高寒凍融區(qū)高速鐵路路塹工程溫度場特性分析

亓守臣

中鐵十四局集團(tuán)有限公司，濟(jì)南250101

每年季節(jié)性凍土經(jīng)歷的凍融循環(huán)作用將引起路基內(nèi)部水分場、溫度場和位移場的變化和重分布，導(dǎo)致路基承載力下降，產(chǎn)生凍脹融沉、翻漿冒泥、基床土體松散、局部沉陷等病害。這些病害將嚴(yán)重影響行車質(zhì)量，甚至威脅行車安全。國內(nèi)自20世紀(jì)50年代末開始研究季節(jié)性凍土的凍脹，經(jīng)過半個多世紀(jì)，在凍脹量、凍脹機(jī)理等方面取得了很大進(jìn)展，得出了季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度的確定方法［1］，提出了季節(jié)性凍土的工程分類方法［2-5］，探索了凍脹量沿凍結(jié)深度的分布。葉陽升等［6］對鐵路路基填料防凍脹特性進(jìn)行了全面的研究，建議在凍土區(qū)設(shè)置路基防凍層，并提出了防凍層填料細(xì)粒土含量的限值。上述研究大多是針對季節(jié)性凍土區(qū)普通鐵路的。普通鐵路行車速度慢，對變形限值較寬松，發(fā)生凍害時可以利用行車間隔進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)。但是，目前我國高速鐵路進(jìn)入跨越式發(fā)展階段，對路基的沉降變形限制非常嚴(yán)格，要求路基工后沉降不超過15 mm，過渡段沉降差不大于5 mm，縱向不平順不大于1/1 000，軌道高低不平順不超過2 mm（20 m弦長）。

在季節(jié)性凍土區(qū)，除了工后沉降的影響，季節(jié)性凍土的凍脹變形也對高速行駛的列車形成威脅。聶志紅等［7］通過室內(nèi)試驗研究了細(xì)顆粒含量、孔隙率和含水率對級配碎石凍脹的影響規(guī)律，得出三者對級配碎石凍脹影響程度的大小關(guān)系為：細(xì)顆粒含量<孔隙率<含水率。邰博文等［8-11］通過現(xiàn)場原位試驗揭示了寒區(qū)高速鐵路路基中的溫度、含水率與凍脹變形隨時空演變的內(nèi)在機(jī)理。田亞護(hù)等［12］采用有限元方法對季節(jié)性凍土區(qū)既有鐵路和新建客運專線無砟軌道路基設(shè)置隔熱層后的路基溫度場進(jìn)行了對比分析，認(rèn)為新建路基在路面鋪設(shè)保溫隔熱材料后保溫效果良好。趙國堂［13］將軌道不平順和無砟軌道結(jié)構(gòu)傷損控制所對應(yīng)的凍脹波長與峰值結(jié)合起來，提出了寒區(qū)高速鐵路無砟軌道路基凍脹管理標(biāo)準(zhǔn)的確定方法。

上述研究主要是針對季節(jié)性凍土區(qū)普通鐵路、高速鐵路路基產(chǎn)生凍脹的影響因素和凍脹變化規(guī)律的研究，但關(guān)于深季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路塹工程溫度場演變特性的研究成果較少。因此，本文依托我國首條高寒深季節(jié)性凍土區(qū)牡丹江—佳木斯高速鐵路工程，深入研究寒區(qū)高速鐵路路塹工程的溫度場，為確保寒區(qū)高速鐵路的長期安全運營提供技術(shù)支持。

1 試驗設(shè)置

為了研究高寒深季節(jié)性凍土區(qū)級配碎石和粗粒土作為基床填料時路塹工程溫度場的變化特性，選取高寒凍土區(qū)牡佳高速鐵路樺南段DK234+200（1#）和DK234+250（2#）為典型路塹試驗斷面，監(jiān)測儀器布置如圖1所示。

