季節(jié)性凍土區(qū)鐵路路基凍脹變形特性研究

曹太平

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300142)

近年來，伴隨著我國高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，列車對線路平順度、安全性的要求顯著提高，而鐵路路基的穩(wěn)定性和變形控制是高速鐵路路基設(shè)計和施工的關(guān)鍵[1]。我國東北、華北、西北等地區(qū)廣泛分布有季節(jié)性凍土，在這些地區(qū)修建高速鐵路，應(yīng)著重考慮路基凍脹變形。對季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基凍脹變形影響因素、規(guī)律及防治措施等問題的研究已取得了很大的進展，如石剛強等通過工程實例觀測，分析影響嚴寒地區(qū)鐵路客運專線路基凍脹的主要因素，并從地基防凍脹處理、路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計、路基排水三個方面提出了具體的防治技術(shù)[2-3]。趙潤濤等結(jié)合哈大客運專線沈大段路基工程設(shè)計情況，對季節(jié)性凍土區(qū)客運專線路基工程防凍脹處理措施進行了說明[4]。趙曉萌采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的凍脹監(jiān)測系統(tǒng)及水準測量方法對牡綏鐵路路基進行凍脹監(jiān)測，研究其路基凍脹規(guī)律[5]。

沈丹客專起自沈陽南站，經(jīng)本溪、南芬、通遠堡、鳳凰城，止于丹東市，正線全長205.704 km，其中，路基段長39.928 km，設(shè)計時速250 km。沿線屬于濕潤-半濕潤大陸性氣候，冬季漫長寒冷，夏季短促溫暖，降雨主要集中在7～8月，春秋多風(fēng)。按鐵路工程分區(qū)為寒冷地區(qū)，沿線極端最低氣溫-33.6℃，最冷月平均氣溫-11.4℃，年平均降水量925.6 mm，土壤最大凍結(jié)深度104～149 cm。

為了減小路基的凍脹變形，在設(shè)計和施工中采用換填路基材料、改善基床結(jié)構(gòu)、設(shè)置防凍脹層、加強地表水與地下水排泄等防凍脹措施。通過建設(shè)期(2012～2015年)三個完整凍融周期的凍脹變形監(jiān)測工作，研究路基凍脹變形發(fā)生、發(fā)展和變化規(guī)律，驗證防凍脹措施效果，為其他季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路的設(shè)計和施工提供參考。

1 路基防凍脹設(shè)計

引起路基發(fā)生凍脹的主要影響因素為具凍脹敏感性的土、負溫和水。在路基防凍脹設(shè)計和施工中，應(yīng)針對這些影響因素采取防凍脹措施，減小路基凍脹變形[6-7]。

1.1 路基基床填料設(shè)計

基床表層采用級配碎石摻5%水泥填筑，厚0.4 m，水泥為P.042.5級普通硅酸鹽水泥，碎石填料顆粒粒徑d≤0.075 mm。基床底層為A、B組填料，填料細顆粒含量小于5%(最大凍結(jié)深度范圍)，壓實后小于7%；壓實后滲透系數(shù)不小于5×10-5m/s[8-9]。

1.2 基床換填

(1)短路基段落

短路基(≤60 m)及設(shè)置滲溝困難地段采用混凝土基床(C35混凝土澆筑)，厚度不小于土壤最大凍結(jié)深度+0.25 m，基床兩側(cè)填筑A、B組土。

(2)硬質(zhì)巖路塹

硬質(zhì)巖基床地段路基面以下設(shè)置0.2 m厚的C35素混凝土封層(用高壓水沖洗原地層后進行混凝土澆筑，配置φ12@200面筋)。

(3)非硬質(zhì)巖路塹

對于非硬質(zhì)巖地段，基床表層底面至最大凍深范圍內(nèi)換填非凍脹A、B組土。

1.3 排水設(shè)計

基床表層排水:軌道底座間及兩側(cè)路肩范圍設(shè)置8 cm厚C30纖維混凝土封水層。對于排水困難地段(如疏導(dǎo)條件差或地下水位高的路塹地段)，可在單側(cè)或兩側(cè)設(shè)置滲水盲溝。

