重載鐵路路基凍害的防治措施效果分析

張棟 閆嘯坤 曾帥 鄧逆濤 劉景宇 張新岡

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.國(guó)能運(yùn)輸技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，北京100080

重載鐵路路基的凍害會(huì)導(dǎo)致路基結(jié)構(gòu)劣化，變形加劇，基床表層、支承層和軌道板相互脫離，嚴(yán)重威脅線路安全運(yùn)營(yíng)［1-5］。我國(guó)是世界第三凍土大國(guó)，季節(jié)性凍土和多年凍土分布面積達(dá)到720.6萬(wàn)km2，占國(guó)土面積的74.8%，因此重載鐵路路基的凍脹病害及整治措施的研究越來(lái)越受到關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)凍脹理論的研究表明，必須同時(shí)滿足3個(gè)條件才會(huì)發(fā)生凍脹：①具有凍脹敏感性土；②路基中含有一定的水分，或者地下水位較高；③外界空氣溫度低于冰點(diǎn)。因此，對(duì)凍脹病害的防治主要從凍脹形成條件入手。在改良土質(zhì)方面，文獻(xiàn)［6-7］發(fā)現(xiàn)相比于細(xì)顆粒填料，粗顆粒填料可明顯降低路基凍脹。文獻(xiàn)［8］通過(guò)熱力耦合理論分析，得出青藏鐵路多年凍土區(qū)路基排水渠道周圍換填非凍脹土可使其穩(wěn)定性顯著提高。在控制水分方面，文獻(xiàn)［9］闡明了應(yīng)用土工膜緩解季凍區(qū)鐵路路基凍脹的基本原理，并對(duì)其緩解路基凍脹的效果做了研究。文獻(xiàn)［10］針對(duì)高寒區(qū)隧道襯砌凍害，提出了新型防水、排水措施。文獻(xiàn)［11］分析了含水率對(duì)鐵路路基凍害的影響，并優(yōu)化了路基施工方式，有效降低了路基凍脹變形量。在控制溫度方面，文獻(xiàn)［12-13］分析了以保溫板為基礎(chǔ)的凍害防治措施的凍脹變形，驗(yàn)證了保溫板+瀝青混凝土路面+碎石路基組合結(jié)構(gòu)在凍害整治方面的效果。文獻(xiàn)［14-16］提出了鋪設(shè)聚苯乙烯隔熱層、摻加粗顆粒填料、提高填料的含鹽量等方式，有效地解決了鐵路路基凍害問(wèn)題。

關(guān)于重載鐵路路基防凍脹措施的研究主要集中于工程應(yīng)用，在不同措施的防凍脹機(jī)理、適用條件和效果對(duì)比方面成果較少，還需做進(jìn)一步研究。不斷增長(zhǎng)的交通運(yùn)輸量及運(yùn)輸實(shí)效性的需求，使得重載鐵路路基的要求越來(lái)越高。本文以朔黃重載鐵路路基凍害段為研究對(duì)象，開展單向凍結(jié)室內(nèi)試驗(yàn)，研究應(yīng)力釋放孔的孔深、孔洞率和填充材料彈性模量對(duì)路基凍脹變形的影響；建立三維地下水動(dòng)態(tài)滲流模型，分析井點(diǎn)降水法中抽水井布置間距對(duì)路基凍脹變形的影響；以凍脹緩解率為指標(biāo)，對(duì)比應(yīng)力釋放孔和井點(diǎn)降水兩種措施緩解路基凍脹的效果。研究成果可為今后重載鐵路路基凍脹處理提供指導(dǎo)意見。

1 工程條件及填料分析

朔黃（朔州—黃驊）重載鐵路為國(guó)家Ⅰ級(jí)干線雙線電氣化重載鐵路，全長(zhǎng)588 km，穿行通過(guò)季節(jié)性凍土區(qū)域，凍害現(xiàn)象嚴(yán)重，凍脹變形量在15～60 mm，呈現(xiàn)出很明顯的不均勻性，嚴(yán)重威脅著行車的安全。選取其中某個(gè)凍害區(qū)域作為研究區(qū)域。

1.1 工程條件

研究區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，冬季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且氣溫較低，平均氣溫-3.8～-2.1℃，1月份的平均氣溫最低。據(jù)調(diào)研，2017年1月的最冷氣溫約為-14.5℃，月平均氣溫為-10.5℃。