圖1 典型路塹試驗段斷面監(jiān)測儀器布置示意

牡佳高速鐵路樺南段典型路塹工程溫度場動態(tài)測試系統(tǒng)由5個8.5 m長的熱敏電阻串（圖1中藍(lán)色線所示）組成，用于監(jiān)控路塹斷面不同位置的溫度，熱敏電阻的精度為±0.05℃。熱敏電阻串分別放置在8.5 m長的鋼管內(nèi)，以防止水侵蝕失效。根據(jù)鉆探資料，沿線天然地面的最大季節(jié)凍結(jié)深度為2.3 m。所有監(jiān)測數(shù)據(jù)均使用全自動數(shù)據(jù)采集儀收集，每月讀取10次。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放置在40 cm×40 cm×60 cm特制鋼箱內(nèi)，由太陽能供電裝置持續(xù)供電。

2 試驗分析

2.1 凍融過程分析

兩個試驗斷面的路塹中心（級配碎石和粗粒土）和天然坡頂（粉土）凍結(jié)深度隨時間和空間的變化曲線見圖2。可知：路塹中心的初始凍結(jié)時間和初始融化時間均晚于天然坡頂?shù)某跏純鼋Y(jié)時間和融化時間。造成這種差異的主要原因是：①路塹填料的顆粒粒徑大于天然坡頂粉土，導(dǎo)熱系數(shù)比天然坡頂粉土的大，導(dǎo)致路塹的凍結(jié)深度大于天然坡頂；②根據(jù)現(xiàn)場鉆孔資料可知，路塹填料的初始含水率小于天然坡頂粉土，而土的凍結(jié)深度與含水率的平方根成反比，這將導(dǎo)致路塹內(nèi)部凍結(jié)深度大于天然坡頂。同時，路塹中心的凍結(jié)周期較短，且其凍結(jié)深度大于天然坡頂，這意味著路塹中心的凍結(jié)速率大于天然坡頂。

圖2 不同試驗斷面凍結(jié)深度隨時空的變化曲線

兩個路塹斷面在3月中旬（最大季節(jié)凍結(jié)深度時刻）的凍融界面見圖3?？芍?#路塹左側(cè)邊坡的最大凍結(jié)深度大于右側(cè)邊坡。主要原因是該試驗段在寒季的主風(fēng)向為西北風(fēng)（即從路塹右側(cè)邊坡吹向左側(cè)邊坡），這將導(dǎo)致左側(cè)邊坡吸收更多的冷量；加之線路走向角為西南向，線路存在顯著的陰陽坡現(xiàn)象，這將導(dǎo)致路塹左側(cè)邊坡的日照量小于右側(cè)邊坡。對于深季節(jié)性凍土區(qū)的構(gòu)筑物，無論是天然地面還是路基工程，凍結(jié)過程均為地表向下的單向凍結(jié)，而融化過程則是由地表向下和由最大凍結(jié)深度向上的雙向融化，但融化過程主要以由地表向下融化為主。

圖3 路塹斷面在最大季節(jié)凍結(jié)深度時刻的溫度（單位：℃）

2.2 地溫沿深度變化

深季節(jié)性凍土區(qū)兩個路塹中心在全季節(jié)內(nèi)地溫沿深度的一般變化特征見圖4。可知：①在深季節(jié)性凍土區(qū)地表至最大季節(jié)凍結(jié)深度范圍內(nèi)，地溫變化劇烈，且隨深度的增大，地溫變化的幅度逐漸減小。這一范圍內(nèi)的土層將直接影響土體水分遷移的方向和強(qiáng)度。②最大季節(jié)凍結(jié)深度到年地溫變化深度范圍內(nèi)，地溫隨深度的增加其變化幅度逐漸變小。由此可以預(yù)估在年變化深度以下，地溫基本不隨時間變化，僅與外界長期氣候的變化有關(guān)。③深季節(jié)性凍土區(qū)的路塹工程還存在季節(jié)凍結(jié)層，寒冷季節(jié)從地表向下凍結(jié)，暖季從地表和最大季節(jié)凍結(jié)深度發(fā)生雙向融化。

