某鐵路路基凍脹過程實測及“時變覆蓋效應”分析

仝睿，宋二祥，趙志宏，于洪欽，張愛濤

某鐵路路基凍脹過程實測及“時變覆蓋效應”分析

仝睿1，宋二祥1，趙志宏1，于洪欽2，張愛濤2

(1. 清華大學 土木工程安全與耐久教育部重點實驗室，北京 100084；2. 中國鐵路蘭州局集團 有限公司武威工務段，甘肅 武威 733000)

針對蘭新鐵路武威段的路基凍脹選取典型地段進行凍脹過程的現(xiàn)場實測，包括不同深度處的溫度、濕度及凍脹量從秋季到冬季再到春季的變化時程。通過對實測數(shù)據(jù)的分析，力求弄清該干旱低水位地區(qū)鐵路路基發(fā)生凍脹的水分來源。實測數(shù)據(jù)及分析表明，由于入冬前路基淺層局部土體有一定體積含水率，淺層凍結之后，減小水分的蒸發(fā)；同時在溫度梯度作用下，有不可忽略的地下水氣向上遷移，加大淺層的凍脹。結合此前業(yè)內提出的“鍋蓋效應”概念，提出“時變覆蓋效應”概念，可以解釋此種環(huán)境下路基內的水分遷移及凍脹。

鐵路路基；凍脹；現(xiàn)場實測；時變覆蓋效應；體積含水率

季節(jié)性凍土區(qū)域土的周期性凍脹與融沉變形會對建于其上的工程設施造成危害。高速公路、高速鐵路對路基變形非常敏感，路基凍融變形的分析及控制是一個重要研究課題。實際上，我國位于季節(jié)性凍土區(qū)的鐵路多受到不同程度的路基凍融變形的困擾[1?6]。比如，西北地區(qū)的蘭新鐵路，每年冬季都有明顯的凍脹變形，每年入冬及開春季節(jié)都因凍脹或融沉變形投入大量人力物力進行軌道調平，并限速運行。路基發(fā)生凍脹的必要條件除低溫因素外，凍結深度范圍內水分的存在是另一必不可少的條件。而蘭新鐵路位于西北干旱地區(qū)，地下水位深度較大，毛細水不足以上升到會發(fā)生凍結的淺層。例如本文試驗所在的蘭新鐵路武威段，冬季凍結深度在1.5 m到2 m之間，地下水位則深達數(shù)米以上，毛細水不足以上升到凍結區(qū)域。那么水分到底怎么來的，是一個需要回答的問題。近年來工程界從道面破壞的情況發(fā)現(xiàn)，在西北等干旱地區(qū)的路基中，雖然地下水位較深，但不透水的道面下方也會出現(xiàn)較多水分的聚集。研究人員推測這種水分聚集主要是由氣態(tài)水遷移到道面下因低溫冷凝而成。李強等[7?8]將該現(xiàn)象形象地稱為“鍋蓋效應”，工程界也有人稱其為“覆蓋效應”[9?10]。滕繼東等[9, 11?12]也對覆蓋效應進行了研究，指出路基頂部溫度在冰點以下時，路基中水分的向上遷移量才較顯著。本課題組此前也對這一現(xiàn)象進行了建模分析[10]，得到相近的結論。但普通鐵路路基并不存在一個起到覆蓋作用的道面，蘭新鐵路路基發(fā)生凍脹的水分是否與“鍋蓋效應”有關？正是帶著這一類問題，本課題組在蘭新鐵路武威段選取典型凍脹部位進行路基凍脹過程的現(xiàn)場實測，包括不同深度處的溫度、濕度及凍脹量從秋季到冬季再到春季的變化時程。通過對實測數(shù)據(jù)的分析，揭示發(fā)生凍脹的水分來源。實測數(shù)據(jù)及分析表明，由于入冬前路基淺層局部土體有一定體積含水率，淺層凍結之后會減少水分的蒸發(fā)；同時在溫度梯度作用下，有不可忽略的地下水氣向上遷移，加大淺層的凍脹。針對這一現(xiàn)象，結合此前業(yè)內提出的“鍋蓋效應”概念，提出“時變覆蓋效應”概念，可以解釋此種環(huán)境下路基內的水分遷移及凍脹。