凍害段覆蓋地層自上而下可分為4層，分別為粉土層、粉砂土層、粉質(zhì)黏土層和泥質(zhì)灰?guī)r層。其中粉質(zhì)黏土層的滲透系數(shù)較小，視為不透水層。研究區(qū)域的平均降雨量約為481.3 mm，呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)特征，主要表現(xiàn)為夏季降雨豐富集中，春秋冬三季降雨相對(duì)匱乏?？辈炱陂g地下水位埋深為0.2～0.4 m。冬季過(guò)冷的溫度和較高的地下水位導(dǎo)致該區(qū)域凍害嚴(yán)重。

1.2 填料特性

土樣選取自研究區(qū)域路基基床的表層、底層以及基底位置，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、土粒相對(duì)密度試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)以及三軸試驗(yàn)五項(xiàng)基本特性試驗(yàn)。通過(guò)基本特性試驗(yàn)得出填料的含水率為18%，最大干密度為1.886 g/cm3，液限為25.2%，塑性指數(shù)為8，土粒相對(duì)密度為2.753，圍壓200 kPa、壓實(shí)系數(shù)0.93條件下填料的彈性模量為11.423 MPa，填料屬于低液限粉土。

2 應(yīng)力釋放孔緩解路基凍脹效果分析

土體凍脹過(guò)程中產(chǎn)生凍脹應(yīng)力，若消散不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致路基面產(chǎn)生不均勻凍脹變形。在土體中設(shè)置應(yīng)力釋放孔，凍脹應(yīng)力可以通過(guò)釋放孔得到釋放，避免路基產(chǎn)生凍脹變形。

2.1 試驗(yàn)介紹

試驗(yàn)采用單向凍結(jié)試驗(yàn)儀，包含有機(jī)玻璃試樣筒、冷浴循環(huán)機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集儀等，如圖1所示。其中，試樣筒規(guī)格為直徑100 mm、高度150 mm，冷浴控溫精度為±0.01℃，位移百分表精度為±0.01 mm。

圖1 單向凍結(jié)試驗(yàn)儀

制備試驗(yàn)土樣時(shí)，將土樣分五層壓實(shí)放入試樣筒中壓實(shí)，并在土樣中心設(shè)置一定孔徑的應(yīng)力釋放孔。應(yīng)力釋放孔內(nèi)的填充材料預(yù)先在固定孔徑的PVC管內(nèi)制得，土樣壓實(shí)并制得應(yīng)力釋放孔后，將填充材料放入。橡膠顆粒目前廣泛應(yīng)用于公路工程中，結(jié)合瀝青材料，具有良好的彈性性能、溫度穩(wěn)定性和抗老化性［17］。本文選取橡膠顆粒為填充材料的骨架材料，同時(shí)加入纖維材料與瀝青混合增加材料間的黏結(jié)。填充材料的彈性模型通過(guò)調(diào)整各組分之間的配比進(jìn)行控制。

制備的土樣壓實(shí)系數(shù)為0.93，初始含水率為20.7%，試驗(yàn)開始前將土樣置于低溫室內(nèi)，在環(huán)境溫度1℃條件下恒溫穩(wěn)定，排除外界環(huán)境溫度對(duì)土樣的干擾。由于凍害區(qū)域的冬季平均氣溫-3.8～-2.1℃，因此模型冷端（土樣頂端）溫度選取-3.0℃。凍結(jié)試驗(yàn)開始時(shí)，暖端（土樣底端）溫度保持不變，冷端溫度設(shè)置為-3.0℃，72 h后試驗(yàn)停止。

2.2 結(jié)果分析

采用凍脹變形量和凍脹率評(píng)價(jià)分析土樣的凍脹程度，其中凍脹率定義為凍結(jié)時(shí)間內(nèi)凍脹變形量與凍結(jié)深度的比值。依據(jù)GB 50324—2014《凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，凍脹率小于1%視為不凍脹，凍脹率大于1%小于3.5%視為弱凍脹，凍脹率大于3.5%小于6%視為凍脹?？锥绰蕿閼?yīng)力釋放孔截面積與土樣截面積的比值，即［（πr2）/（πR2）］×100%，其中r為孔洞的半徑，R為土樣的半徑。

