大西客運專線寒冷地區路基凍脹現場試驗

陳 虎,張戎墾,冷景巖

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

大西客運專線寒冷地區路基凍脹現場試驗

陳 虎,張戎墾,冷景巖

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

為掌握大西客運專線寒冷地區路基凍脹變形規律,選擇4個代表性監測段落,在一個凍融期內對路基中地溫、凍脹變形及含水量進行觀測,測試結果表明:地溫發展變化大致經歷快速降溫、慢速降溫、升溫3個階段,部分段落的最大凍結深度測試值大于設計值;路基表層處體積含水量上下波動相對較大,路基深層處體積含水量有緩慢減小的趨勢;路基凍脹變形均小于8mm,凍脹發生的部位主要集中在基床表層范圍。

客運專線;寒冷地區;路基凍脹;現場試驗

在我國季節性凍土地區,由于以往對鐵路路基的凍脹性認識不足,路基工程的防凍脹措施未明確要求或標準較低,路基季節性的凍脹和融沉導致了路基產生嚴重的不均勻變形,破壞軌道的平順性,造成線路養護維修工作量十分繁重,并對安全行車帶來了嚴重危害[1- 4]。

高速鐵路運行速度快,對軌道的平順性提出了更高的要求,而下部構筑物的變形直接影響到軌道的質量狀態。在季節性凍土地區修建高速鐵路,解決路基季節性凍脹、融沉引起的線路不平順問題已經成為工程建設的關鍵技術[5- 6]。

新建大西客運專線原平西至運城北段最冷月平均氣溫為-5～-15℃,最大凍結深度為0.81～1.21 m,按對鐵路工程影響的氣候分區屬于寒冷地區。為了解新建大西客運專線路基凍脹變形大小、發生的規律,驗證防凍脹措施的效果等。在大西客運專線寒冷地區選擇了4個代表性的監測段落,對路基中地溫、凍脹變形及含水量進行了觀測,從而評價本地區路基防凍脹設計以及路基施工質量,為建設和運營部門及時采取有效措施提供依據。

1 試驗設計

1.1 路基凍脹監測區段選擇

監測段落的選擇綜合考慮了氣候氣象條件、凍結深度、地下水位深度、路基填料、路基填挖形式等,最終確定了4個監測段落,如表1所示。其中太原以北是全線最寒冷和凍結深度最大地區,分別選取一段基床底層填料為A、B組土的填方路基段落,一段基床底層填料為水泥改良土挖方路塹段落;由于地下水位對凍脹的影響較為重要,因此選取了晉中站附近路基地下水位較高的一段路堤段落;通過分析沿線的氣象特點,靈石地區的降水量大,且凍結深度在此地區比相鄰的南北區域都大,因此在靈石附近選擇一段路塹段落。

____________________表1 監測段落

1.2 路基防凍脹結構設計

大西客運專線采取的路基防凍脹措施主要是:原平及晉中段路堤基床表層厚為0.4 m的級配碎石,基床底層厚2.3 m,基床底層上部0.6 m范圍內填筑非凍脹填料(粒徑小于0.075 mm顆粒含量小于15%的A、B組土或改良土),基床底層下部及基床以下路堤均采用A、B組土或改良土填料填筑。忻州及靈石段路塹基床表層厚為0.4 m的級配碎石,基床底層2.3 m換填改良土,基巖埋深較淺時,基床底層換填改良土至基巖面。

1.3 監測儀器布設及觀測頻率

在4個監測段落內選擇了34個測試斷面,每個測試斷面在線路左右中心線平行布置相同的傳感器,測試內容主要包括路基中地溫、凍脹變形及路基填料的含水量。

(1)地溫傳感器,自路基級配碎石頂面以下0.2 m垂直向下布設,傳感器之間間距為0.2 m,每個測溫孔中安裝10支測溫傳感器,觀測不同深度上地溫變化特征,同時計算路基凍結深度,4個監測段落各安裝16個測溫孔。

(2)含水量傳感器,原平和忻州段每段中選擇2個斷面布設含水量監測元件,自路基級配碎石頂面以下0.2 m垂直向下布設,間距0.8 m,每孔3個含水量傳感器。晉中和靈石段路基兩側底座板中心位置下部設置含水量監測元件,每段中選擇3個斷面布設含水量監測元件,自路基級配碎石頂面以下0.2 m垂直向下布設,間距0.6 m,每孔3個含水量傳感器。

