季節(jié)性凍土區(qū)鐵路路基含水率變化特征研究

王 興 趙相卿 賈海峰 李 舟 梁恒祥

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730070； 2.青海省凍土與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，格爾木 816000)

季節(jié)性凍土區(qū)路基凍害一直是困擾道路工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的核心問(wèn)題[1-4]，其主要原因是凍脹作用[5]。關(guān)于路基土的凍脹問(wèn)題，有學(xué)者提出凍土水分遷移假說(shuō)，將毛細(xì)管的作用導(dǎo)致水分遷移與土體凍脹相聯(lián)系，認(rèn)為土體凍脹的關(guān)鍵因素是水分遷移[5-6]。還有研究表明，路基填料中細(xì)顆粒含量和黏土礦物對(duì)凍脹有著至關(guān)重要的影響[7-10]。另外，針對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)鐵路凍害已有多種工程措施，如注漿、鋪鹽、換填、土工膜封閉和疏干排水孔等[11-13]，但是對(duì)于路基含水率變化特征對(duì)凍結(jié)深度影響的理論研究相對(duì)較少。

對(duì)既有鐵路路基采用“隔一挖一”、“隔三挖一”換填級(jí)配碎石等工程整治措施，可以減少土中細(xì)顆粒的比例，有效降低路基的凍脹量，同時(shí)提高路基的承載力；設(shè)置橫向滲溝，可有效降低路基含水率，從而減少路基的凍脹量。通過(guò)研究蘭新鐵路西段路基凍融過(guò)程含水率的變化趨勢(shì)，分析季節(jié)性凍土區(qū)不同工程措施下路基凍融循環(huán)中含水率的變化，探究季節(jié)性凍土區(qū)鐵路路基凍結(jié)深度、凍脹變形與含水率的變化規(guī)律，可為整治季節(jié)性凍土區(qū)鐵路路基凍害措施提供理論依據(jù)。

1 工程概況

蘭新鐵路西段東起烏西站，西至阿拉山口，是連接烏魯木齊、石河子、奎屯、精河經(jīng)濟(jì)區(qū)各城市的交通要道，也是我國(guó)西北鐵路網(wǎng)的重要組成部分，對(duì)整個(gè)新疆地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有巨大的推動(dòng)作用。

蘭新鐵路西段修建于20世紀(jì)80年代，路基填料大多采用粉質(zhì)黏土(強(qiáng)凍脹)填筑，由于地處季節(jié)性凍土區(qū)，投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，路涵(橋)過(guò)渡段和一些低填方路基地段出現(xiàn)了嚴(yán)重的凍害，路基凍害及反復(fù)凍融導(dǎo)致路基強(qiáng)度降低，嚴(yán)重影響線路正常運(yùn)營(yíng)。受列車動(dòng)荷載和降水的影響，局部地段路基沉降病害加劇，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)惡化，危及行車安全。

1.1 氣候特征

蘭新鐵路西段氣候類型屬于溫帶大陸性干旱氣候，冬季漫長(zhǎng)寒冷。蘭新鐵路西段氣溫變化如圖1所示，從1圖可以看出，最低氣溫出現(xiàn)在1月中旬，最高氣溫出現(xiàn)在7月中旬。 從負(fù)溫持續(xù)時(shí)間上來(lái)看，日最低溫度為負(fù)值始于每年的11月，終至來(lái)年3月底。2016.12～2017.12負(fù)溫天數(shù)達(dá)到159 d，從日最低負(fù)積溫上看，氣溫負(fù)積溫達(dá)-1 554～-1 790 ℃·d。

圖1 蘭新鐵路西段氣象資料(2016.12—2017.12)

1.2 工程地質(zhì)特征

蘭新線西段地處亞歐大陸腹地的準(zhǔn)噶爾內(nèi)陸盆地西南緣，天山北麓洪積、沖積傾斜平原的中部和上部地帶，其地表土層以粉質(zhì)黏土為主，夾雜少量礫石，厚度大多在2～20 m，局部厚度小于1.0 m[14]。在路基凍害嚴(yán)重區(qū)段，取代表性土樣進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)，土體物理參數(shù)如表1所示。