1.4 防凍脹層施工及檢測

為保證路基防凍脹性能，應(yīng)加強路基防凍脹層的設(shè)計、施工、檢測工作。防凍脹層填料細顆粒含量、滲透系數(shù)必須滿足規(guī)范要求。填筑前選擇代表性地段做壓實實驗，確定工藝參數(shù)。防凍脹層應(yīng)嚴格按照代表性實驗確定的工藝參數(shù)進行施工及檢測。

2 凍脹變形監(jiān)測方案及實施[10-12]

2.1 水準觀測斷面間距布設(shè)原則

采用幾何水準測量方式，對選取段落進行路基面凍脹變形觀測。觀測斷面間距一般為50 m，沿線路方向布置，路基連續(xù)段落較長且填筑條件較好的地段可放寬至100 m，在路橋、路涵、路隧過渡段及咽喉區(qū)等特殊地段進行加密設(shè)置。

2.2 水準觀測點位置

根據(jù)路基填筑情況，每個監(jiān)測斷面布設(shè)3個監(jiān)測點，分別位于路基線路中心及底座板邊緣附近，如圖1所示。

圖1 水準測量觀測斷面監(jiān)測點布設(shè)

在軌道底座板上，每個觀測斷面布設(shè)4個凍脹觀測點，分別位于軌道底座板左右肩上，從左至右分別為1號測點，2號測點，3號測點，4號測點，如圖2所示。

圖2 底座板凍脹觀測點布設(shè)

2.3 自動監(jiān)測元器件布設(shè)

在每個觀測斷面左、右線底座板外緣下布設(shè)觀測元器件，埋設(shè)位置及元器件布置如圖3、圖4所示。

圖3 斷面元器件布置示意

圖4 凍脹計按照示意

2.4 監(jiān)測點布置情況

結(jié)合沈丹客?，F(xiàn)場建設(shè)進展及每年的觀測情況，在2012年～2015年連續(xù)3個冬季，采用人工觀測和自動監(jiān)測相結(jié)合的方式，開展了全線路基面凍脹變形觀測工作。人工觀測斷面、自動觀測斷面及觀測點布置數(shù)量如表1所示。

表1 每年觀測斷面及觀測點布置

3 建設(shè)期監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 路基凍脹變形隨時間變化特征

在季節(jié)性凍土區(qū)，路基土體溫度隨大氣溫度的變化而改變，即冬季溫度降到0℃以下后，最大凍結(jié)深度范圍內(nèi)土體發(fā)生凍脹變形[13]，影響線路安全。圖5為沈丹客專建設(shè)期路基代表性監(jiān)測斷面(DK33+000)完整凍融周期(2014～2015年)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖5 凍脹規(guī)律示意

由圖5可知，路基凍脹變形大致可分為5個階段:第一階段為凍脹波動階段；第二階段為凍脹快速發(fā)展階段；第三階段為凍脹變形穩(wěn)定階段，凍脹變形趨于平穩(wěn)；第四階段為波動融沉階段(氣溫回升，凍脹呈現(xiàn)一定的波動)；第五階段為變形穩(wěn)定階段，即隨著氣溫的逐漸回升，凍層消失，凍脹回落到最小[14-15]。

12月份以前，隨著氣溫的變化，凍脹變形具有一定的波動；12月中旬以后，隨著零度以下時間的持續(xù)增長，凍深穩(wěn)步增加，到次年2月中旬監(jiān)測斷面的凍深值達到最大；3月初氣溫逐漸變暖，凍深也隨之減小，凍脹變形明顯減小(進入融沉階段)；3月底以后，各測點地溫全面進入0℃以上，凍層消失。

一般來說，凍脹變形在12月下旬已經(jīng)進入穩(wěn)定期，而凍深仍在逐漸發(fā)展(在次年的1月中旬基本穩(wěn)定，2月中旬達到最大值)。說明凍深達到一定的深度后，凍深的變化對凍脹變形的影響減小，且凍脹變形穩(wěn)定期的時間要比凍深穩(wěn)定期的時間要長。

