季凍區(qū)重載鐵路路基凍脹融沉監(jiān)測(cè)及規(guī)律分析

張玉芝，楊 威，李 銳，趙維剛，張廣遠(yuǎn)，李 裴

（1.石家莊鐵道大學(xué) 河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 大型基礎(chǔ)設(shè)施性能與安全省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043；4.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；5.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司 原平公司，山西 原平 034100）

重載鐵路貨運(yùn)量大，其社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益逐漸提高，因此對(duì)于重載鐵路的工作性能和耐久性研究已經(jīng)成為世界鐵路運(yùn)輸?shù)臒狳c(diǎn)領(lǐng)域。我國(guó)作為世界第3 凍土大國(guó)，朔黃、包神、新準(zhǔn)、神朔、大準(zhǔn)等多條重載鐵路穿越季節(jié)凍土區(qū)。重載鐵路路基作為主要的軌道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（通常＞70%），不僅要承載高于客運(yùn)的軸重，而且要符合自然環(huán)境對(duì)填料性能的要求，這就要求重載鐵路路基保持良好的可靠性與穩(wěn)定性。近年來(lái)，朔黃鐵路等重載鐵路進(jìn)行擴(kuò)能改造，提高列車軸重和擴(kuò)大列車編組，大規(guī)模開行萬(wàn)噸和2 萬(wàn)噸列車，路基出現(xiàn)區(qū)間下沉、基床翻漿冒泥或道床板結(jié)等病害［1］。尤其是季節(jié)凍土區(qū)，凍融作用誘發(fā)路基及地基內(nèi)土體水分遷移聚集，在重載列車反復(fù)沖擊作用下，容易發(fā)生凍脹和融沉壓縮變形，路基沿線凍脹和翻漿冒泥病害頻繁發(fā)生，引起軌道不平順，嚴(yán)重威脅列車運(yùn)營(yíng)安全。鐵路運(yùn)營(yíng)部門每年花費(fèi)大量時(shí)間和經(jīng)費(fèi)進(jìn)行路基檢測(cè)維修及整治，但由于缺乏對(duì)其變形規(guī)律及機(jī)理的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致病害難以根治。

目前，國(guó)內(nèi)外科研工作者針對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的凍脹融沉問(wèn)題已進(jìn)行了大量研究工作。通常采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)［2-3］、數(shù)值模擬［4-6］以及室內(nèi)凍融試驗(yàn)［7-8］等研究方法。哈大高鐵建成運(yùn)營(yíng)后的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明［2-3］，路基的結(jié)構(gòu)型式等對(duì)寒區(qū)高鐵路基的地溫、變形等有著顯著的影響，并且季凍區(qū)高鐵路基可能產(chǎn)生超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)范限值的凍脹變形。為解釋季凍區(qū)高鐵路基出現(xiàn)的凍脹現(xiàn)象，張玉芝等［4］考慮冰水相變的作用建立路基力學(xué)有限元模型，實(shí)現(xiàn)了路基溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)的連續(xù)計(jì)算。Sheng 等［5］考慮列車循環(huán)動(dòng)荷載的泵吸作用建立數(shù)值模型，并提出動(dòng)荷載引發(fā)超靜孔壓，將水泵吸至凍結(jié)鋒面不斷形成冰層，導(dǎo)致凍脹持續(xù)發(fā)展。而后Zhang 等［6］又提出，非飽和粗顆粒填料中氣態(tài)水遷移成冰是誘發(fā)路基發(fā)生凍脹的主要原因。然而，以上研究均只能在一定程度上揭示列車動(dòng)荷載和地溫變化等對(duì)季凍區(qū)高鐵路基凍脹變形的影響。張玉芝等［7］、賀佐躍等［8］的室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，反復(fù)凍融循環(huán)作用下，高鐵路基粗顆粒填料的水、汽遷移以及相變，將導(dǎo)致路基中冰層的形成和變形的產(chǎn)生。由此可見，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)作為直接研究鐵路工程靜動(dòng)態(tài)響應(yīng)的基本手段，是發(fā)現(xiàn)工程中科學(xué)問(wèn)題的關(guān)鍵，也是檢驗(yàn)相應(yīng)數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)等工作是否符合實(shí)際情況的依據(jù)。但是目前，重載鐵路路基的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作較少，針對(duì)凍土區(qū)重載鐵路路基的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)也較少涉及。隨著現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，路基遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的方法種類豐富，可通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集、傳輸和管理。

