XPS保溫板在高速鐵路路基結(jié)構(gòu)防凍脹措施中的應(yīng)用

王功博 錢國(guó)玉 王 永

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路季節(jié)性凍土問(wèn)題是世界性難題[1]。如何有效防止路基凍脹，保持季節(jié)性凍土路基的穩(wěn)定性，對(duì)維持凍土區(qū)線路平順性以及乘客舒適度具有十分重要的意義。目前，鐵路路基防凍脹措施主要有：基床范圍內(nèi)換填非凍脹性填料(控制填料細(xì)顆粒含量)、路基防排水(減小基床填料含水量)、設(shè)置保溫材料(減小有害凍深)等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)季節(jié)性凍土路基凍脹機(jī)理及凍脹過(guò)程中的工程特性進(jìn)行了很多研究[14]。王曼等采用量綱分析的方法，得出了路基防凍脹設(shè)計(jì)中XPS保溫板的合理厚度[2-3]。辛強(qiáng)對(duì)XPS保溫板在凍土地區(qū)的應(yīng)用效果及施工工藝進(jìn)行了分析[4]。黃新文對(duì)高速鐵路防凍脹措施進(jìn)行了研究[5-7]。 蔡德鉤、余雷等對(duì)哈大高速鐵路無(wú)砟軌道凍脹規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)凍脹土判斷標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)凍深的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)歸納[8-13]。此外，GANDAHLR結(jié)合含水量分布規(guī)律及凍脹特性研究，提出了寒冷地區(qū)客運(yùn)專線路基防凍脹變形觀測(cè)方法[14]。

以上研究多針對(duì)寒區(qū)高速鐵路路基凍脹特性、凍脹機(jī)理及觀測(cè)方法等，未對(duì)高速鐵路保溫板的防凍脹效果以及基床含水量分布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

1 概述

1.1 工程概況

新建張呼客運(yùn)專線途經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)及河北省，線路全長(zhǎng)286.803 km。設(shè)計(jì)速度為250 km/h，采用有砟軌道形式。試驗(yàn)工點(diǎn)位于興和縣境內(nèi)，地勢(shì)起伏不大，大部分地表被植被覆蓋，地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。該工點(diǎn)為路塹，基床表層填筑級(jí)配碎石，厚0.7 m；其下填筑厚1.0～2.3 m非凍脹性A、B組填料。為測(cè)試保溫板防凍脹措施對(duì)路基凍深及溫度場(chǎng)的影響，選取一段路基鋪設(shè)XPS保溫板材料，對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行研究。

1.2 XPS保溫板性能

XPS(聚苯乙烯擠塑板)保溫板具有極低的吸水性(幾乎不吸水)、低熱導(dǎo)系數(shù)、高抗壓性、高抗老化性(正常使用幾乎無(wú)老化分解現(xiàn)象)等優(yōu)異特性，是一種理想的高速鐵路路基凍害防治材料。

圖1 XPS保溫板現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)

1.3 氣象特征

全線屬中溫帶氣候，該工點(diǎn)年平均氣溫為5.5 ℃，最冷月平均氣溫為-13.5 ℃，極端最低氣溫為-33.8 ℃，年平均降水量為352.6 mm，主要集中于7～9月；平均相對(duì)濕度55%，土壤最大凍結(jié)深度為191 cm。每年從10月底開(kāi)始凍結(jié)，次年4～5月全部融化，歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)5～6個(gè)月。

1.4 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)情況

選擇DK115+373～DK115+603作為試驗(yàn)段，分別換填厚1.0 m、1.8 m、2.3 m的非凍脹性A，B組填料(見(jiàn)圖2)，然后按設(shè)計(jì)要求填筑壓實(shí)，分別布設(shè)地溫計(jì)及含水量計(jì)，測(cè)試路基斷面溫度場(chǎng)、含水量及水分遷移規(guī)律。在路肩兩側(cè)分別布置凍脹計(jì)，用來(lái)對(duì)比研究各防凍脹措施的效果。

圖2 試驗(yàn)段落防凍脹措施設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 10 cm厚保溫板防凍脹效果分析

試驗(yàn)段采用兩種路基形式。DK115+373～DK115+453段：在基床表層鋪設(shè)厚10 cm的 XPS保溫板；DK115+453～DK115+603段：采用常規(guī)基床結(jié)構(gòu)形式(未鋪設(shè)保溫板)。

由圖3可知，DK115+428斷面位于保溫板區(qū)段，其最大凍結(jié)深度為0.75 m；DK115+478斷面位于未鋪設(shè)保溫板區(qū)段，凍結(jié)深度為0.98 m。兩個(gè)斷面的最大凍深均出現(xiàn)在2月10日至2月25日之間，鋪設(shè)保溫板的凍結(jié)深度較未鋪設(shè)保溫板的凍結(jié)深度小0.23 m，說(shuō)明保溫板具有減小路基最大凍深的作用。

圖3 保溫板防凍脹措施效果比較

路基線路中心的凍脹規(guī)律為單向凍結(jié)，即隨著大氣溫度的降低，填料的凍結(jié)線(零度線)由基床表層向基床底層移動(dòng)；路基兩側(cè)路肩的凍脹規(guī)律為雙向凍結(jié)。由圖4可知，路基兩側(cè)的最大凍結(jié)深度較線路中心大。在路基不同位置鋪設(shè)保溫板都會(huì)降低路基最大凍結(jié)深度，減少量為0.21～0.42 m，平均值為0.33 m。

