季節(jié)凍土區(qū)高速鐵路路基凍脹特性研究

顏慶宇

（中鐵建貴州建設(shè)有限公司，貴陽 550000）

1 引言

凍土是一種低于0℃且含有冰的土巖【1】。根據(jù)凍土存在時(shí)間的長短可分為多年凍土和季節(jié)凍土。隨著鐵路事業(yè)的高速發(fā)展，越來越多的鐵路線穿越季節(jié)凍土區(qū)，當(dāng)溫度降到負(fù)溫后，由凍脹變形引起的一系列問題將嚴(yán)重影響鐵路行車安全，同時(shí)，也是鐵路修建、運(yùn)營和維護(hù)保養(yǎng)時(shí)面臨的一大難題。尤其對(duì)于高速鐵路，針對(duì)鐵路軌道穩(wěn)定性和平穩(wěn)性要求更高，需嚴(yán)格控制路基凍脹量。

2 凍脹特點(diǎn)

我國鐵路線路長、跨度廣，涵蓋多種氣候及地質(zhì)條件，季節(jié)凍土路基凍脹特點(diǎn)也有所差異。季節(jié)性凍土區(qū)的鐵路路基凍脹一般涉及3 個(gè)階段：快速凍脹、穩(wěn)定凍脹、凍脹回落，時(shí)間一般從11 月初到次年3 月中旬。從凍脹量大小來看，一般情況下路塹＞路堤＞過渡段。東北等寒區(qū)由于凍期長、晝夜溫差大、凍結(jié)指數(shù)大等原因，凍脹性大于華北、華中等地區(qū)且易發(fā)生不均勻凍脹，影響整體行車的安全性。

3 凍脹主要影響因素

3.1 土質(zhì)

土顆粒的大小是影響路基凍脹的主要特征，粗粒土與水的結(jié)合能力較弱，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)粒徑小于0.05mm 的土粒質(zhì)量小于或等于總土粒質(zhì)量的6%時(shí)，此時(shí)的土為非凍脹性土，當(dāng)大于總土重的6%時(shí)為凍脹性土【2】。凍脹敏感性土容易產(chǎn)生凍脹，土體中細(xì)粒含量占比越大，土的凍脹敏感性越大，土體的凍脹率隨著土體中細(xì)顆粒占比的增加而增大。粒徑為0.002~0.05mm 時(shí)具有最大凍脹率，當(dāng)土體顆粒小于0.002mm 時(shí)，凍脹率逐漸減小。土體的種類不同，凍脹性不同，一般情況下粉質(zhì)土＞黏土＞粗砂＞砂礫土。根據(jù)礦物成分，土體凍脹性大小為：高嶺土＞伊利水云母土＞蒙脫土。

土的凍脹量與土體密度也有一定關(guān)系，密度較小時(shí)，土顆粒之間可膨脹的空間越大，顆粒之間產(chǎn)生的位移越小，從而凍脹量越小。隨密度的增加，凍脹量逐漸增加，當(dāng)達(dá)到某一值時(shí)，凍脹量將達(dá)到最大值，接下來隨密度的增加，土顆粒之間孔隙越來越小，約束水分遷移，凍脹量逐漸減小。

3.2 含水量

水分遷移對(duì)熱量傳遞和凍結(jié)鋒面的形成有重大影響，季節(jié)凍土區(qū)，當(dāng)路基土體的溫度下降至0℃以下，土體中的水分逐漸形成冰透鏡體，進(jìn)一步引起土顆粒之間的相對(duì)位移，造成土體膨脹。同時(shí)，在熱力學(xué)影響下，土體中的未凍水移動(dòng)至凍結(jié)鋒面，進(jìn)而致使凍結(jié)鋒面下移，凍深增大，直到達(dá)到最大值。土體凍脹根據(jù)凍脹機(jī)理可分為原位凍脹和分凝凍脹，原位凍脹是孔隙水在凍結(jié)鋒面上形成分凝冰，體積增大9%，分凝凍脹是水分遷移在凍結(jié)鋒面后面，體積增大109%。同時(shí)，當(dāng)土體處于封閉系統(tǒng)中時(shí)，土體凍脹主要取決于初始含水量。此外，路基土體中的含水量還受地下水位高低的影響，當(dāng)路基處于封閉系統(tǒng)中時(shí)，路基的凍脹受土體中含水率的影響，產(chǎn)生原位凍結(jié)；當(dāng)有地下水補(bǔ)給時(shí)，凍結(jié)期內(nèi)冰透鏡體不斷增大。

3.3 溫度

溫度是土體凍脹變形的直接因素，當(dāng)氣溫剛開始降低時(shí)，路基表層會(huì)出現(xiàn)反復(fù)凍融現(xiàn)象，當(dāng)氣溫迅速降低到0℃以下并長期在0℃以下時(shí)，凍結(jié)深度和凍脹量會(huì)迅速增長，當(dāng)溫度降低到-20℃后，隨著溫度的降低，凍脹量將緩慢增長直到凍脹增長量達(dá)到穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)【3】。在氣溫開始逐漸回升到達(dá)0℃時(shí)達(dá)到最大凍結(jié)溫度，超過0℃后隨著溫度的升高，路基表層開始逐漸向下融化，凍結(jié)線開始向上移動(dòng)，雙向融化，直到路基全部融化。凍結(jié)深度隨著逐日積溫負(fù)溫的增大而增大。