1 實測方案

課題組在蘭新鐵路武威段411+600區(qū)域路堤土層中不同深度處布設溫、濕度傳感器和凍脹計以獲得相應的測試數(shù)據(jù)。

測試斷面處，邊坡土體為粉土，頂部50 cm厚度夾雜石子。路基中頂部有約50 cm厚石砟層，石砟層下為60 cm厚粉土層，30 cm黑色粗粒填料層，再往下為240 cm厚粉土。粉土干密度約為1.6 g/cm3，滲透系數(shù)為1.5×10?7m/s；粗粒填料干密度為1.9 g/cm3，滲透系數(shù)為3×10?4m/s，透水性能與中砂較為接近。邊坡土體1.5 m以上土層體積含水率較低，1.5 m以下土層體積含水率較高。路基的體積含水率是1.5 m以上體積含水率較高，1.5 m以下體積含水率較低。地下水位深度在數(shù)米以上。土層分布剖面圖如圖1所示。

單位：cm

根據(jù)《凍土地區(qū)建筑地基基礎設計規(guī)范》，測點所在地區(qū)標準凍深為1.4 m，故將監(jiān)測儀器分別布置在0.1，0.4，1.0，1.6，2.5和3.3 m處。需要注意的是，路基中的深度0點是從石砟層下方算起。此外，為方便估計蒸發(fā)量，還在同一地段用磚石砌筑承臺，布置了大氣溫濕度計以及風速風向計。為對比路基中間的水分遷移以及邊坡上的水分遷移情況，在路基中間和路肩各設置一組測點(圖2)。

測點布置剖面、平面圖分別見圖2和圖3。路基中測孔共7個，位于在鐵路路堤堤頂，包括在不同深度布設凍脹計的測孔6個與在不同深度布土層溫濕度計的測孔1個。路肩上測孔共8個，包括凍脹計測孔6個、土層溫濕度計測孔1個與孔壓計測孔1個。試驗采用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)采集，使用太陽能電池組對監(jiān)測儀器進行供電。

單位：m

圖3 測點布置平面圖

圖3中的測孔編號，B代表基床(Bed)；S代表邊坡(Slope)；A代表大氣(Atmosphere)；W代表風(wind)；F代表凍脹(Frost heave)；TH代表溫度(Tempertaure)和濕度(Humidity)。數(shù)字1到6分別對應測量深度3.3，2.5，1.6，1.0，0.4和0.1 m。

本次試驗中，凍脹計采用的是一孔一埋的方式，而溫濕度計采用的是一孔多埋的方式。凍脹計的一孔一埋示意圖如圖4所示。一孔多埋的布置方式可以消除土體沿鐵軌方向不均勻性的影響，因此溫濕度計采用一孔多埋的方式。但凍脹計的上法蘭盤寬度為250 mm，若同樣使用一孔多埋的布置方式，打孔直徑至少為250 mm。考慮到在鐵路上打孔時間有限，且對打孔設備高度存在限制，故將凍脹計布設為一孔一埋。凍脹計上法蘭盤和底錨盤會隨著土層一起移動，中間的連接桿可以上下活動。當凍脹發(fā)生時，上法蘭盤與底錨盤間距增大，通過中間的連接桿處的電子器件測出間距增大量，即可得到凍脹量大小。不同凍脹計的頂部法蘭盤和底部錨盤設置在不同高度，從而測量不同厚度土層的凍脹量。溫濕度計一孔多埋示意圖如圖5所示。最上方2個溫濕度計因埋設間距接近溫濕度計本身長度，無法豎直埋設，故水平埋設于土中。