圖4 保溫板防凍脹措施對(duì)凍深影響

圖5為設(shè)置保溫板斷面地溫與氣溫的關(guān)系曲線，由圖5可見(jiàn)，10 cm厚保溫板上部(0.3 m處)溫度隨外界氣溫變化明顯，在2017年12月中旬，保溫板上部溫度降至0 ℃以下，至2018年1月下旬外界氣溫達(dá)到最低值(-27 ℃)時(shí)，10 cm厚保溫板上部溫度降至-3.2 ℃，而保溫板下部(0.5 m處)溫度在2月中旬才達(dá)到最低值(-1.7 ℃)。至3月下旬，隨外界氣溫逐漸回升，保溫板上部溫度迅速升高，而由于隔熱保溫效果，保溫板下部溫度升高速率較緩。保溫板的上下部分在同一時(shí)期存在較明顯的溫度差，且隨氣溫的變化規(guī)律也不相同。

圖5 DK115+428設(shè)保溫板斷面地溫與氣溫關(guān)系

圖6為未設(shè)置保溫板斷面地溫與氣溫的關(guān)系曲線，由圖6可見(jiàn)，在距基床表層頂部0.3 m處，溫度隨外界氣溫變化明顯，在2017年12月中旬，深0.3 m處溫度降至0 ℃以下，至2018年1月下旬外界氣溫達(dá)到最低值(-27 ℃)，0.3 m處溫度降至-3.6 ℃，0.5 m處溫度在2月中旬才達(dá)到最低(-4.6 ℃)。至3月下旬，隨外界氣溫逐漸回升，上下部溫度變化規(guī)律趨于相同。從整體變化來(lái)看，無(wú)保溫板設(shè)置時(shí)，上部(0.3 m處)與下部(0.5 m處)的地溫值及變化規(guī)律基本一致。

圖6 DK115+478未設(shè)保溫板斷面地溫與氣溫關(guān)系

圖7為鋪設(shè)10 cm厚保溫板與未鋪設(shè)保溫板下部溫度及二者之間的差值變化情況，2017 年11月中旬開(kāi)始，外界氣溫持續(xù)下降，保溫板下部溫度均逐漸降低，但在 12 月初之前，二者溫度差值明顯增大，說(shuō)明在此階段，未鋪設(shè)保溫板下部區(qū)域降溫速率更快；而在12月初至2月初溫度達(dá)到最低值的階段，二者溫差基本保持在 3℃左右，說(shuō)明在此階段設(shè)置保溫板對(duì)控制最低溫度有一定作用，而后隨氣溫逐漸升高，保溫板下部溫度逐漸上升且二者之間差值逐漸減小。通過(guò)相同位置的溫度變化可知，鋪設(shè)保溫板可有效阻止熱量在路基垂直方向的傳遞。

圖7 保溫板上下溫差與凍深關(guān)系

2.2 含水量監(jiān)測(cè)

圖8～圖10為不同防排水效果下不同深度含水量的變化監(jiān)測(cè)結(jié)果。分別為鋪設(shè)保溫板、鋪設(shè)排水板以及未設(shè)防排水措施三種情況。圖8～圖10可知，基床底層含水量較基床表層大，且隨著深度的增加而逐漸增大，基本呈線性趨勢(shì)。同一斷面的不同位置(左路肩、線路中心、右路肩)含水量分布相差不大。

圖8 鋪設(shè)保溫板不同深度含水量變化

圖9 鋪設(shè)排水板不同深度含水量變化

圖10 未設(shè)保溫板及排水板路基不同深度含水量變化

圖11為不同防排水效果下不同深度含水量變化監(jiān)測(cè)結(jié)果。從圖11中可以看出，含水量分布隨著深度的增加而逐漸增大，呈線性趨勢(shì)。由于該工點(diǎn)為路塹，地層為泥巖，透水性差，且該段未設(shè)置盲溝，使得基床底層水未能及時(shí)排除，導(dǎo)致排水板的隔排水效果不明顯。

圖11 不同排水措施不同深度含水量變化

圖12為路基最大凍深范圍內(nèi)含水量與路基凍脹量之間的關(guān)系，從圖12中可以看出，隨著氣溫的降低，基床范圍內(nèi)自由水逐漸變成冰，路基開(kāi)始發(fā)生凍脹。當(dāng)路基凍脹量達(dá)到最大時(shí)，基床范圍內(nèi)的含水量也基本趨于穩(wěn)定。2018年3月下旬后，隨著氣溫的回升，基床范圍內(nèi)冰開(kāi)始融解，基床含水量逐漸增大，而凍脹量隨之減小。

圖12 不同排水措施不同深度含水量變化

3 結(jié)論

(1)路基同一斷面不同位置(左路肩、左線中心、線路中心、右線中心、右路肩)的最大凍結(jié)深度有所不同，由于左、右路肩與空氣的接觸面較大。故兩側(cè)路肩凍結(jié)深度較路基中心大，此外，凍結(jié)深度也受陽(yáng)坡、陰坡影響。

(2)路基斷面含水量隨著深度的增加而逐漸增大，呈線性趨勢(shì)。

(3)在路基鋪設(shè)保溫板可降低路基最大凍結(jié)深度，說(shuō)明保溫板可有效阻止熱量在路基垂直方向上的傳導(dǎo)。

(4)路基基床表層鋪設(shè)保溫板可有效降低路基的最大凍結(jié)深度，從而減少路基凍脹。同時(shí)，在保溫板上鋪設(shè)毛細(xì)排水板可防止基床表層水滲透至基床底層。