季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基保溫技術(shù)試驗研究

(中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

我國已在東北、西北等季節(jié)性凍土地區(qū)修建了數(shù)條高速鐵路，包括哈大、哈齊、盤營、沈丹、蘭新、京沈等線路。根據(jù)國家中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，這些地區(qū)還有多條高速鐵路需要修建。這些高速鐵路面臨著路基凍脹問題，合理的基床結(jié)構(gòu)是路基防凍脹關(guān)鍵。我國季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路防凍脹基床結(jié)構(gòu)基本上按照填料抗凍和防排水相結(jié)合的原則進行設(shè)計[1-7]，即在凍結(jié)深度內(nèi)填筑非凍脹土或混凝土，路基表面采用封閉防水措施，基本解決了大部分季節(jié)性凍土地區(qū)的高速鐵路凍脹問題。但凍結(jié)深度內(nèi)全部采用優(yōu)良的抗凍脹填料或混凝土基床，增加了工程成本。目前，有砟軌道鋪設(shè)保溫層被認為是一種有效的防凍脹措施，可有效降低或消除路基凍脹，已在有砟軌道中得以成功應(yīng)用[8-15]。在季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路無砟軌道路基采用保溫基床結(jié)構(gòu)，可在減小凍結(jié)深度的同時，降低凍結(jié)深度以下填料的標準，有效提高路基工程的技術(shù)經(jīng)濟性。對于地下水位較高的地段，效果更為顯著。本文通過哈大高速鐵路現(xiàn)場保溫基床結(jié)構(gòu)試驗，對局部和全斷面保溫結(jié)構(gòu)在季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路的適用性進行分析。

1 保溫結(jié)構(gòu)試驗

1.1 正線保溫試驗段

在哈大高速鐵路正線K186+152.17—K186+525.94路塹地段和K186+910.94—K187+099.14路堤地段開展局部保溫試驗，如圖1和圖2所示。路肩處保溫板鋪設(shè)在既有纖維混凝土防水層、電纜槽蓋板上，同時護肩表面及護肩以下也鋪設(shè)保溫板，保溫板厚度為6 cm，材質(zhì)為XPS，最后路肩上澆筑纖維混凝土防水層。線間先拆除既有纖維混凝土防水層，然后采用中粗砂找平，最后鋪設(shè)6 cm厚的XPS保溫板，其上再澆筑纖維混凝土防水層。

圖1 路堤地段保溫板設(shè)置橫斷面(單位：m)

圖2 路塹地段保溫板設(shè)置橫斷面(單位：m)

選取6個路堤保溫斷面、2個路塹保溫斷面和6個非保溫斷面進行監(jiān)測，分別監(jiān)測各斷面的凍脹與凍結(jié)深度情況，監(jiān)測部位布設(shè)在路肩中心。由于軌道板結(jié)構(gòu)下方未設(shè)置凍結(jié)深度與凍脹傳感器，不能獲得軌道結(jié)構(gòu)位置凍脹情況。因此，對軌道結(jié)構(gòu)凸臺開展水準凍脹觀測，同時對路肩位置進行水準凍脹觀測以進行橫向?qū)Ρ取?/p>

1.2 線外保溫試驗段

由于哈大高速鐵路正線保溫試驗未在軌道結(jié)構(gòu)下方設(shè)置傳感器，不能全面評價保溫結(jié)構(gòu)防凍脹效果。因此，在哈大高速鐵路K139+700里程對應(yīng)位置柵欄外，另行設(shè)置了30 m的保溫試驗段，分別選取15 m實施局部保溫和全斷面保溫試驗方案，如圖3和圖4所示?；矁?nèi)設(shè)置溫度、凍脹傳感器，通過測試路基溫度場和位移場評價其保溫效果。

圖3 線外試驗段局部保溫方案(單位：m)

圖4 線外試驗段全斷面保溫方案(單位：m)