本文在季凍區(qū)重載鐵路路基典型病害工點(diǎn)建立遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)引起路基病害的主要因素以及變形情況等進(jìn)行長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而對(duì)路基的凍脹融沉發(fā)展過(guò)程及變形規(guī)律進(jìn)行研究，有利于完善路基防凍脹理論和進(jìn)一步認(rèn)識(shí)凍脹過(guò)程。該研究可為改善季節(jié)性凍土區(qū)重載鐵路的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)方案，以及采取可靠的手段進(jìn)行路基工程監(jiān)測(cè)和病害整治提供理論依據(jù)。

1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)測(cè)方案制定

監(jiān)測(cè)方案制定的核心工作是監(jiān)測(cè)斷面選擇及測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案制定。監(jiān)測(cè)斷面選擇時(shí)除考慮普通路基應(yīng)注意的原則外，在季凍區(qū)還應(yīng)考慮存在陰陽(yáng)坡差異的位置，運(yùn)營(yíng)期發(fā)現(xiàn)的凍脹融沉病害發(fā)育工點(diǎn)，以及根據(jù)歷史觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)容易發(fā)生病害的高填路堤、高陡邊坡等位置。測(cè)點(diǎn)布設(shè)主要是確定監(jiān)測(cè)指標(biāo)及監(jiān)測(cè)范圍，并在此基礎(chǔ)上選擇合適的傳感器。

1.1.1 基于路基穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)指標(biāo)確定

分析季凍區(qū)重載鐵路路基穩(wěn)定性特點(diǎn)，研究其評(píng)價(jià)指標(biāo)及影響因素，進(jìn)而確定監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

重載鐵路路基在運(yùn)營(yíng)期主要關(guān)注年沉降速率及差異沉降，尤其是過(guò)渡段的差異沉降［9］。重載列車盡管行駛速度不高，但大軸重對(duì)路基帶來(lái)的動(dòng)力沖擊較大，因此動(dòng)力穩(wěn)定性能需要特別關(guān)注［10］。季凍區(qū)鐵路路基，地溫的季節(jié)性變化會(huì)引發(fā)土體水分周期性的凍結(jié)和融化，加上重載車輛動(dòng)荷載的周期性抽吸作用，可引起路基土體內(nèi)水的相態(tài)變化、水分遷移和重分布等現(xiàn)象。同時(shí)，周期性的凍融可能加劇土顆粒的結(jié)構(gòu)性變化［11］，進(jìn)而加劇其凍脹敏感性。對(duì)于有砟軌道路基，大氣降水尤其是雨季對(duì)路基水分的補(bǔ)充及地下水的供給，都可能使土體內(nèi)含水量增加，進(jìn)而使凍結(jié)期凍脹發(fā)育更為充分。因此，溫度是季凍區(qū)路基凍脹發(fā)生的誘發(fā)因素，同時(shí)也是影響路基凍深、路基填料凍結(jié)過(guò)程中水分遷移和成冰作用的主要因素；水分是凍脹產(chǎn)生的必要條件，是凍脹變形大小的決定性因素。

研究季節(jié)活動(dòng)層內(nèi)的分層沉降變形及加速度等動(dòng)力性能隨季節(jié)的發(fā)展變化，可揭示重載鐵路路基的病害發(fā)展規(guī)律。分析季節(jié)活動(dòng)層路基內(nèi)部水熱變化規(guī)律，是解釋其凍脹機(jī)理、防治路基凍脹病害的關(guān)鍵。鑒于此，確定季凍區(qū)重載路基橫斷面監(jiān)測(cè)指標(biāo)為：路基分層沉降的凍脹變形，路基土體表層的加速度；路基及路基表面不同位置、不同埋深的地溫；路基不同埋深的含水量。