(3)凍脹變形傳感器,原平和忻州段由于最大凍結深度超過1 m,監測斷面每側各安裝3支凍脹計,安裝深度分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m,2個監測區段每段安裝48支。榆次和靈石段,監測斷面每側各安裝4支凍脹計,安裝深度分別為0.5 m、1.0 m,2個監測區段每段安裝36支凍脹變形傳感器。

圖1為線路左線中心線監測傳感器布置示意, 12月上旬埋設傳感器,全部埋設完畢后開始觀測,地溫、凍脹變形、含水量凍脹期間每天觀測12次,氣溫回暖凍脹消失后每天觀測1次。

2 觀測結果分析

2.1 監測區段地溫與凍結深度

鐵路路基凍脹是多種因素綜合作用的結果,路基的土質情況、含水量、大氣溫度是形成基床凍脹的3個主要因素。沒有負溫水就不會成冰,體積就不會變化,負溫在一定范圍下,就會產生凍脹現象,因而負溫是發生凍脹的前提條件[7- 9]。

典型的地溫隨時間變化曲線如圖2所示,絕大部分監測斷面的地溫隨時間發展變化規律基本一致,一個凍融循環周期內地溫發展變化大致可以分為快速降溫階段、慢速降溫階段、升溫階段3個階段。2013年12月中旬到2014年1月初表現為地溫降低快速發展期;2014年1～2月為地溫緩慢降溫階段,至3月上旬地溫普遍大于0℃。

圖2 典型的地溫隨時間變化曲線

距離地面0.2、0.4 m深的地溫受短期外部氣溫升降影響較大,而距離地面0.6 m以下的地溫受短期外部氣溫的升降影響較小,地溫變化延遲效應相應增大。

同一監測段落各監測孔的凍結深度差異較大,大部分測試孔測試的最大凍結深度小于設計凍結深度。原平段路基最大凍結深度的測試值均小于最大凍結深度設計值1.21 m,最大凍結深度測試值主要集中在0.7～0.9 m,占63%;忻州段最大凍結深度設計值為1.10 m,測試的最大凍結深度為1.09 m,后者大于前者的測孔占總測孔數的79%;而晉中段測試的最大凍結深度為1.14 m,其中線路右側測試均大于最大凍結深度設計值0.77 m,線路左側均小于最大凍結深度設計值;靈石段最大凍結深度設計值為0.81 m,測試最大凍結深度為0.93 m,除去凍結深度為0.93 m的測試孔,其他17個監測孔測試的凍結深度均小于0.81 m。圖3為典型的凍結深度隨時間變化典型曲線,圖中T29代表第29個測試斷面,-Y代表線路右側凍結深度,-Z代表線路左側凍結深度。

圖3 典型的凍結深度隨時間變化典型曲線

2.2 路基體積含水量變化

土中的水分是引起土體凍脹的必要條件,水來源于地表水和地下水[7]。圖4給出了體積含水量隨時間變化曲線,從圖中可以看出,淺層距地表0.2 m深處的體積含水量變化相對較大,監測周期內體積含水量最大波動約5%,同一監測段落的兩個監測斷面表現出很好的一致性;深層處1.0、1.8 m的體積含水量表現出緩慢減小的趨勢。造成這種情況的主要原因:一是兩處填方路堤地段路堤填筑較高(超過6 m),地下水很難通過毛細管作用直接補充凍結層的水分;二是兩處挖方路塹為黃土地段地下水位較深,地下水位也很難對上層路堤凍脹進行補充。

圖4 典型的體積含水量隨時間變化曲線

2.3 路基凍脹變形

在季節凍土區,冬季隨著氣溫的逐漸降低,路基土體從表層開始凍結,向下逐漸延伸,最終達到最大凍結深度,并產生凍脹變形[5]。監測結果顯示4個監測段落凍脹變形總體較小,最大凍脹變形均小于8 mm,最大凍脹變形主要集中在≤4 mm范圍內,4個監測段落最大凍脹變形在≤4 mm范圍內的測點數分別占總測點數的68.2%～100%。說明監測區段路基的絕對凍脹量絕大部分處于較低水平,已采取的路基防凍脹措施發揮了有效作用,凍脹變形處于可控狀態。最大凍脹變形分布統計如圖5所示。