1.3 保溫板材料基本性能測試

試驗段采用了XPS保溫板，對其熱物理性能進行測試，結(jié)果見表1。可知，XPS保溫板材料在10，25 ℃條件下，熱阻性能均大于等于0.89 m2·K/W，導(dǎo)熱系數(shù)均小于0.03 W/(m·K)，說明該材料是優(yōu)良的隔熱材料。其壓縮強度達到304 kPa，遠大于高速鐵路混凝土底座下的實測動應(yīng)力水平(一般不超過30 kPa)。保溫板材料性能滿足高速鐵路路基保溫的基本要求。

表1 XPS保溫板性能測試結(jié)果

2 試驗結(jié)果分析

2.1 正線保溫試驗結(jié)果分析

2.1.1 自動監(jiān)測結(jié)果分析

圖5為正線試驗段凍結(jié)深度對比情況?？芍?，局部保溫路塹斷面的凍結(jié)深度為28～55 cm，平均值為35 cm；局部保溫路堤斷面凍結(jié)深度為59～66 cm，平均值為62 cm；非保溫測試斷面凍結(jié)深度為111～127 cm，平均值為118 cm。說明保溫板能有效降低保溫部位的凍結(jié)深度。路塹地段的保溫效果最好，這與邊界熱交換條件有密切關(guān)系，路塹地段沒有路堤地段的臨空邊坡，更有利于保溫。

圖5 正線試驗段凍結(jié)深度情況

圖6 正線試驗段部分斷面凍脹變形發(fā)展情況

圖6為正線試驗段部分斷面的凍脹變形發(fā)展情況?？芍氐囟慰傮w變形明顯小于非保溫地段，保溫地段的凍脹變形在10～15 mm，而非保溫地段的凍脹變形在25～35 mm，明顯大于保溫地段。保溫和非保溫地段凍脹發(fā)展曲線基本上經(jīng)歷初期反復(fù)波動、快速凍脹、穩(wěn)定增長、波動融沉、融沉穩(wěn)定5個階段。保溫地段從2012年12月15日左右進入凍脹發(fā)展第2階段；而非保溫地段一般從2012年11月30日左右即開始進入第2階段，從2012年12月20日左右進入第3階段。保溫地段較非保溫地段進入第2階段滯后15 d 左右，說明保溫板的設(shè)置延緩了凍脹發(fā)展。另一方面，局部保溫地段較非保溫地段先進入融沉階段，提前約6 d左右，且結(jié)束也較早，這與保溫地段的凍結(jié)深度較淺相關(guān)。一個凍融周期之后，局部保溫和非保溫地段的變形均未恢復(fù)至凍脹前的初始值，說明監(jiān)測部位的土體產(chǎn)生了一定程度的松脹現(xiàn)象。

雖然保溫地段凍結(jié)深度與凍脹變形均明顯小于非保溫地段，但其凍脹量依然達到15 mm，說明凍脹變形主要發(fā)生基床表層范圍?，F(xiàn)場調(diào)查表明試驗段多處路基面的結(jié)構(gòu)縫的封閉措施已經(jīng)失效，這可能導(dǎo)致大氣降水通過結(jié)構(gòu)縫進入基床表層。而基床表層底面兩布一膜的存在，使水分容易積聚在基床表層。因此，保溫地段的凍結(jié)深度雖淺，但凍脹量依然較大。

2.1.2 水準凍脹觀測結(jié)果分析

圖7為2012—2013年軌道凸臺和路肩水準凍脹觀測結(jié)果?？芍?，保溫地段左路肩、上行凸臺、下行凸臺、右路肩標高變化的平均值分別為1.57，6.41，5.08，0.76 mm，而非保溫地段為13.21，7.30，7.09，13.44 mm。保溫地段凸臺上的凍脹略小于非保溫地段，而路肩上的凍脹則明顯小于非保溫地段。這是因為保溫地段只在路肩和線間設(shè)置了保溫板，而軌道結(jié)構(gòu)位置未設(shè)保溫板，表明局部保溫措施對軌道結(jié)構(gòu)位置的凍脹沒有明顯影響。