1.1.2 監(jiān)測(cè)范圍確定

季節(jié)性凍土地區(qū)主要關(guān)注季節(jié)凍結(jié)層范圍內(nèi)的地溫、含水量變化以及由此產(chǎn)生的變形和凍融不同時(shí)期的動(dòng)力性能變化，因此對(duì)于不需要特殊考慮地基監(jiān)測(cè)的路基，監(jiān)測(cè)范圍主要參考?xì)v年監(jiān)測(cè)到的路基最大凍深（或是根據(jù)氣溫推測(cè)得到的最大凍深），在此基礎(chǔ)上增加一定深度即可。同時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)在數(shù)據(jù)容易反饋且不影響路基服役的部位。

現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)測(cè)點(diǎn)時(shí)期不同，測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案也有所不同。以地溫測(cè)試為例：在路基施工期，傳感器可以隨路基填筑分層埋設(shè)，橫斷面可水平布設(shè)地溫鏈或沉降傳感器［12］，待其埋設(shè)完畢并與土接觸緊密穩(wěn)定后，繼續(xù)下一層路基土體填筑碾壓及傳感器埋設(shè)；在鐵路運(yùn)營(yíng)期，由于路基已被軌道結(jié)構(gòu)及鋼軌覆蓋，需豎向挖孔布設(shè)測(cè)點(diǎn)，一般可根據(jù)工點(diǎn)情況選在2 線間、左右路肩或是兩側(cè)坡腳［13］，也有研究者沿邊坡表面鋪設(shè)地溫鏈測(cè)試邊坡地溫［14］。為對(duì)比路基與天然地表的差異，可同時(shí)在天然地表挖孔布設(shè)地溫及含水量測(cè)點(diǎn)。由于天然地表挖孔可監(jiān)測(cè)到天然地溫，因此挖孔深度可比較深。

1.1.3 傳感器選擇

對(duì)于埋入路基土體內(nèi)的傳感器，一旦埋入，需長(zhǎng)期甚至永久留置在土體中，因此，傳感器本身、傳感器之間及安裝防護(hù)應(yīng)具有較好的長(zhǎng)期可靠性和耐久性，抗干擾能力較強(qiáng)，具有防凍、防潮、防震、防腐等與環(huán)境相適應(yīng)的性能，并且其安裝過(guò)程和長(zhǎng)期工作期間不能影響路基土體的性能和鐵路運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

傳感器型號(hào)選擇主要考慮量程和精度。在現(xiàn)場(chǎng)及文獻(xiàn)資料調(diào)研的基礎(chǔ)上，與類似工程對(duì)比，預(yù)先評(píng)判路基監(jiān)測(cè)指標(biāo)的變化范圍，并適當(dāng)擴(kuò)大，且在保證精度的前提下選擇。傳感器量程一般應(yīng)確定為被測(cè)物理量預(yù)計(jì)最大值的1.5～2 倍［15］。量程越大，傳感器靈敏度、準(zhǔn)確度及精確度越低。因此，一般情況下，綜合考慮被測(cè)對(duì)象的測(cè)試要求以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益，選擇合適傳感器。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建原則

路基遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般需滿足以下幾個(gè)方面的原則：

（1）保證數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)臏?zhǔn)確性；

（2）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要滿足無(wú)線傳輸且信號(hào)不間斷和自主監(jiān)測(cè)的要求；

（3）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行功耗低、性能穩(wěn)定；

（4）造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理。

對(duì)于寒區(qū)鐵路路基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建，由于環(huán)境惡劣、氣候嚴(yán)寒，需考慮設(shè)備及供電裝置對(duì)高低溫的適應(yīng)性及可靠性，確保路基多參量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠便捷、準(zhǔn)確、高效、可靠運(yùn)行，能夠獲取翔實(shí)可信的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案及實(shí)施

監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)應(yīng)選在夏季降水量大、冬季氣溫低、晝夜溫差大且病害頻發(fā)地段。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和資料整理發(fā)現(xiàn)，山西省忻州市朔黃鐵路段凍害頻發(fā)。其中山西省忻州市神池縣地下水位高，年平均氣溫為6 ℃，冬季最低氣溫可達(dá)到-30 ℃，晝夜溫差最大為30 ℃，選取多個(gè)斷面進(jìn)行對(duì)比，最終選取1個(gè)凍害易發(fā)且較為嚴(yán)重的典型斷面。此工點(diǎn)為半填半挖，上行為路堤，下行為路塹，路基面寬度為11.1 m，路肩寬度為1.5 m，最冷月份平均氣溫為-7.7 ℃，最大凍深可達(dá)到1.1 m，年平均降水量417.1 mm?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工點(diǎn)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)斷面