圖4 凍脹計埋設示意圖

圖5 溫濕度計埋設示意圖

在埋設過程中，路基孔內頂部0.5 m范圍內土體以及邊坡孔內底部2 m到3.3 m深處土體可以觀察到較明顯的高體積含水率，與剛埋好所有傳感器(2017年11月5日)時測得的土體體積含水率數(shù)據(jù)(圖7)相一致?；靥钸^程中，嚴格按照挖取時的深度，將土體回填。本次試驗中所用到的所有監(jiān)測儀器型號與精度如表1所示。

表1 監(jiān)測儀器型號精度

2 實測數(shù)據(jù)及分析

圖6是邊坡測孔在2018年9月15日不同時刻測得的不同深度處的溫度值。從圖中可以看出，近地表淺層溫度隨氣溫變化而變化，而1 m及以下深度處，溫度較為穩(wěn)定。圖7是2017年11月5日路基和邊坡上測孔的土體含水情況，邊坡的含量在表層較低，深處較高。而路基的體積含水率是表層高，深部低。這與成孔時觀察到的情況吻合。這些數(shù)據(jù)從側面佐證了監(jiān)測儀器的有效性。

圖6 土體溫度日變化圖(2018年9月15日，邊坡)

圖7 土體體積含水率分布圖(2017年11月5日)

選取2017年11月11日到2019年5月14日這段時間內的實測數(shù)據(jù)進行分析。這時間段包含了2年內明顯的凍脹與融沉過程。實測路基內的凍脹量變化如圖8所示。

路基中4號與6號凍脹計存在問題，為了便于對比分析，未列出其測量數(shù)據(jù)。其余4個凍脹計測得凍脹量較為接近，都在每年12月初凍脹開始發(fā)展，次年4月份凍脹完全消散。凍脹的發(fā)生時間和消散時間基本一致。同時，可以觀察到2018年7月到8月的鐵路路基平整工作對凍脹計偏差值產(chǎn)生的影響。第1次凍脹過程中，1號凍脹計測得的最大凍脹量為40 mm，其余3個測得的最大凍脹量都在35 mm左右。第2次凍脹過程中，1號和2號凍脹計測得的最大凍脹量為40 mm，3號凍脹計測得的最大凍脹量為37 mm，5號凍脹計測得的凍脹量為35 mm?？紤]到凍脹計的埋設方式，該數(shù)據(jù)說明路基中的土層凍脹集中在0.4 m到1.6 m的范圍內。1號凍脹計與2號凍脹計都包含所有的凍脹土層，但第1年測量值存在約5 mm的差異，這很可能是由于埋設過程對土層產(chǎn)生擾動引起的。

圖8 路基凍脹量測量值

圖9 邊坡凍脹量測量值

實測的邊坡凍脹量變化如圖9所示。邊坡中3號與6號凍脹計的測量值較預測情況偏大，其余4個凍脹計測量值較符合預期。同時，邊坡中凍脹發(fā)生與回落的時間與路基中凍脹發(fā)生回落的時間基本吻合?？梢园l(fā)現(xiàn)，邊坡上的凍脹量明顯小于路基。這是因為路基頂部存在石砟層，對水分蒸發(fā)起到一定阻礙作用，導致路基頂部體積含水率高于邊坡頂部，進而在冬季凍脹量較大。