圖4 深季節(jié)性凍土區(qū)路塹中心在全季節(jié)內(nèi)地溫沿深度的一般變化特征

季節(jié)凍結(jié)層的地溫在0℃上下波動，這種波動將對土體內(nèi)部的一系列物理力學(xué)狀態(tài)、相變潛熱的釋放和吸收以及冰的離析產(chǎn)生重要影響。因此，對于深季節(jié)性凍土區(qū)路基工程的抗凍脹防治措施的研究，其季節(jié)性凍融層的時空發(fā)展過程、溫度狀況和厚度是關(guān)鍵。因此，在這類地區(qū)，可以通過增加進(jìn)入基床表面熱量或減少路基內(nèi)部熱量擴(kuò)散的角度來減小最大季節(jié)凍結(jié)深度和凍脹變形。具體的保溫吸熱措施如：在基床表層鋪設(shè)保溫材料（吸熱瀝青層或瀝青混凝土層）來抬高基床結(jié)構(gòu)的最大季節(jié)凍結(jié)深度，進(jìn)而控制路基工程的峰值凍脹。

2.3 地溫隨時間變化

兩個深季節(jié)性凍土區(qū)路塹中心不同深度處地溫隨時間的變化曲線見圖5。其中，氣溫趨勢線是氣溫的擬合值?？芍孩僭跉鉁叵陆抵?℃階段，兩個路塹中心不同深度處的地溫均隨外界氣溫的降低而逐漸減小，當(dāng)外界氣溫在1月下旬達(dá)到最小值時，近地表的溫度（距地表1 m深度內(nèi)）達(dá)到全年最小值。②在外界氣溫升高至0℃時，近地表的溫度隨外界氣溫的增大而逐漸增大，而此階段深部土體的溫度仍處于減溫階段。由此說明，近地表的地溫受外界氣溫的影響較顯著，而深部土體的地溫受外界氣溫的影響較弱，且深部土層地溫的變化相對于氣溫變化呈滯后現(xiàn)象。主要原因是外界氣溫對不同土層地溫的影響隨土層深度的增大而逐漸減弱。③外界氣溫升高至0℃以上時，路塹中心不同深度處的地溫與外界氣溫的變化趨勢一致。

圖5 深季節(jié)性凍土區(qū)路塹中心不同深度處地溫隨時間的變化曲線

不同深度處的地溫在全年均呈正弦趨勢，且不同深度處地溫的變化幅度隨深度的增大而逐漸減小。在一定深度處地溫變化趨于一條直線，說明此深度的土體處于熱穩(wěn)定狀態(tài)。

3 數(shù)值模擬

3.1 幾何模型及物理參數(shù)

路塹工程的計算模型如圖6所示。在實際的線性工程問題中，路塹在縱向上被認(rèn)為是無限長的。因此，使用二維平面坐標(biāo)系建立數(shù)值模型。根據(jù)牡佳高速鐵路樺南段路塹工程現(xiàn)場試驗段，路塹計算模型尺寸為：路塹的深度約為8 m，基床寬度為10 m，坡度為1∶1.5。70 cm厚級配碎石鋪設(shè)于基床表層，粗粒土換填層鋪設(shè)于級配碎石層以下，厚2.4 m。在數(shù)值計算中，路塹中心基礎(chǔ)深度設(shè)置在10 m，左右坡頂?shù)挠嬎銓挾仍O(shè)置為3 m。采用三角形單元網(wǎng)格細(xì)劃。各土層物理參數(shù)見表1，其中，ρ土體的密度；Cf和Cu分別為土體在凍結(jié)和融化狀態(tài)下的體積熱容；λf和λu分別為土體在凍結(jié)和融化狀態(tài)下的導(dǎo)數(shù)系數(shù)。

圖6 寒區(qū)典型路塹工程計算模型

表1 不同土層的物理特性

3.2 數(shù)學(xué)方程

在凍土路塹工程溫度場計算中，應(yīng)考慮不同介質(zhì)（土、水、空氣和冰）的熱傳導(dǎo)和冰水相變，而忽略熱對流等影響。未凍水含量被認(rèn)為是溫度的函數(shù)。本文僅考慮采用顯熱容法計算凍土路塹工程的溫度場，計算式為