2.1 傳感器精度和量程的確定

通過(guò)分析神池縣的當(dāng)?shù)貧夂?、凍結(jié)深度、路基填挖形式、地下水位深度及路基監(jiān)測(cè)指標(biāo)等，確定傳感器量程及精度，并選擇了相應(yīng)型號(hào)的傳感器，詳見表1。表中：g為重力加速度。

表1 傳感器統(tǒng)計(jì)

2.2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案

路基測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖2 所示。由圖2 可知：凍脹變形測(cè)點(diǎn)在路基以下0.5，1.0 和2.5 m 布設(shè)，共9個(gè)（兩側(cè)路肩及線路中心各3個(gè)）；地溫測(cè)點(diǎn)在下行側(cè)路肩路基面以下0.2，1.0，2.0，3.0和4.0 m各設(shè)1個(gè)，線路中心和上行側(cè)在路基面以下0.2，0.5，1.0 和2.5 m 分別布設(shè)，共13 個(gè)；含水量測(cè)點(diǎn)分別在上行路肩及2 線間路基面以下0.5，1.0 和2.5 m各設(shè)1個(gè)，在下行側(cè)路肩路基面以下1.0，2.0，3.0和4.0 m 各設(shè)1 個(gè)，共10 個(gè)；加速度測(cè)點(diǎn)2 個(gè)，分別布設(shè)在上下行線鋼軌正下方路基面以下0.2 m。

圖2 傳感器與凍脹計(jì)布設(shè)示意圖（單位：m）

2.3 遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.3.1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

朔黃鐵路路基遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是1 套由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站和監(jiān)測(cè)中心站組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖3所示?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站根據(jù)設(shè)定的采集時(shí)間自動(dòng)采集各種數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（4G）傳輸給監(jiān)測(cè)中心，在中心完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索功能。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站主要由4G 雙卡路由器、開關(guān)電源、網(wǎng)絡(luò)繼電器、NI-9185 數(shù)采儀、網(wǎng)絡(luò)串口服務(wù)器、熱電阻采集模塊、電流采集模塊、太陽(yáng)能板、監(jiān)測(cè)傳感器及儀器保護(hù)箱等部分組成。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)覆蓋兩側(cè)路肩和2 線間斷面的區(qū)域范圍，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)凍脹變形、地溫、含水量及加速度等傳感信號(hào)的采集、處理、運(yùn)輸和遠(yuǎn)程控制。監(jiān)測(cè)中心信息處理過(guò)程由數(shù)據(jù)接收和控制命令發(fā)送、數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場(chǎng)站管理配置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等部分組成。監(jiān)測(cè)中心包括收發(fā)解析服務(wù)器、監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)終端。監(jiān)測(cè)中心的硬件環(huán)境為1臺(tái)安裝SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)行Windows 操作系統(tǒng)并接入互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)；考慮到數(shù)據(jù)安全性，選擇專用的硬件服務(wù)器進(jìn)行收發(fā)、解析、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而現(xiàn)場(chǎng)站管理和數(shù)據(jù)分析軟件是整個(gè)監(jiān)測(cè)中心的核心軟件，是用戶管理現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢的終端軟件，它運(yùn)行于Windows 工作站上，實(shí)施對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的配置及狀態(tài)管理、傳感器矯正參數(shù)設(shè)置、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢分析和報(bào)表輸出等。

2.3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝

考慮到設(shè)備防護(hù)、現(xiàn)場(chǎng)條件等，選取在上行線防護(hù)欄外側(cè)路肩修筑基座，基座上錨固安裝采集箱的方式?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)基站設(shè)置在上行側(cè)防護(hù)欄外側(cè)路肩處，對(duì)于下行側(cè)的傳感器需要通過(guò)道砟下穿線管引到監(jiān)測(cè)基站采集箱內(nèi)。從下行側(cè)路肩一直到上行側(cè)路肩大約長(zhǎng)度15 m 的范圍內(nèi)，開挖1 條深0.3 m、寬0.5 m 的溝槽，以便埋設(shè)傳感器的傳輸線，傳輸線一律采取高強(qiáng)度PVC管保護(hù)。