圖5 最大凍脹變形分布統計

根據以往研究結果,路基分層總凍脹量沿凍結層深度逐漸減小,在封閉系統下,80%左右的凍脹量是由路基表層到2/3凍結深度內土體產生[10]。

測試數據顯示,距地表0.5 m范圍內最大凍脹量的平均值是1.0 m范圍內的62%～83%,可以看出凍脹主要發生在地表淺層,距地表1.5 m范圍內的最大凍脹量與距地表1.0 m范圍內的最大凍脹量的差異不大,測試結果與文獻[10]的結論相同。

3 結論

通過對大西客運專線2013年冬季至2014年春季凍融期間4個路基段落監測數據的分析,得出以下結論。

(1)地溫發展變化大致經歷快速降溫、慢速降溫、升溫3個階段。絕大部分測試的最大凍結深度小于最大凍結深度設計值,4個監測段落最大凍結深度測試值小于設計值,分別占總測孔的100%、79%、50%、94%。

(2)地表淺層處的體積含水量受外部環境影響相對較大,而深層處的體積含水量在監測時間內總體表現出微小減小的趨勢,表明地下水對凍結鋒面補充不明顯,應重點做好路基面的防排水措施。

(3)路基凍脹變形總體較小,凍脹主要集中在距地表淺層0.5 m范圍內,路基最大凍脹變形均小于8 mm,且主要集中在≤4 mm范圍內。路基凍脹變形在可控制范圍內,已采取的路基防凍脹措施發揮了有效作用。

[1] 屈振學.季節性凍土區鐵路客運專線路基的凍脹特性分析與措施[J].鐵道標準設計,2009(12):8-11.

[2] 喬連軍.250 km/h提速區段涵頂路基凍害整治[J].鐵道建筑, 2011(3):80-82.

[3] 程愛君.鐵路路基填料的凍脹性分類研究[D].北京:鐵道部科學研究院,2006.

[4] 劉華,牛富俊,牛永紅,林戰舉,魯嘉濠.季節性凍土區高速鐵路路基填料及防凍層設置研究[J].巖石力學與工程學報,2011(12): 2549-2557.

[5] 石剛強,趙世運,李先明,牛永紅.嚴寒地區高速鐵路路基凍脹變形監測分析[J].冰川凍土,2014(2):360-368.

[6] 余雷.哈大客運專線路基凍脹變形的觀測與分析[J].路基工程, 2013(3):54-58,63.

[7] 王書娟,陳志國,秦衛軍,于麗梅.季節性冰凍地區路基凍脹機理分析[J].公路交通科技,2012(7):20-24,44.

[8] 杜兆成,孫瑛琳,蔣大恩.季節性凍土區路基土的凍脹特性分析[J].長春工程學院學報:自然科學版,2006(2):17-20.

[9] 霍凱成,黃繼業,羅國榮.路基凍脹機制及凍害防范整治措施探討[J].巖石力學與工程學報,2002(7):1099-1103.

[10]董昶宏,趙相卿.青藏鐵路多年凍土區路基變形特征及影響因素分析[J].鐵道標準設計,2013(6):5-8.

Field Test of Subgrade Frost Heaving on Datong-Xi'an Passenger Dedicated Line in Cold Region

CHEN Hu,ZHANG Rong-ken,LENG Jing-yan
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,TianJin 300251,China)

Four representative monitoring sections are selected in the freezing and thawing period to learn the rules of subgrade frost heaving deformation on Datong-Xi'an passenger dedicated line in cold region by means of the observation of ground temperature,subgrade frost heave deformation and water content. The results show that the development and change of ground temperature occur in three stages:rapid cooling,slow cooling and temperature rise;the measured maximum freezing depths are greater than the design values on some sections;the fluctuation of volumetric water content in the subgrade surface is relatively greater,while the volumetric water content in deep subgrade tends to reduce slowly;the subgrade frost heave deformation is less than 8 mm,and the frost heaving concentrates in the subgrade surface.

Passenger dedicated line;Cold region;Subgrade frost heaving;Field test

U238;U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.002

1004-2954(2014)12-0006-03

2014-09-01;

2014-09-19

陳 虎(1985—),男,工程師,2013年畢業于西南交通大學,工學博士,E-mail:307633247@qq.com。