高速鐵路路基防凍脹結構設計方法的研究

祁 輝，胡相鈺，李廷剛，程愛君

(1．哈爾濱地鐵集團有限公司，黑龍江 哈爾濱 150080;2．南昌軌道交通集團有限公司，江西 南昌 330000;

3．交通運輸部公路科學研究院，北京 100088;4．中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路路基防凍脹結構設計方法的研究

祁 輝1，胡相鈺2，李廷剛3，程愛君4

(1．哈爾濱地鐵集團有限公司，黑龍江 哈爾濱 150080;2．南昌軌道交通集團有限公司，江西 南昌 330000;

3．交通運輸部公路科學研究院，北京 100088;4．中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

凍害是我國北方地區路基常見的病害之一，尤其對于高速鐵路，微小凍脹變形將對列車運行的安全性、穩定性帶來影響。本文對路基防凍脹結構設計進行了初步探討，首先論述了路基凍脹機理及影響路基凍脹的主要因素，包括土質、溫度、含水量等，在此基礎上提出了路基防凍脹結構設計需要考慮凍結指數、土性參數、設計凍深等因素;其次提出了路基防凍脹結構設計方法及設計流程，提出了高速鐵路路基凍深計算方法;最后根據該方法進行了路基防凍脹結構設計，并利用有限元仿真計算及現場實測對該路基防凍脹結構設計的合理性進行了驗證，實測數據及仿真計算結果驗證了該防凍脹結構設計的合理性及該設計方法的有效性。

凍土路基 凍脹變形 防凍脹結構設計

隨著國民經濟的快速發展，我國已經修建了大量高速鐵路或客運專線，初步形成了以哈大、京廣、京滬、鄭西為干線的高速鐵路網。高速鐵路對鐵路路基變形控制要求越來越嚴格，其中無砟軌道要求路基變形控制在15 mm以內。我國是一個凍土大國，全國凍結深度＞0.5 m的凍土區占全國總面積的68.6%，其中季節性凍土占全國面積的46.0%，尤其是我國的東北、西北、華北地區，由于受當地氣候、水文、地形地貌以及地質條件的影響，使得許多既有線路基變形十分嚴重。目前，我國已在東北地區修建了哈大客運專線，在不久的將來還將修建大量的高速鐵路、客運專線及城際鐵路，為了控制鐵路路基的凍脹變形，有必要開展高速鐵路路基防凍脹結構設計方法的研究，這對于我國寒區高速鐵路建設、指導工程實際及保證工程質量具有十分重要的意義。

1 防凍脹結構設計參數選擇

路基是由散體狀礦物顆粒、水和氣體組成的三相體系，除承受靜力荷載和列車振動荷載外，還受自然界各種惡劣氣候環境影響，尤其在低溫作用下，土體中水分會發生凍結，并發生體積膨脹，當土體中已凍和未凍水總體的增量超過了該土體原來無孔隙水的孔隙體積時，土體就會發生凍脹。

土體的凍脹分為原位凍脹與分凝凍脹:孔隙水原位凍結，引起體積增大9%，但由外界水分補給并在土中遷移到某個位置凍結，則體積將增大1.09倍。分凝凍脹的機理包括兩個物理過程:土中水分遷移和成冰作用。因為原位水分凍結引起的凍脹量十分微小，從工程角度可以忽略，所以土體凍脹主要指水分遷移引起的分凝凍脹。

總體來說，土體凍脹必須具備以下條件:具有凍脹敏感性的土;初始水分及外界水分(地下水，大氣降水，人為活動引起的水源)的供給;適宜的凍結條件和時間。因此，提出以下參數作為防凍脹結構設計參數:①凍結指數指凍結期間每天負溫平均值的累計數;②土性參數包括壓實系數、細粒含量、細粒填充率、比表面積等;③設計凍深;④路基含水量。

2 防凍脹結構設計及現場驗證

2.1 防凍脹設計

①收集氣象資料和工程地質等資料;②填料選擇;③設計凍深計算;④設計凍深如＜0.8 m，則選擇填筑細粒含量＜5%的粗粒土，如凍深＞0.8 m需進行特殊設計。

防凍脹設計流程圖如圖1所示。

2.2 填料選擇

影響填料凍脹性的土性參數包括細粒含量、細粒填充率、滲透系數、比表面積等，其中細粒含量(粒徑＜0.075 mm)是影響土體凍脹的主要因素，圖2為填料凍脹特性與細粒含量關系曲線。