路基中測得的體積含水率變化情況如圖10所示。

圖10 路基土體體積含水率測量值

B-TH-6號傳感器在凍脹期間測得的含水率變化情況符合凍脹模型中“冬季頂部未凍水結冰，未凍水含量降低，春季融沉導致頂部未凍水含量集聚增加”的規(guī)律。由B-TH-6號凍脹計監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，冬季土體頂部未凍水含量下降，結合土體蒸發(fā)速率的經(jīng)驗公式[13]，可以推斷此時土體頂部蒸發(fā)速率降低。此外，B-TH-6號傳感器冬季測得最低未凍水含量為23.7%，對應溫度為?2.4 ℃?；谕馏w內冰含量與未凍水含量的關系公式[14]，可以得到此時冰和水所折算的總含水率約為60%，遠大于凍脹前的40%，考慮到土體頂部還有因凍脹生成的冰透鏡體，土體頂部的水分含量應當更高?？疾齑杭緝鼋Y融化后的含水率數(shù)據(jù)同樣可以發(fā)現(xiàn)，B-TH-6號傳感器測得的含水率出現(xiàn)了顯著增加，測量值達到了55%，接近飽和狀態(tài)，遠大于凍脹前的40%。而在凍脹期間，測點所在的山丹地區(qū)總降水量為16 mm (數(shù)據(jù)來源：天氣后報www.tianqihoubao. com)。使用本課題組建立的土體水熱遷移模型對于降水的影響進行分析，土體初始體積含水率以及溫度分布根據(jù)2017年11月11日路基內實測值進行選取，頂部降水根據(jù)氣象網(wǎng)站上的降水日期，設定為對應時間內的狄利赫里邊界條件進行模擬分析，并模擬了頂部無降水的情況以進行對比。根據(jù)模擬得到的結果，16 mm降水量帶來的土體體積含水率增大量最大為1.4%。也就是說，去除降水的影響后，土體頂部依然存在明顯的體積含水率增加。由此可見，凍脹開始后，水分從下向上遷移，土體頂部出現(xiàn)水分集聚現(xiàn)象。

路基中存在的這種水分遷移的現(xiàn)象，應該是因為“時變覆蓋效應”的影響?！皶r變覆蓋效應”的表現(xiàn)，與引言部分介紹的有道面覆蓋的公路路基中的“覆蓋效應”不盡相同。在路基淺層土體凍結之前，一般鐵路路基表層并非完全不透水不透氣，而是存在一定的蒸發(fā)量，表現(xiàn)為弱覆蓋或不覆蓋的特性。而當淺層因雨季降雨等而有一定殘留水分時，冬季隨凍結發(fā)展，路基表層蒸發(fā)量逐漸降低，由不覆蓋逐漸變?yōu)槿醺采w，甚至強覆蓋，進而促進路基內水分向上遷移。這種頂部透氣透水條件隨時間變化從而影響路基內水分遷移狀況的現(xiàn)象，我們稱之為“時變覆蓋效應”。而路基內觀測到的土體蒸發(fā)速率降低與頂部出現(xiàn)水分集聚現(xiàn)象，都佐證了測點處鐵路路基內“時變覆蓋效應”的存在。

由于目前對凍脹作用的機理還沒有形成統(tǒng)一全面的認識，對“時變覆蓋效應”的研究還有待進一步深入。本課題組此前針對“時變覆蓋效應”進行了建模分析，已被《工程力學》雜志錄用[15]。在蘭新鐵路武威段觀測到的“時變覆蓋效應”現(xiàn)象，對于“時變覆蓋效應”的進一步研究分析具有重要參考價值。

圖11 邊坡體積含水率測量值

邊坡中測得的含水率變化情況如圖11所示。從圖11中可以看出，邊坡中1.0 m以下處體積含水率與路基中同深度處相比較，變化更為明顯。0.1 m深與0.4 m深處的含水率變化符合凍脹模型中“冬季未凍水含量降低，春季融沉未凍水含量增加”的規(guī)律。

路基中測得的溫度變化如圖12所示。

圖12 路基溫度測量值

圖12中，5號和6號傳感器接近路基土體頂部，其溫度低于0 ℃的時間段基本與路基中的凍脹發(fā)展時間一致。同時，由淺到深，可以觀察到明顯的溫度改變的滯后現(xiàn)象，與理論模型中土體的溫度變化規(guī)律相一致。

邊坡中測得的溫度變化如圖13所示。

圖13 邊坡溫度測量值

圖13中，6號傳感器測得的邊坡頂部的溫度變化與空氣中的溫度變化較為接近，頂部溫度降到0 ℃以下的時間段與邊坡上的凍脹發(fā)展時間基本相符。同樣，由淺到深，可以觀察到明顯的溫度改變的滯后現(xiàn)象。而且邊坡上因為沒有石砟層的覆蓋保護，與路基中的溫度相比，高溫時溫度更高，低溫時溫度更低。