凍脹計(jì)、水分及溫度傳感器，在測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量放樣后，清除路基道砟形成1 m2工作面，下放支護(hù)筒，用手持式鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)。加速度傳感器設(shè)計(jì)埋設(shè)在路基表層0.2 m 處，空間上處于上下行線外側(cè)鋼軌的正下方，傳感器提前進(jìn)行封裝，考慮到埋設(shè)位置要扒開鋼軌下道砟，因此加速度傳感器安裝在溝槽開挖過(guò)程中進(jìn)行。

考慮到鐵路沿線供電條件受限制，遠(yuǎn)程傳輸采集的電源可采用獨(dú)立的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)提供。寧武位于北緯40°，最佳太陽(yáng)能板安裝角度為35°，為了方便冬季自動(dòng)除雪、減小冰雹損害，實(shí)際安裝角度為60°。安裝功率為200 W，考慮安裝角度損失，實(shí)際功率約為180 W?，F(xiàn)場(chǎng)拼裝好后埋設(shè)在采集站后方，保證太陽(yáng)能電池板朝向正南。

在各種傳感器埋設(shè)過(guò)程中，充填材料和充填要求遵循靜力匹配原則。基于現(xiàn)場(chǎng)開挖情況，路基土基本以黃色粉土和紅棕色黏土為主，路基斷面地層剖面圖如圖4所示。挖孔時(shí)，將其分層去除，待傳感器安裝就位后，分層將土回填到原來(lái)的土層［13］。

圖4 路基斷面地層剖面圖（單位：m）

3 路基現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2019年8月路基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)施工完成，在現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)端進(jìn)行調(diào)試。2019年10月開始正式運(yùn)行，目前系統(tǒng)運(yùn)行正常。下文主要分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的20191017—20210714的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.1 地溫

在季凍區(qū)一般發(fā)生單向凍結(jié)雙向融化，各位置地溫時(shí)程曲線如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)斷面地溫時(shí)程曲線

由圖5 可知：靠近地表處溫度變化比較大，且具有一定的波動(dòng)性，受大氣溫度變化的影響比較明顯。上下行路基部分土體最低溫度達(dá)到0 ℃以下，路基發(fā)生凍結(jié)；2 線間路基土體最低溫度未達(dá)到負(fù)溫，都在0 ℃以上，可知2線間未發(fā)生凍結(jié)。

通過(guò)對(duì)比近10年和近5年氣溫變化（圖6）可知，2019—2021年這2個(gè)冬天，尤其是1月和2月，平均氣溫比較高，凍深值整體偏小。

圖6 路基所在地寒季月平均氣溫對(duì)比

對(duì)比路肩和2 線間分隔地帶，發(fā)現(xiàn)上行側(cè)路肩受外界環(huán)境影響較下行側(cè)路肩明顯，上行側(cè)路肩地溫振幅和凍深最大，2 線間并未出現(xiàn)凍結(jié)，說(shuō)明該監(jiān)測(cè)斷面存在陰陽(yáng)坡效應(yīng)。進(jìn)一步分析可知，上行側(cè)（填方）毗鄰填方邊坡，且與下行側(cè)（挖方）相比，周邊環(huán)境更為空曠，因此更容易受到外界冷空氣的影響。而2 線間由于被道砟覆蓋，填土密實(shí)性相對(duì)較好，并且與邊坡相鄰較遠(yuǎn)，受外界擾動(dòng)較小，與外界環(huán)境的熱交換緩慢，因此地溫相對(duì)最高。

3.2 含水量

在2 個(gè)凍融循環(huán)周期內(nèi)，兩側(cè)路肩和2 線間不同位置含水量隨時(shí)間變化曲線如圖7 所示。圖中：2 線間路基面以下1.0 m 位置的含水量部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失。