3.2 路基凍脹變形人工觀測數(shù)據(jù)分析

三年的水準監(jiān)測數(shù)據(jù)對比如圖6及表2。

圖6 建設(shè)期全線路基面最大變形情況

表2 全線路基面凍脹變形統(tǒng)計對比_

由圖6和表2可知:2012～2015年，凍脹變形小于4 mm的觀測點占各年全部測點的比例從56.5%上升至99.52%；變形量位于4～8 mm之間的測點占各年全部測點的比例從25.6%降至0.45%；變形量位于8～12 mm之間的測點占各年全部測點的比例從12.7%降至0.02%；變形量大于12 mm觀測點占各年全部觀測點的比例從5.2%降到0。由此可知，隨著施工中防凍脹措施的應(yīng)用，全線路基凍脹變形得到了較大改善，小凍脹(2014～2015年變形量小于4 mm的觀測點占全部測點的99.52%)沿線均布，大凍脹僅為個別現(xiàn)象。

2012年冬季各監(jiān)測點凍脹量小于4 mm的比例為56.5%。對凍脹量大于8 mm的路段，進行了補強處理。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致凍脹量較大的主要原因為2012年冬季沿線各地區(qū)氣溫較往年低，路基填筑預(yù)壓土清理不干凈，外界水滲入路基本體等。2013年采取了清除預(yù)壓土，控制填料細顆粒含量等措施，全線監(jiān)測點凍脹量小于4 mm的比例也提高至78.06%。2014年冬季，路基表面封閉層及底座板施工基本完成，進一步減少了滲入路基本體的水量，其最大凍脹量也逐漸減小。說明隨著路基防凍脹措施的逐步完善，路基凍脹變形得到有效的控制。

3.3 路基凍脹變形自動監(jiān)測情況分析

2013～2014年，選擇了沈丹線三個凍深區(qū)域(1.49 m、1.38 m、1.04 m)6段路基共6個監(jiān)測斷面進行分層凍脹監(jiān)測，2014年～2015年，在2013～2014年的基礎(chǔ)上新增了8個凍脹監(jiān)測斷面，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，選取以下兩個典型觀測斷面進行分析。

(1)DK39+250斷面

該斷面凍深及凍脹變形隨時間的變化情況如圖7所示(最大凍脹變形為0.48 mm)。2014年12月初開始，凍脹變形快速增長，2014年12月下旬至2014年3月上旬凍脹變形呈現(xiàn)波動變化，3月中旬凍脹變形快速回落。2015年2月15日～16日凍深達到最大值。

圖7 DK39+250斷面凍脹計凍脹及凍深隨時間的發(fā)展情況

(2)DK196+190斷面

圖8 DK196+190斷面凍脹計凍脹及凍深隨時間的發(fā)展情況

該斷面凍深及凍脹變形隨時間的變化情況如圖8所示(最大凍脹變形為1.57 mm)。12月20日開始產(chǎn)生凍脹變形，2014年12月20日～2015年1月10日為快速增長期，2015年1月10日～2015年3月22日為凍脹變形穩(wěn)定期，2015年3月22日至2015年3月末為快速回落期，穩(wěn)定期凍脹變形主要集中在0.5～1.1 m深度范圍內(nèi)，2015年2月15日～16日凍深達到最大值。2014～2015年度凍深及凍脹變形隨時間的發(fā)展趨勢與2013～2014年度基本相同。

4 結(jié)論

(1)影響路基凍脹的主要因素有:填料細顆粒含量、水和溫度。防凍脹的措施有:控制細顆粒含量、級配碎石摻水泥、纖維混凝土全封閉等。

(2)路基凍脹具有一定的內(nèi)在規(guī)律，其發(fā)展變化過程可劃分為凍脹初始波動、凍脹快速發(fā)展、低速穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展、波動融沉、融沉穩(wěn)定5個階段。