圖7 試驗段軌道凸臺和路肩凍脹情況

圖8 線外試驗段局部保溫段凍脹時程曲線

2.2 線外保溫試驗段結(jié)果分析

2.2.1 局部保溫段監(jiān)測結(jié)果分析

為12.7 mm，錘體質(zhì)量為2.5 kg。機器可以實時記錄沖擊能量、力、位移、沖擊速度和時間等數(shù)據(jù)。通過改變落錘的下落高度，獲得不同的沖擊能量，試驗分別為5 J、20 J、45 J，對應(yīng)的沖擊速度分別為2 m/s、4 m/s和6 m/s，所有的試驗均在室溫下進行。

圖8為線外保溫試驗段的局部保溫段2個凍融期的凍脹情況?？芍?，2個凍融期最大凍脹量均發(fā)生在軌道結(jié)構(gòu)位置，且均在2月10日左右。2013—2014年冬季，左、右線軌道結(jié)構(gòu)位置最大凍脹量分別達到7 mm 和10 mm；2014—2015年冬季，最大凍脹量分別為9 mm和11 mm。而其他位置凍脹量均沒有超過1 mm。這一現(xiàn)象與正線試驗段結(jié)果一致，說明未鋪設(shè)保溫板的軌道板結(jié)構(gòu)位置是產(chǎn)生凍脹的主要位置。

圖9為線外試驗段局部保溫段溫度場分布情況，其中凍結(jié)深度線為冬季最冷時0 ℃深度線，即最大凍結(jié)深度位置。可知，凍結(jié)深度最大值產(chǎn)生在軌道結(jié)構(gòu)位置，凍結(jié)深度最大達到1.25 m。其他位置由于鋪設(shè)了保溫板凍結(jié)深度均較小。這主要是由于路肩及線間保溫板具有保溫隔熱效應(yīng)，而軌道結(jié)構(gòu)位置混凝土熱傳導(dǎo)系數(shù)較大，一般在1.5 W/(m·K)左右，遠大于保溫板熱傳導(dǎo)系數(shù)，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)位置凍結(jié)深度較大。

圖9 線外試驗段局部保溫段溫度場等溫線

因此，在線間和路肩局部保溫條件下不能有效改善軌道結(jié)構(gòu)位置的凍脹情況。

2.2.2 全斷面保溫段監(jiān)測結(jié)果分析

圖10為2個凍融期線外保溫試驗段的全斷面保溫段凍脹變形發(fā)展情況?？芍?，整個斷面各位置的凍脹變形均沒有超過1 mm。說明保溫板起到了防止凍脹的目的。

圖10 線外試驗段全斷面保溫段凍脹時程曲線

圖11 線外試驗段全斷面保溫段溫度場等溫線

圖11為線外試驗段全斷面保溫段溫度場分布情況，其中凍結(jié)深度線為冬季最冷時0 ℃深度線，即最大凍結(jié)深度位置?？芍?，保溫板上全部為負溫，0 ℃深度線正好位于保溫板位置。由于采用全斷面保溫板，軌道位置的“低溫窗口”得到有效封閉，降低了全斷面的凍結(jié)深度。說明全斷面保溫措施能夠最大程度地降低基床的凍結(jié)深度。

3 結(jié)論

1)XPS保溫材料的熱阻大于等于0.89 m2·K/W，導(dǎo)熱系數(shù)小于0.03 W/(m·K)，是優(yōu)良的隔熱材料；壓縮強度可達到304 kPa，遠大于高速鐵路底座下動應(yīng)力水平。滿足高速鐵路路基保溫的基本要求。

2)路肩和線間局部保溫措施只能減小保溫部位的凍結(jié)深度和凍脹，不能抑制軌道結(jié)構(gòu)位置的凍脹，不適用于季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路防凍脹設(shè)計。

3)全斷面保溫措施能夠降低軌道結(jié)構(gòu)位置的凍結(jié)深度和凍脹，有較好的防凍脹效果。季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基可采用全斷面保溫基床結(jié)構(gòu)進行防凍脹設(shè)計。