由圖7 可知：在凍融循環(huán)周期內(nèi)，上行側(cè)和下行側(cè)距路基頂面0.5 和1.0 m 處，水分變化波動(dòng)較大；冬季隨著凍結(jié)鋒面下移，凍結(jié)區(qū)內(nèi)含水量從11月下旬開始降低，2月含水量降到最低，凍結(jié)區(qū)下方2.5 m 位置含水量逐漸降低；春季隨著氣溫回升，路基凍土和地表積雪融化，在水的重力作用下，水分向下移動(dòng)，在距路基面0.5 和1.0 m 處，含水量也逐漸增加，距路基面2.5 和3.0 m 處，土體含水量基本不變；從7月至9月，監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)不同深度的含水量呈現(xiàn)較大幅度的增加趨勢(shì)。

圖7 路基不同位置含水量時(shí)程變化

3.3 凍脹變形

以0 ℃作為土體凍結(jié)溫度，采用線性內(nèi)插法計(jì)算兩側(cè)路肩的凍結(jié)深度。上行側(cè)路肩2 個(gè)凍融循環(huán)周期內(nèi)不同位置的凍脹變形與凍深變化過(guò)程如圖8所示。圖中：日平均氣溫=（當(dāng)日最高氣溫+當(dāng)日最低氣溫）/2。下行側(cè)路肩及2 線間不同位置的凍脹變形如圖9所示。

圖8 上行側(cè)路肩路基凍脹變形與凍深時(shí)程變化

由圖8和圖9，并結(jié)合圖5和圖7可以得出以下結(jié)論。

圖9 下行側(cè)路肩及2線間路基凍脹變形時(shí)程變化

（1）凍脹發(fā)生的時(shí)間在歷年11月下旬，路基凍脹過(guò)程發(fā)展緩慢，不同位置凍脹速度和凍脹量的大小也不同；最大凍脹變形量為19.78 mm，出現(xiàn)在上行側(cè)路肩。

（2）以上行側(cè)路肩為例分析凍脹變形隨凍深發(fā)展的變化：隨著大氣溫度降到0 ℃以下，路基開始凍結(jié)，凍結(jié)區(qū)未凍水減少，下部水分向上積聚，凍脹變形首先出現(xiàn)波動(dòng)然后迅速增大；而后至1月中旬左右，凍結(jié)區(qū)未凍水及下部水分遷移基本停止，凍脹穩(wěn)定，直至2月中旬；春季大氣溫度升至0 ℃以上，2月下旬或3月初路基出現(xiàn)自上而下和自下而上的雙向融化，3月中旬左右融化基本完成；融沉壓縮變形略滯后于路基土體融化過(guò)程，3月下旬或4月初開始水分迅速增加，而后在14 d左右迅速發(fā)展，凍脹變形回落完成。

（3）分層凍脹變形分析可知，路基的凍脹融沉變形主要是由0～0.5 m 內(nèi)凍結(jié)土體貢獻(xiàn)的；凍結(jié)土體可引起0.5～1.0 m 土體產(chǎn)生一定程度的壓縮變形（圖8（b））；1.0～2.5 m 范圍內(nèi)土體基本不受季節(jié)性凍融影響。

3.4 加速度

以C80型2 萬(wàn)t重載列車滿載經(jīng)過(guò)上行側(cè)時(shí)的加速度為例，分析非凍結(jié)期和凍結(jié)期（2020年1月8日，凍脹變形19.58 mm，凍深0.34 m）上行側(cè)路基面下方的加速度時(shí)程變化，結(jié)果如圖10所示。

由圖10 可知：C80型2 萬(wàn)t 重載列車滿載經(jīng)過(guò)時(shí)，在非凍結(jié)期和凍結(jié)期加速度最大值（取5個(gè)加速度最大值的平均值）分別為0.558 和0.745 m·s-2；由于凍結(jié)期路基部分凍脹，不均勻變形增加，軌道不平順加劇，路基剛度增大，重載列車通過(guò)時(shí)，線路與列車的相互作用和振動(dòng)加劇，路基振動(dòng)響應(yīng)增加。