圖1 寒區客運專線鐵路路基防凍脹設計流程

圖2 細粒含量與凍脹關系

填料選擇步驟如下:①顆分試驗，確定填料內細顆粒含量;②滲透試驗，確定土的滲透系數;室內試驗結果表明，當滲透系數＞1×10－3時，屬于弱凍脹性土;③進行擊實、比重試驗，計算土體的細顆粒含量體積填充率，根據體積填充率進一步驗證填料的凍脹性;④根據以上結果，選擇合適填料;⑤根據選擇填料性質及外界環境，計算路基凍深;⑥對于細粒含量＞3%的填料進行室內凍脹試驗，根據試驗結果計算路基凍脹變形，滿足要求，使用該填料，不滿足要求，更換填料或采取防排水措施或保溫措施。

2.3 設計凍深計算

凍深一般是指標準凍深，即為在觀測場無植被無雪蓋的裸露地面上測得的多年平均凍深值。但由于鐵路路基填料類型、結構等與地基有較大差異(一般來說，路基結構凍深比標準凍深大)，采用標準凍深推算路基防凍脹設計深度是不合適的，需要計算出實際凍深用于路基的設計。凍深的計算方法目前采用的主要有三種。

1)經驗公式法:利用標準凍深乘以相應的修正系數，我國的公路、水利和建工均采用這種方法。

2)Berggren法計算凍深:采用該方法的國家包括德國和法國。

3)改進的Berggren法:此方法可用于多層結構路基的設計

該法求凍結深度中考慮了地基的熱力特性、氣象條件以及地基條件的影響。式(1)還適用于多層土組成的地基情況。這樣，無論對由特性各異的土層構成的地基，還是鋪有隔熱層的情況，均可求其凍結深度。

2.4 防凍脹結構設計方法的有限元計算

根據以上方法，設計了如下路基結構:路基面寬15 m，坡率1∶1.5，計算范圍坡角向外延伸3 m，基床表層包括路肩瀝青混凝土、其下為細粒含量＜5%的級配碎石路基(表層為級配碎石，底層為細粒含量＜5%的A、B類土)，并采用有線元數值模擬及現場測試方法對結構進行了驗證。

2.4.1 有限元數值模擬

建立土的溫度場、水分場及位移變形耦合模型，計算路基在溫度變化情況下路基土體內部的溫度場、水分場及位移變化，如圖3所示。分別計算了降溫10 d，50 d，100 d，190 d后，路基體內溫度場、水分場及變形場的變化，圖4～圖6分別為路基溫度場、水分場及變形場變化云圖。表1為路基凍結鋒面及不同位置凍脹量的變化。

圖3 路基模型網格劃分

圖5為路基中水分場變化情況，可以看出隨著溫度場的變化，凍結鋒面以下1.5 m范圍內的水分發生少量的遷移。圖6為路基中豎向位移場的變化情況，可以看出路基的最大豎向位移主要發生在路肩的位置，而路基中心位置的凍脹并不是最大的。從表1中可以看出，仿真190 d后，溫度回升時，路肩上的凍脹量達到了4.0 mm，而路基中心處的凍脹量為3.5 mm，略小于路肩上的凍脹量。

圖4 不同凍結時間路基溫度場變化云圖

圖5 不同凍結時間路基水分場變化云圖

圖6 不同凍結時間路基變形場變化云圖

表1 路基凍結鋒面及不同位置凍脹量的變化

2.4.2 現場驗證

2009年在哈爾濱選擇了試驗點，并在路基內埋設溫度、含水量及凍脹變形量傳感器，對路基土體內溫度、含水量及路基變形進行監測。經過一個凍脹周期的監測，測試得到路基最大凍深為2.65 m，最大凍脹變形為3.31 mm，與計算結果基本相符。

3 結語

對路基防凍脹結構設計進行了初步探討，提出了一種寒區鐵路路基防凍脹結構設計方法，并利用該方法在寒區設計了一路基防凍脹結構，在此基礎上對該路基結構的防凍效果進行了室內仿真計算及現場試驗，實測數據及仿真計算分析結果說明，該防凍脹結構設計是合理的，該設計方法是有效的。

［1］中國鐵道科學研究院．模擬防凍試驗研究［R］．北京:中國鐵道科學研究院，1995．

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［3］劉加軍．季節性凍土地區鐵路路基凍害防治及防治措施研究［J］．石家莊鐵道學報，2003，16(增):114-116．

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［5］程愛君，葉陽升．多年凍土地區路基凍害分析及防凍措施［J］．鐵道建筑，2006(7):60-61．

［6］溫立光．呼和浩特鐵路局管內路基凍害整治［J］．鐵道建筑，2006(11):85-86．

U213．1+4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．30

1003-1995(2013)04-0098-03

2012-10-15;

2013-01-20

中國鐵道科學研究院基金項目(J2012G001)

祁輝(1969— )，男，黑龍江綏化人，工程師。

(責任審編 王 紅)