表1 典型工點(diǎn)土樣物理參數(shù)

路基是否發(fā)生凍脹主要取決于路基填料的粒徑組成和礦物成分。蘭新線既有路基填料多為就地取材，以粉質(zhì)黏土為主，粉質(zhì)黏土顆粒粒徑小，多呈片狀，比表面積大，親水性強(qiáng)[15]。因此，在冬季容易發(fā)生凍脹變形導(dǎo)致的路基沉降，進(jìn)而影響行車安全。

2 路基病害試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

為了研究蘭新鐵路西段病害嚴(yán)重區(qū)段不同工程措施下路基含水率的變化與凍結(jié)深度的影響規(guī)律，選取里程K2011+000～K2011+100(工點(diǎn)A)、里程K2011+600～K2011+700(工點(diǎn)B)、里程K2012+200～K2011+300(工點(diǎn)C)，分別采取不同工程措施進(jìn)行比較：①工點(diǎn)A不采取工程措施；②工點(diǎn)B每隔三孔軌枕盒開挖一個(gè)橫向滲溝，滲溝采用碎石土夯填，滲溝底部鋪設(shè)土工布，內(nèi)側(cè)軌枕頭位置挖至路基面下80 cm，簡(jiǎn)稱“隔三挖一”，如圖2所示；③工點(diǎn)C每隔一個(gè)孔軌枕盒開挖一個(gè)橫向滲溝，滲溝采用碎石土夯填，滲溝底部鋪設(shè)土工布，簡(jiǎn)稱“隔一挖一”，如圖3所示。

圖2 工點(diǎn)B“隔三挖一”工程措施(單位：cm)

圖3 工點(diǎn)C“隔一挖一”工程措施(單位：cm)

2.2 測(cè)試元件布設(shè)

監(jiān)測(cè)斷面示意如圖4所示，水分傳感器測(cè)得的土壤濕度為土體中液態(tài)水的體積含水率。濕度測(cè)試范圍為 0～100%，測(cè)試精度為±2%，工作環(huán)境為-30 ℃～70 ℃，每12 h記錄一次?，F(xiàn)場(chǎng)布設(shè)如圖5所示。

圖4 監(jiān)測(cè)斷面示意(單位：cm)

圖5 水分探頭現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 路基的含水率分析

路基試驗(yàn)段施工開始于2016年11月初，結(jié)束于11月底，12月3號(hào)開始采集數(shù)據(jù)。各工點(diǎn)含水率變化如圖6～圖8所示。受蘭新鐵路線路走向及周邊地形與農(nóng)田灌溉的影響，工點(diǎn)A、B、C不同位置初始含水率略有差異。

圖6 未設(shè)置工程措施路基含水率

圖7 “隔三挖一”工程措施含水率變化

圖8 “隔一挖一”工程措施含水率變化

從圖6可以看出，工點(diǎn)A路基0.2 m處含水率在2016年12月～2017年2月呈先增大后減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谕诳茁裨O(shè)水分探頭之后，回填填料中摻雜地表積雪，以及回填與周邊土體密實(shí)度存在差異，積雪融化下滲導(dǎo)致該處含水率值偏大。自2月起，含水率從16%增大到25%，之后開始逐漸下降。原因?yàn)楹?10月～次年4月)外界溫度和地溫均較低，且降水呈固態(tài)形式；暖季(4月～9月)環(huán)境溫度逐漸升高，地表積雪融化以及降雨下滲導(dǎo)致含水率增大。6月～10月太陽(yáng)輻射強(qiáng)，地表蒸發(fā)作用劇烈，含水率變化幅度大。