圖10 不同時(shí)期振動(dòng)加速度時(shí)程變化

3.5 討論

上行側(cè)路肩、邊坡土體外露天然地表，下行側(cè)路肩被道砟覆蓋，且下行側(cè)邊坡修筑砌體防護(hù)坡面，兩側(cè)熱交換過(guò)程存在差異。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示凍結(jié)期路基面以下1.0 m 范圍內(nèi)，上行側(cè)平均含水量為21.5%、下行側(cè)平均為14.5%，上行側(cè)含水量明顯大于下行側(cè)。在干密度一定的情況下，土體含水量越大，凍結(jié)時(shí)釋放熱量越大，延緩凍結(jié)鋒面向下推進(jìn)進(jìn)程；但含水量越大，導(dǎo)熱越快，將加速凍結(jié)鋒面向下推進(jìn)。熱交換與含水量相互制約，二者的差異共同導(dǎo)致上行路堤側(cè)最大凍結(jié)深度大于下行路塹側(cè)，并且凍脹量也存在比較明顯的差異。

從含水量的季節(jié)變化看，由于路基表層凍結(jié)，冬季凍深范圍內(nèi)水分明顯減小，夏季水分增加明顯，可以推知路基水分的補(bǔ)給主要來(lái)自大氣降水。上行側(cè)路肩距路基頂面2.5 m 處水分變化波動(dòng)平緩，變化幅值小，說(shuō)明此位置水分基本不受大氣降水及凍融周期的影響，同時(shí)也說(shuō)明地下水對(duì)土體含水量的影響較小。路基的凍脹融沉變形是在大氣溫度的驅(qū)動(dòng)下，土體降溫導(dǎo)致水分相變及重分布引起的。因此，此段路基的防護(hù)及整改措施應(yīng)主要從大氣降水的防排疏堵及保溫等方面著手減少凍深。

朔黃鐵路路基在凍融循環(huán)期間的變化規(guī)律，與季凍區(qū)的高速鐵路路基盡管土質(zhì)不同，但變形存在一定的相似性［16-17］。同時(shí)，需注意到，由于地溫的橫向差異，路基橫斷面存在不均勻的凍脹變形。從監(jiān)測(cè)結(jié)果看，不同時(shí)期路基加速度能夠一定程度反映出路基剛度及不均勻變形的影響，可作為檢測(cè)路基動(dòng)力性能變化的手段。

在本文分析的2 個(gè)監(jiān)測(cè)期，大氣溫度并未降至往年最低溫度平均值，凍結(jié)深度較淺，對(duì)凍脹分析存在一定影響。后期需要進(jìn)行多個(gè)凍融循環(huán)的監(jiān)測(cè)，才能更好地掌握路基凍脹病害的產(chǎn)生機(jī)制。

4 結(jié) 論

（1）季凍區(qū)重載鐵路路基遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站和監(jiān)測(cè)中心構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)采集2 種模式，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)季凍區(qū)重載鐵路路基地溫、含水量、凍脹變形及加速度的長(zhǎng)期、全面、連續(xù)采集和不間斷的遠(yuǎn)程傳輸。

（2）上行側(cè)路肩受外界環(huán)境影響較下行側(cè)路肩明顯，上行側(cè)路肩地溫振幅、凍深和凍脹融沉變形最大，2 線間并未出現(xiàn)凍結(jié)，監(jiān)測(cè)斷面存在陰陽(yáng)坡效應(yīng)。

（3）隨著大氣溫度降低，路基土體溫度降至0 ℃以下時(shí)，凍結(jié)區(qū)未凍水含量下降，凍結(jié)鋒面以下水分向上補(bǔ)充遷移，進(jìn)而引起凍脹變形迅速增大，水分變化穩(wěn)定對(duì)應(yīng)凍脹變形穩(wěn)定階段。春融期，水分融化，含水量上升，隨后路基土體出現(xiàn)快速的融沉壓縮變形。大氣溫度引起路基土體的水熱變化是路基凍脹融沉變形發(fā)生的直接原因。

（4）路基淺層土體水分在雨季增加明顯，下層土體含水量變化相對(duì)較平緩。路基土體水分補(bǔ)給主要來(lái)源于夏季大氣降水。

（5）冬季凍結(jié)期，路基振動(dòng)加速度增大，路基土體水分凍結(jié)引起的剛度和不均勻變形增大導(dǎo)致路基振動(dòng)響應(yīng)加劇。加速度測(cè)試可作為路基動(dòng)力性能檢測(cè)的手段。