孔深100 mm、填充材料彈性模量3.0 MPa條件下土樣凍脹變形量和凍脹率隨孔洞率的變化曲線見圖2?？傻茫孩俸侠淼膽?yīng)力釋放孔布置可明顯緩解凍脹。②凍脹變形量和凍脹率隨孔洞率的增大而減小。③孔洞率越大，土樣凍結(jié)過(guò)程中可收縮變形的空間越大。當(dāng)孔洞率為1.5%～3.5%時(shí)，對(duì)土柱凍脹的緩解效果更為明顯；當(dāng)孔洞率高于3.3%后，土柱基本不發(fā)生凍脹。

圖2 凍脹變形量和凍脹率隨孔洞率變化曲線

孔洞率4.0%、填充材料彈性模量3.0 MPa條件下土樣凍脹變形量和凍脹率隨應(yīng)力釋放孔深度的變化曲線見圖3?？傻茫簝雒涀冃瘟亢蛢雒浡孰S孔深的增大先減小后增大。當(dāng)孔深小于凍結(jié)深度時(shí)，隨孔深的增大，凍脹緩解效果越來(lái)越好；當(dāng)孔深大于凍結(jié)深度時(shí)，孔深的變化對(duì)凍脹緩解效果影響不大，說(shuō)明將孔深控制在凍結(jié)深度左右能夠最大效率地發(fā)揮應(yīng)力釋放孔的工作效能。

圖3 凍脹變形量和凍脹率隨應(yīng)力釋放孔深度變化曲線

孔洞率4.0%、孔深100 mm條件下土樣凍脹變形量隨填充材料彈性模量的變化曲線見圖4?？傻茫弘S彈性模量的增加，凍脹變形量增大，增大速率呈現(xiàn)慢-快-慢的趨勢(shì)。當(dāng)彈性模量接近土樣本身的彈性模量時(shí)，土樣的凍脹變形較為明顯，應(yīng)力釋放孔幾乎沒(méi)有緩解凍脹的效果；當(dāng)彈性模量約為土樣本身彈性模量的1/4～1/2時(shí)，緩解凍脹現(xiàn)象的效果比較明顯?？梢姡^小的彈性模量可以明顯緩解土樣的凍脹變形。

圖4 凍脹變形量隨填充材料彈性模量變化曲線

3 井點(diǎn)降水法緩解路基凍脹效果分析

在地下水位較高、土體顆粒粒徑較小的凍土地區(qū)，路基在聚冰作用與毛細(xì)作用聯(lián)合作用下產(chǎn)生顯著的凍脹，井點(diǎn)降水法可通過(guò)快速降低地下水位使土中毛細(xì)帶降至路基凍結(jié)深度以下，避免地下水和毛細(xì)水對(duì)路基的影響，抑制路基凍脹。

3.1 模型建立

采用Visual MODFLOW Flex軟件建立研究區(qū)域的地下水動(dòng)態(tài)滲流模型，如圖5所示。模型高度和地下水位高度采用相對(duì)高度，以模型底面為參考，高度定為0。模型長(zhǎng)600 m，寬200 m，由上至下劃分為四層，各層厚度和材料屬性按照勘察結(jié)果進(jìn)行構(gòu)建，模型最高處高度為60.0 m，最低處高度為43.6 m。

圖5 地下水動(dòng)態(tài)滲流模型（單位：m）

抽水井采用潛水完整井，沿線路方向按一定間隔布置于路基側(cè)溝外側(cè)，距側(cè)溝0.7 m，抽水速率為800 m3/d，如圖6所示。沿線路方向的抽水井布置間距（以下簡(jiǎn)稱布置間距）不同，會(huì)導(dǎo)致地下水降落曲線不同，進(jìn)而產(chǎn)生不同的地下水位變化和路基凍脹緩解效果。依據(jù)GB 50202—2018《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》，井點(diǎn)降水系統(tǒng)布置時(shí)，間距為20～40 m。因此選取了21、24、27、30、33、36、39、42、45 m九個(gè)布置間距。

圖6 模型中抽水井（單位：m）

利用地下水動(dòng)態(tài)滲流模型計(jì)算出不同工況下的地下水位，并按照第1.2節(jié)中檢測(cè)的填料屬性建立水熱力耦合模型，將地下水位數(shù)據(jù)導(dǎo)入耦合模型，計(jì)算出不同地下水位工況下的路基凍脹情況，分析井點(diǎn)降水法緩解路基凍脹的效果。