受施工和降雪融化入滲的影響，路基0.4 m處含水率逐漸增大。隨著寒季環(huán)境溫度的降低，路基內(nèi)部水分開始凍結(jié)，含水率急劇下降。2月到7月，隨著氣溫的回升，地表積雪融化下滲， 0.4 m處含水率急劇增大，從15%上升到42%；7月開始，受太陽(yáng)輻射影響，地表蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，0.2 m處含水率迅速減小， 而0.4 m處影響相對(duì)較小，加之此時(shí)降雨增多，故含水率變化不大。路基深度0.6 m處含水率在寒季變化最為明顯，從27%下降到15%。原因是寒季路基0.6 m處液態(tài)水大量?jī)鼋Y(jié)，凍結(jié)鋒面逐漸下移。與此同時(shí)，更深土層對(duì)溫度敏感的滯后性，當(dāng)0.6 m處開始凍結(jié)時(shí)，下部土體溫度還大于0 ℃，路基0.6 m深度以下的自由水在溫度梯度和土水勢(shì)的作用下向凍結(jié)鋒面附近不斷遷移，從而導(dǎo)致0.8 m和1.0 m處含水率逐漸增大。次年2月中旬，0.6 m深度處含水率達(dá)到最低值，此時(shí)該位置已全部?jī)鼋Y(jié)。與此同時(shí)，0.8 m處含水率也逐漸降低并開始凍結(jié)。暖季氣溫逐漸升高，路基凍土融化和地表積雪融化的水在重力作用下下移，當(dāng)某一深度范圍內(nèi)的土體含水率達(dá)到自身持水能力上限時(shí)，該處含水率保持不變，多余的水分繼續(xù)下移，這就是路基1.0 m和1.3 m處4月至10月含水率發(fā)生變化的原因。路基深度1.3 m和1.6 m深度一個(gè)凍融循環(huán)內(nèi)含水率基本保持不變。

從整體上看，寒季路基0.2 m、0.4 m、0.6 m和0.8 m深度范圍內(nèi)的含水率變化較大，其中0.6 m處含水率變化最大(降低了12%)，0.4 m和0.8 m處的含水率減少了7%和3%。1.6 m處含水率幾乎不受環(huán)境變化影響。從一個(gè)凍融循環(huán)來(lái)看，2017年12月路基的含水率較2016年12月均有不同程度增加，增加2.3%～5.3%。

工點(diǎn)B路基不同深度含水率變化如圖7所示，受施工影響，路基自12月28號(hào)重新開始凍結(jié)，對(duì)于路基內(nèi)部土體，其溫度敏感性隨土層深度增加逐漸減小，含水率變化存在明顯的滯后特征：0.2 m處含水率于12月28日開始變化，0.4 m和0.6 m深度含水率分別于1月3日、1月15后開始降低。1月3日～1月17日0.4 m深度處含水率從45%迅速減少到30%。0.6m處含水率從25%降低到20%，減少了5%。0.8 m、1.0 m、1.3 m、1.6 m和1.9 m處的含水率在整個(gè)寒季基本保持不變。暖季路基自上而下開始解凍，同時(shí)地表積雪融化，路基0.2 m、0.4 m處含水率在3月底迅速上升，至4月上旬達(dá)到最大。路基0.6 m處含水率增加幅度較小，自3月底到5月中旬達(dá)到最大。路基0.8 m處含水率到5月初才開始變化。

從整體上看，寒季路基0.2 m、0.4 m和0.6 m深度范圍內(nèi)的含水率變化較大，其中，0.4 m處含水率變化最大，降低了17%；0.6 m和0.8 m處的含水率減少了5%和12%，含水率受溫度影響變化的最大位置和最大深度分別位于在路基0.4 m和0.6 m處。2017年12月路基的含水率與2016年12月持平。

相較于工點(diǎn)A，工點(diǎn)B路基0.2 m、0.4 m和0.6 m處含水率受溫度影響較明顯。當(dāng)環(huán)境溫度開始上升時(shí)，工點(diǎn)A路基 0.2 m、0.4 m和0.6 m處含水率的從開始變化到達(dá)到最大值大約持續(xù)了45 d，而工點(diǎn)B持續(xù)了30 d，同時(shí)含水率-時(shí)間變化曲線斜率較大，含水率增加較快。