式中：C為土體的有效體積熱容；T為土體的溫度；t為時間；λ為土體的有效導(dǎo)熱系數(shù)。

假設(shè)含水介質(zhì)的相變發(fā)生在溫度T+ΔT（ΔT為相變區(qū)的溫度誤差）內(nèi)。在建立等效體積熱容后，分析溫度差對有效體積熱容的影響。假設(shè)介質(zhì)的體積熱容和導(dǎo)熱系數(shù)是可以獨立于溫度而確定的變量。因此，C和λ計算式為

3.3 模擬過程與模型驗證

路塹的水分邊界被確定為無補(bǔ)水條件。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，將路塹工程模型底部的熱邊界條件設(shè)定為7℃。根據(jù)土體邊界層理論和實測溫度數(shù)據(jù)，設(shè)置溫度上邊界條件。通過對地表以下0.3 m地溫的現(xiàn)場實測，得到計算所需的參數(shù)。溫度計算式為

式中：T1為年均地溫；εi為地溫的振幅；φ為地溫的相位。

在第一類熱邊界條件下，且沒有路塹工程的情況時，土壤的溫度場可以用路塹的上熱邊界作為天然地表的熱邊界，按照式（4）計算50年穩(wěn)定后的溫度場作為天然地基的初始溫度。考慮路塹工程，根據(jù)式（4）添加路塹的上部熱邊界條件。邊界層底部的溫度被視為路塹基床溫度場模擬的上邊界條件，見表2。

表2 路塹溫度場的上邊界條件

根據(jù)路塹工程數(shù)值模擬結(jié)果，0℃作為確定季節(jié)凍融深度的基準(zhǔn)。路塹斷面在3月中旬和7月中旬路塹斷面的溫度場分布見圖7。路塹中心凍融深度的計算值和實測值見圖8?？芍?，模擬所得凍融深度的發(fā)展趨勢可較好地反映實際凍融深度。二者均在3月下旬達(dá)到最大季節(jié)凍結(jié)深度，誤差控制在0.3 m以內(nèi)。路塹中心的季節(jié)凍結(jié)過程從11月持續(xù)到次年4月。模擬所得凍結(jié)層的完全消失時間比實測值滯后約8 d。其原因可能是實測值存在離散性。計算值與實測值存在一定的偏差是合理的。

圖7 路塹斷面在3月中旬和7月中旬的溫度場分布

圖8 路塹中心凍融深度的計算值和實測值

4 地溫場影響因素

4.1 積雪覆蓋

牡佳高速鐵路沿線佳木斯市近10年的積雪覆蓋深度、地表溫度和最大季節(jié)凍結(jié)深度的實測值見圖9?？芍e雪深度與地表溫度或最大季節(jié)凍結(jié)深度之間存在顯著的對應(yīng)關(guān)系。積雪覆蓋厚度越大，地表溫度越高，土體的最大季節(jié)凍結(jié)深度越淺。

圖9 佳木斯市近10年的積雪深度、地表溫度和最大季節(jié)凍結(jié)深度

在深季節(jié)性凍土地區(qū)，高速鐵路基床表面的積雪會對基床起到保溫作用，有利于降低路基的最大季節(jié)凍結(jié)深度。但由于春融季節(jié)融雪水的滲入，基床表層含水率將大幅增加。當(dāng)晝夜溫差較大，下層土仍處于負(fù)溫狀態(tài)時，基床表層極易產(chǎn)生峰值凍脹或翻漿冒泥病害。為保證深季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基的長期服役性能，建議在基床表層采取隔水防滲措施，主要包括防水土工布、防滲材料或防水密封瀝青層。

4.2 寒區(qū)邊坡失穩(wěn)