3.2 結(jié)果分析

選取研究區(qū)域凍脹嚴(yán)重位置開展地下水位觀測(cè)，進(jìn)而研究井點(diǎn)降水法的降水效果和緩解凍脹效果。地下水位隨抽水時(shí)間的變化曲線見圖7?？傻茫壕c(diǎn)降水法中合理的抽水井布置可取得顯著的降水效果；地下水位下降可分為急降、緩降和穩(wěn)定三個(gè)過(guò)程；隨著布置間距的減小，地下水位的下降高度和下降速率增大，且增大幅度增加。抽水結(jié)束后，布置間距24、30、36 m的地下水位分別下降了4.16、3.03、2.43 m。相比于布置間距24 m，布置間距30、36 m的地下水位下降高度分別減小了27.2%和41.6%。

圖7 地下水位高度隨抽水時(shí)間的變化曲線

路基凍脹變形量隨布置間距的變化曲線見圖8?？傻茫壕c(diǎn)降水法中合理的抽水井布置間距可明顯緩解路基凍脹；凍脹變形量隨布置間距的增大而增大，增大速率呈慢-快-慢的特點(diǎn)。當(dāng)布置間距小于24 m時(shí)，地下水位降低至安全高度，路基不發(fā)生凍脹；布置間距在24～33 m時(shí)緩解凍脹現(xiàn)象的效果比較明顯；當(dāng)布置間距繼續(xù)增大至45 m時(shí)，路基凍脹較為明顯，井點(diǎn)降水法對(duì)凍脹現(xiàn)象幾乎沒(méi)有緩解效果。

圖8 路基凍脹變形量隨布置間距變化曲線

4 措施對(duì)比與分析

采用措施前后的凍脹變形量之差與采用措施前的凍脹變形量的比值，稱為此措施的凍脹緩解率，可用于對(duì)比應(yīng)力釋放孔和井點(diǎn)降水法對(duì)路基凍脹的緩解程度。凍脹緩解率越大，表明措施緩解路基凍脹的效果越好［18］。

圖9（a）為應(yīng)力釋放孔緩解路基凍脹時(shí)，凍脹緩解率隨孔洞率的緩解曲線，圖9（b）為井點(diǎn)降水法中凍脹緩解率隨布置間距的變化曲線?？傻茫簯?yīng)力釋放孔的凍脹緩解率整體高于井點(diǎn)降水法；井點(diǎn)降水法的凍脹緩解率可達(dá)到100%，應(yīng)力釋放孔達(dá)不到這種效果。

圖9 凍脹緩解率變化曲線

抽水井布置間距的減小，應(yīng)力釋放孔孔洞率和孔深的增加，均會(huì)降低路基穩(wěn)定性，造成路基坍塌，影響鐵路安全運(yùn)營(yíng)。鑒于應(yīng)力釋放孔的凍脹緩解率整體高于井點(diǎn)降水法，在施工有限制或路基穩(wěn)定系數(shù)較小的情況下，應(yīng)力釋放孔為緩解路基凍脹的最佳選擇。但在地下水位較高的情況下，井點(diǎn)降水法為緩解路基凍脹的最佳選擇。

5 結(jié)論與建議

1）應(yīng)力釋放孔和井點(diǎn)降水法均能緩解路基凍脹，緩解效果和釋放孔、抽水井的設(shè)置參數(shù)有關(guān)。

2）利用應(yīng)力釋放孔緩解路基凍脹，凍脹變形量和凍脹率隨孔洞率的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，隨孔深的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，隨填充材料彈性模量的增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

3）為使應(yīng)力釋放孔發(fā)揮最大的緩解凍脹效能，孔洞率應(yīng)在1.5%～3.5%，孔深應(yīng)控制在路基凍結(jié)深度左右，填充材料的彈性模量應(yīng)為路基填料彈性模量的1/4～1/2。

4）利用井點(diǎn)降水法緩解路基凍脹，地下水的下降高度和下降速率隨抽水井布置間距的增大而減小，凍脹變形量隨布置間距的增大而增大，增大速率呈慢-快-慢的特點(diǎn)。較小的布置間距會(huì)導(dǎo)致路基穩(wěn)定性降低。

5）應(yīng)力4體高于井點(diǎn)降水法。但在特殊情況下，井點(diǎn)降水法的凍脹緩解率可達(dá)到100%，路基不發(fā)生凍脹，應(yīng)力釋放孔達(dá)不到這種緩解凍脹效果。

建議在施工有限制或路基穩(wěn)定系數(shù)較小的情況下，選擇應(yīng)力釋放孔作為緩解路基凍脹的措施；但在地下水位較高的情況下，選擇井點(diǎn)降水法作為緩解路基凍脹的措施。