工點(diǎn)C路基含水率變化如圖8所示，從圖8可以看出，12月初～3月底，路基0.2 m、0.4 m和0.6 m處含水率的變化最為明顯，其中0.2 m處含水率減少了10%，0.4 m和0.6 m處含水率分別減少了20%、17%。而0.8 m處的含水率在2月至3月間出現(xiàn)了小幅增加。5月～10月，路基0.8 m、1.0 m、1.3 m、1.6 m和1.9 m處的含水率均逐漸減小，降低幅度約5%。采取的工程措施：每隔一個(gè)軌枕盒開挖一個(gè)橫向滲溝，滲溝采用碎石夯填，滲溝底部設(shè)傾角，鋪設(shè)土工布，減少了路基填料中細(xì)顆粒的比例，粗顆粒的粒間空隙大，自由水在列車荷載的作用下可以有效排出路基內(nèi)部水分。

相較于工點(diǎn)B，工點(diǎn)C路基0.2 m、0.4 m和0.6 m處含水率受溫度影響更加明顯。當(dāng)環(huán)境溫度開始上升，路基 0.2 m、0.4 m和0.6 m含水率的增長(zhǎng)更加迅速。

整體上看，寒季路基含水率受溫度影響變化的最大位置和最大深度分別位于路基0.4 m和0.6 m處。

3.2 路基的變形分析

路基的病害整治的目的是消除不均勻變形，保證線路的平順性。在進(jìn)行含水率監(jiān)測(cè)的同時(shí)，對(duì)路基變形也進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，路基的變形曲線如圖9所示。

圖9 路基的凍脹變形過(guò)程

從圖9可以看出，不同的工程措施對(duì)路基的凍脹變形影響差異較大，與未設(shè)置工程措施相比，“隔一挖一”、“隔三挖一”工程措施可以有效減少路基的凍脹變形。未設(shè)置工程措施的路基凍脹量最大為20.1 mm，“隔三挖一”工程措施的凍脹量最大為9.0 mm，“隔一挖一”工程措施的凍脹量最大為5.2 mm。

4 結(jié)論

(1)在未設(shè)置工程措施的工點(diǎn)A，寒季路基0.2 m、0.4 m、0.6 m和0.8 m深度處的含水率變化較大，其中受溫度影響變化的最大位置在路基深度0.6 m處，最大深度在路基深度0.8 m處；受溫度影響，暖季含水率最大的位置在路基深度0.6 m處，最大深度在路基深度1.0 m處(一年的含水率變化在2%以內(nèi))。一個(gè)凍融循環(huán)結(jié)束后，整體含水率呈上升趨勢(shì)，增加了2.3%～5.3%。

(2)在“隔三挖一”工程措施的工點(diǎn)B，寒季0.4 m處含水率變化最大(減少了20%)，含水率受溫度影響變化量最大位置和最大深度分別位于路基0.4 m和0.6 m處。經(jīng)過(guò)一個(gè)凍融循環(huán)，整體含水率基本保持不變，與未設(shè)置工程措施的工點(diǎn)A 比較，“隔三挖一”的工程措施可以降低路基含水率。

(3)在“隔一挖一”工程措施的工點(diǎn)C，寒季0.4 m處含水率降低了15%，含水率受溫度影響變化的最大位置和最大深度分別位于在路基0.4 m和0.6 m處。經(jīng)過(guò)一個(gè)凍融循環(huán)，整體含水率有所下降，減小了5%左右，故“隔一挖一”的工程措施降低路基含水率的效果最優(yōu)。

(4)綜合分析三處工點(diǎn)含水率受溫度影響變化量最大位置和最大深度，蘭新鐵路路基病害整治措施應(yīng)著重關(guān)注路基0.8 m以上路基本體的顆粒組成和含水率。與未設(shè)置工程措施相比，“隔一挖一”、“隔三挖一”工程措施可以有效減少路基的凍脹變形。 “隔三挖一”工程措施的凍脹量減少約50%，“隔一挖一”工程措施的凍脹量減少約75%。