春季邊坡開始融化，表層土中的孔隙水不能及時排出，達(dá)到飽和或過飽和狀態(tài)。邊坡土體的抗剪強(qiáng)度降低，邊坡在自重作用下發(fā)生失穩(wěn)坍塌。影響寒區(qū)路塹邊坡工程失穩(wěn)的主要因素為：①邊坡土的類型。在凍融循環(huán)條件下，細(xì)粒土邊坡較粗粒土邊坡更容易發(fā)生失穩(wěn)滑塌。其原因是細(xì)粒土孔隙比小，吸濕性強(qiáng)，毛細(xì)性強(qiáng)。②邊坡形狀特征。邊坡的幾何形狀直接影響邊坡的穩(wěn)定性。坡度越大，穩(wěn)定性越差。一般來說，凍土區(qū)陽坡的滑動概率較大，這是由于夏季日照時間較長，融沉深度較深，冬季積水較多。③氣候環(huán)境。氣候環(huán)境主要以降雨、降雪和季節(jié)氣溫變化的形式影響凍土邊坡的穩(wěn)定性。降水量的增加導(dǎo)致地下水位上升，地下水滲流發(fā)生變化，土壤飽和程度增加；冬季融雪后入滲量增加，透水性增加。季節(jié)性氣溫變化主要影響凍土的滲透性、密實度、含水率、力學(xué)性能。④邊坡植被。植被的根系可以保護(hù)坡面，防止水土流失。植被豐富地區(qū)的邊坡穩(wěn)定性較好，植被破壞區(qū)邊坡穩(wěn)定性較差。

此外，在寒區(qū)處理凍土邊坡工程災(zāi)害時，應(yīng)注重工程重要性的分類，進(jìn)而認(rèn)識凍土邊坡病害的主要成因和凍土邊坡本身的特點。寒區(qū)邊坡工程采取防治措施時應(yīng)遵循以下原則：①根據(jù)工程類型和主要病害對癥選擇，綜合考慮排水與擋土墻相結(jié)合等多種因素。②采取工程措施與生態(tài)措施相結(jié)合的方法。坡面種植植被可以通過植物根系調(diào)節(jié)土壤水分含量。根系與土壤形成的復(fù)合體不僅可以提高邊坡土壤的力學(xué)性質(zhì)，提高凍土邊坡的穩(wěn)定性，而且還可以減少地表水土流失，美化環(huán)境。

5 結(jié)論

1）路塹中心土體的初始凍結(jié)時間和融化時間均晚于天然坡頂。路塹中心的凍結(jié)速率大于天然坡頂?shù)膬鼋Y(jié)速率。路塹中心的凍結(jié)深度大于天然坡頂?shù)膬鼋Y(jié)深度。路塹工程的凍結(jié)過程主要為自上向下的單向凍結(jié)，而融化過程分別為自上向下和從下向上的雙向融化。

2）季節(jié)凍融層的時空發(fā)展過程、溫度狀況和厚度是深季節(jié)性凍土區(qū)路基工程凍融災(zāi)害預(yù)防的關(guān)鍵。通過增加進(jìn)入基床熱量或減少基床體內(nèi)熱量擴(kuò)散的角度可以達(dá)到減小凍結(jié)深度的目的。具體措施如：在基床表層鋪設(shè)防滲吸熱材料（瀝青混凝土封閉層）來抬高基床的最大季節(jié)凍結(jié)深度。

3）在深季節(jié)性凍土地區(qū)，高速鐵路基床表面的積雪會對基床起到保溫作用，有利于降低基床的最大凍結(jié)深度。但春融季節(jié)融雪水的入滲將導(dǎo)致基床表層含水率大幅增加。

4）寒區(qū)邊坡的失穩(wěn)主要發(fā)生在邊坡的凍融交界面處。影響寒區(qū)路塹邊坡失穩(wěn)的主要因素為邊坡土性、邊坡形狀特征、氣候環(huán)境、邊坡植被。為確保寒區(qū)邊坡工程的穩(wěn)定性，在采取防治措施時應(yīng)遵循工程措施與生態(tài)措施相結(jié)合的方法。