chǎn)生了向上的位移，向上位移最大值主要分布在路基表層，這與文獻(xiàn)［11］的研究結(jié)果類似。

4.2路基頂面豎向位移

圖8和圖9分別為路基在“中-活載”作用下，未凍結(jié)和凍結(jié)情況時(shí)路基頂面的豎向位移曲線。對(duì)比圖8和圖9不難發(fā)現(xiàn)，兩者路基頂面的豎向位移有著巨大的差異。未凍脹情況下，路基頂面的豎向位移均為負(fù)值，即均發(fā)生了沉降，其最大值在路基中心線處，為-12.5 mm；兩側(cè)的沉降約為6.8 mm?；罪柡蜕巴羶鼋Y(jié)情況下：路基頂面整體發(fā)了凍脹變形，最大的凍脹量位于路基兩側(cè)，為13.5 mm，而路基中心線處的凍脹量相對(duì)較小，為9.2 mm?？梢?，經(jīng)過一次凍融循環(huán)后，路基面的位移變形較大，容易產(chǎn)生翻漿開裂等路基病害，應(yīng)對(duì)該類路基采取相應(yīng)的防凍脹措施。

圖7　凍結(jié)期路基斷面豎向位移等值線（單位：mm）

圖8　未凍結(jié)時(shí)路基頂面豎向位移曲線

圖9　凍結(jié)時(shí)路基頂面豎向位移曲線

5　結(jié)論

本文借助現(xiàn)場檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)新建錫鐵山至北霍布遜地區(qū)鐵路路基的凍脹變形規(guī)律進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)：

1）含鹽砂土在凍結(jié)過程中有2次相變，相變點(diǎn)溫度分別為-6.8℃和-15.2℃，凍脹率穩(wěn)定在-25℃。

2）該地區(qū)凍結(jié)期為11月到次年3月，1月中旬凍深達(dá)到最大值。

3）該線路基在凍結(jié)期會(huì)發(fā)生凍脹現(xiàn)象，凍融循環(huán)后，路基面的位移變形較大，在路基中心線處達(dá)到21.7 mm，兩側(cè)路肩達(dá)到20.3 mm，容易產(chǎn)生翻漿開裂等路基病害，建議對(duì)路基采用一定的防凍脹措施。

［1］徐學(xué)祖，工家澄，張立新.凍土物理學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1993.

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Analysis on Frost Heave of Railway Subgrade in Saline Sand Area

PAN Gaofeng1，WU Yaping1，LIU Lu1，WANG Gang2，WANG Jun3
（1.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China；2.Qinghai Local Railway Construction Investment Co.，Ltd.，Xining Qinghai 810000，China；3.China Railway 16th Bureau Group Co.，Ltd.，Beijing 100018，China）

In order to study the deformation law of subgrade frost heave in Xitieshan to North Hobson railway and provide a reference for the subgrade design and construction of the railway in high saline area，the indoor frost heave test of high saline sand was carried out，whether the type of saline sand belongs to the strong frost heave soil was discussed based on the test results.T he variation law of subgrade freezing depth for a period of one year was concluded by combing with the field monitoring data and using the finite element numerical simulation.T he vertical displacements of the subgrade top in freezing and non-freezing period were compared and analyzed.T he results show that the temperatures of two phase transformation points of high saline sand in the freezing process are-6.8℃and -15.2℃respectively，the subgrade freezing period is from November to M arch of the next year，and the uplift of subgrade top center is 21.7 mm in freezing period.

Saline sand；Frost heave subgrade；Frost heave test；Numerical simulation

U213.1+4

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.23

1003-1995（2016）09-0091-04

（責(zé)任審編孟慶伶）

2016-03-23；

2016-06-28

國家科技支撐計(jì)劃（2014BAG05B05）

潘高峰（1990—），男，碩士研究生。