3.4 荷載

在附加荷載作用下，可以增加土體密實(shí)度影響土體水分遷移速率，進(jìn)而使得外部荷載對(duì)土樣的凍脹變形產(chǎn)生抑制效果。通過室外試驗(yàn)，研究了外部荷載和地基土的凍脹關(guān)系，得出荷載與凍脹量曲線呈指數(shù)關(guān)系，荷載越大凍脹量越小。田亞護(hù)等【4】對(duì)包蘭線路基土進(jìn)行凍脹試驗(yàn)，模擬列車荷載作用下的路基凍脹變形情況，在無荷載施加的情況下土體的凍脹率大于有荷載施加情況下的凍脹率，同時(shí)，增加外部荷載會(huì)使土體的凍脹率減小，附加荷載幾乎不影響粉質(zhì)土的凍脹。

4 防護(hù)措施

當(dāng)路基凍脹變形達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)對(duì)車輛行駛造成一定的威脅，所以在修建和維護(hù)過程中需要采取一些防護(hù)措施。

4.1 設(shè)置保溫層

當(dāng)溫度降到0℃以下時(shí)路基才會(huì)產(chǎn)生凍脹，在路基中設(shè)置保溫層可以在一定程度上減弱路基與外界的熱交換，控制負(fù)溫向路基傳遞，降低凍結(jié)深度，減弱凍脹危害。近年來，保溫法被廣泛應(yīng)用于路基凍脹防治中，目前常用的保溫材料是聚乙烯泡沫材料，根據(jù)生產(chǎn)方式不同分為EPS 板和XPS 板。室內(nèi)模型試驗(yàn)在層厚不同保溫板下對(duì)路基AB 組填料經(jīng)過多次凍融循環(huán)，試驗(yàn)表明，XPS 保溫板隔溫效果良好，厚度越大，效果越好。

4.2 改良路基填料

在季節(jié)凍土區(qū)，路基變形要滿足相關(guān)規(guī)范，高鐵路基基床優(yōu)先使用細(xì)粒含量小于5%的A、B 組防凍填料或改良土料。實(shí)際工程中有些天然填料不能滿足工程要求，所以需要改良路基填料以滿足防凍脹要求。許健等【5】以哈大鐵路路基A、B組填料為研究對(duì)象，室內(nèi)研究試驗(yàn)表明，路基填料中粉黏粒含量增加，增強(qiáng)土粒之間的毛細(xì)作用，凍結(jié)時(shí)毛細(xì)水向凍結(jié)鋒面遷移增加凍結(jié)系數(shù)，通過更換A、B 組中填料使其不含粉黏粒，結(jié)果證明路基凍脹明顯減弱。

4.3 改良水分條件

改良水分條件可以采取防水措施、排水措施和隔水措施。防水措施主要是防止路基表面下水向下滲透，哈大鐵路路基表面采取纖維混凝土防水層并對(duì)路基和軌道地板接縫處進(jìn)行封閉處理；地下水補(bǔ)給使路基凍脹嚴(yán)重，設(shè)置排水溝、排水側(cè)溝、滲管、排水槽等排水設(shè)施，降低地下水水位，控制路床含水量，減少凍區(qū)水分富集，從而有效控制路基凍脹。當(dāng)?shù)叵滤疄闇\層地下水時(shí)可以設(shè)置隔水層防止地下水進(jìn)入地基。隔水層主要包括透水隔水層與不透水隔水層，透水隔水層的厚度為0.1～0.2m，主要使用粗砂、礫石等；不透水隔水層又包括封閉式與不封閉性，通常使用柏油、瀝青、塑料薄膜等材料，厚度為2.5～3.0m。

4.4 人工鹽化路基

將鹽溶液注入土體后可以減弱土顆粒的表面力和毛細(xì)作用，從而抑制土體水分遷移速率，因此降低土體的凍結(jié)溫度、增大未凍水含量，當(dāng)溫度降低時(shí)部分鹽從溶液中析出產(chǎn)生結(jié)晶。在開放系統(tǒng)下進(jìn)行單向凍結(jié)試驗(yàn)證明，土體變形以凍脹為主，鹽脹量幾乎不計(jì)。

因此，人工鹽化路基簡(jiǎn)單、方便是防治凍脹的措施之一。沈陽鐵路局在遼陽、丹東、章黨等工務(wù)段采取注鹽法，有效治理凍害。雖然人工注鹽法可以在一定程度上防治路基凍脹危害，但并不能根除，而且土體的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著含鹽量的增加而減少，所以應(yīng)該根據(jù)工程要求合理控制用鹽量。

4.5 抬道法

在地表水比較豐富的地區(qū)，地下水水位高，路基離地下水近時(shí)可以通過抬高路基增加與地下水之間的距離，減少地下水對(duì)路基的水分補(bǔ)給，控制凍脹量。

5 結(jié)語

凍脹是寒區(qū)高速鐵路修建過程中不可避免的問題。土質(zhì)、水、溫度是影響路基凍脹的主要因素。通過改良路基填料、控制水分條件、設(shè)置保溫層等方法在一定程度上可以控制和減輕路基凍脹。在接下來的寒區(qū)鐵路工程建設(shè)中，要更加注重土質(zhì)、水分、溫度對(duì)凍脹的影響，加強(qiáng)凍脹檢測(cè)系統(tǒng)研究，總結(jié)凍脹規(guī)律，為今后寒區(qū)高速鐵路抗凍脹結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供借鑒。