從溫度數(shù)據(jù)也可以看出，邊坡冬季凍脹深度在1.0 m到1.6 m之間，路基中頂部存在石砟覆蓋層，凍脹深度在0.6 m到1.0 m之間。測得的凍脹深度與規(guī)范中給出的1.4 m的標準凍深相吻合。

從總體的數(shù)據(jù)分析可以看出，土體中存在“時變覆蓋效應”現(xiàn)象。隨著冬季氣溫降低，土體凍結發(fā)展，路基表層蒸發(fā)量逐漸降低，由不覆蓋逐漸變?yōu)槿醺采w，甚至強覆蓋，進而促進路基內水分向上遷移。向上遷移的水分導致頂部凍脹進一步發(fā)展。這種“時變覆蓋效應”導致的水分自下而上的遷移補充，是土體凍脹的主要原因之一。

3 結論

1) 在鐵路路基中，冬季頂部水分逐漸凍結，進而形成冰透鏡體，成為覆蓋層。這一過程會改變頂部覆蓋條件，導致路基頂部水分集聚，進而加大土體凍脹。這種頂部覆蓋條件隨時間變化的現(xiàn)象，稱為“時變覆蓋效應”。

2) 現(xiàn)場實測表明，“時變覆蓋效應”可以導致高達40 mm的凍脹量，會產(chǎn)生明顯的工程危害。

3) 與鐵路邊坡相比，鐵路路基堤頂因石砟層的存在，本身頂部體積含水率更高，冬季凍脹量更大，受到“時變覆蓋效應”的危害更為嚴重。

4) 路基中，春季融沉時，體積含水率會增大到接近飽和狀態(tài)。邊坡中則未觀測到此現(xiàn)象。

“時變覆蓋效應”會造成很大的工程危害，其現(xiàn)場實測涉及溫度、濕度、凍脹量等多個物理量，土體的不均勻性還會對數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生影響。本文通過現(xiàn)場實測，證明了鐵路路基等不覆蓋土體存在頂部蒸發(fā)邊界條件變化的現(xiàn)象，并對“時變覆蓋效應”下的土體內水分、溫度、凍脹量變化數(shù)據(jù)進行了分析。對“時變覆蓋效應”的有效防治措施，有待結合室內試驗數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬模型進行進一步的研究分析。

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Measurement of frost heave process of a railway subgrade and analysis of “time-varying canopy effect”

TONG Rui1, SONG Erxiang1, ZHAO Zhihong1, YU Hongqin2, ZHANG Aitao2

(1. Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of the State Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Wuwei Works Section of China Railway Lanzhou Bureau Group Co., Ltd, Wuwei 733000, China)

Field measurements of frost heave process in Wuwei section of Lan-Xin Railway were carried out, including the variation of temperature, humidity and frost heave amount at different depths from autumn to winter and then to spring. Through the analysis of the measured data, the attempt was made to find out the water source of frost heave of Railway Subgrade in this arid and low water level area. The measured data and analysis show that the evaporation of water decreases due to the water content in the shallow part of the subgrade freeze before winter, and the upward migration of groundwater vapor cannot be neglected under the action of temperature gradient, which increases the frost heave in the shallow layer. In combination with the concept of “canopy effect” put forward by previous studies, the concept of “time-varying canopy effect” was put forward, which can explain the moisture migration and frost heaving in the subgrade under this environment.

railway subgrade; frost heave; field measurement; time-varying canopy effect; water content

TU445

A

1672 ? 7029(2020)08 ? 1949 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190950

2019?10?28

國家自然科學基金資助項目(51778339，41272279)；國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2014CB047003)

宋二祥(1957?)，男，河北人，教授，博士，從事巖土力學與工程領域的教學及科研工作；E?mail：songex@tsinghua.edu.cn

(編輯 涂鵬)