含鹽砂土區鐵路路基凍脹分析

潘高峰，吳亞平，劉路，王釭，王軍

（1.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070；2.青海省地方鐵路建設投資有限公司，青海西寧810000；3.中鐵十六局集團有限公司，北京100018）

含鹽砂土區鐵路路基凍脹分析

潘高峰1，吳亞平1，劉路1，王釭2，王軍3

（1.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070；2.青海省地方鐵路建設投資有限公司，青海西寧810000；3.中鐵十六局集團有限公司，北京100018）

為了探討新建錫鐵山至北霍布遜地區鐵路路基的凍脹變形規律，為高含鹽地區路基的設計和修筑提供參考依據，開展了高含鹽砂土的室內凍脹試驗，根據試驗結果判定該類含鹽砂土屬于強凍脹土。繼而結合現場監測數據，利用有限元數值模擬得出了路基為期一年的凍結深度變化規律，最后對凍結期和非凍結期的路基頂面豎向位移進行了對比分析，發現高含鹽砂土在凍結過程中的2次相變點溫度分別為-6.8℃和-15.2℃，路基凍結期為11月至次年3月，凍結期路基頂面中心抬升21.7 mm。關鍵詞含鹽砂土；凍脹路基；凍脹試驗；數值模擬

凍土本身由于被冰所膠結而具有較復雜的多相體系，影響土體凍脹變形的主要因素為溫度、水分和巖性［1-5］。我國西北寒區廣泛分布的鹽漬砂土，其液相含鹽溶液，固相含結晶鹽，使其在凍結期具有更加復雜的變形特性。與一般土不同，鹽漬土在低溫環境下的變形量主要有兩部分組成，一部分是由于土體中的孔隙水凍結和解凍而發生體積變化，另一部分則是在溫度的影響下鹽溶液中的鹽分溶解和結晶而產生的。影響鹽漬土變形的主要因素為含鹽量、含水率和溫度。這使得鹽漬土的液、固相以及孔隙率隨著溫度和應力水平的變化而變化，加之極端氣候條件下的反復凍融循環，極易對該類土質地區的基礎產生各種病害問題，對地區的發展和基礎建設造成巨大的阻礙。

雖然到目前為止，對于鹽漬土的工程特性已有不少研究，也取得了一些有價值的成果，但由于地域和土類的差異使得鹽漬土的工程性質區別較大，導致病害問題的隨機性和不確定性［6-9］，難有可以普遍推廣的研究成果。為此，本文針對北霍布遜地區含鹽砂土的力學性質進行室內凍脹試驗，并利用試驗結果數據，結合當地氣象資料對路基的變形規律進行數值模擬分析，從而探討含鹽砂土區路基的凍脹規律，為類似地區路基的防凍脹措施提供依據。

1　工程概述

本項目鐵路位于青海省境內，所經地區氣候環境惡劣，高寒干燥。區域內廣泛分布著湖積細砂，由于含鹽量較高，大多在地表形成鹽殼，地面自然坡度較緩（約1%～5%），地表荒蕪，無植物生長，呈沙漠戈壁景觀，如圖1。地區年平均氣溫為-1.7℃，最高氣溫為33.0℃，最低為-34.2℃，最大積雪厚度約10 cm。區域內的土體含鹽率普遍很高，較高的地下水位使得大量鹽漬土處于飽和狀態，土體凍結時的溫度由于鹽分的存在而低于0℃，約為-7.5℃，凍深約200 cm。

圖1　鹽漬土地區地貌

2　室內凍脹試驗

2.1試驗方法

現場取樣后風干，按土工試驗規范對土樣進行飽和試驗，從而獲得其飽和含水率20.3%。隨后根據飽和試驗結果確定各組試樣的含水率（5%，10%，15%，20.3%），并按各自含水率對試樣進行配制。在試驗過程中，共設置有4組不同含水率的試樣，其中含水率最大的試樣處于飽和狀態。試驗過程中將它們在10～-30℃的溫度范圍內進行逐級降溫凍結試驗，從而測得不同含水率的土樣在不同溫度下的凍脹率。試驗所需儀器設備有凍脹儀、溫度控制系統、電阻式溫度傳感器、套筒、百分表等。

2.2試驗結果及分析

將各組試樣在不同溫度下進行凍脹試驗，分別測得其凍脹量，計算整理出各組試樣（含鹽量為25.30%）在特定溫度下的凍脹率，并繪于圖2中。

圖2　不同含水率土樣的凍脹率隨溫度的變化

由圖2可知，雖然各組試樣的含水率不同，但在試驗過程中都出現了不同程度的冷縮現象，冷縮量與含水率成正相關關系。而且，在-6.8℃時各組試樣的體積都迅速增大，出現明顯的凍脹現象。隨后凍脹率的增速放緩，因此可以確定-6.8℃即為第1相變點。隨后不難發現，-15.2℃時也出現了類似的現象，凍脹率增長的速率有大幅度的提升，直至-30℃方才穩定。由此可見第2相變點溫度為-15.2℃。根據試驗結果可以判定該含鹽砂土為強凍脹土。

3　數值模擬

3.1凍土三維熱傳導方程

在相同的導熱系數下，路基融土區土的三維熱傳導方程［10］為

路基凍土區土的三維熱傳導方程為

式中：下標u，f分別為所處的融、凍狀態；c，T，λ分別為質量熱容、土體溫度和導熱系數。

為了獲得各土層的質量熱容cs和導熱系數λs，可以采用顯熱容法來構造，如式（3）

3.2填土路基模型及各層土的熱物理參數

模型尺寸：寬120 m，深60 m，縱向40 m。共計單元42 200個，節點數47 603個。表1為路基土相關的熱物理參數。

表1　路基土的熱物理參數

3.3大氣溫度規律

為了使計算的相關參數更為合理，對該地區一年的大氣溫度數據通過實測獲得，并根據形態分布規律將數據擬合成正弦曲線，如圖3。

圖3　當地大氣溫度年變化擬合曲線

3.4路基土凍結深度規律

基于如圖3所示的溫度曲線函數進行數值計算，從而得到2012年10月到2013年3月期間路基土的凍深與時間的關系，如圖4。

圖4　路基土凍深隨時間的變化曲線

由圖4可以看出，路基土大約在11月初可視為有效起凍時間，隨后隨著溫度的下降凍深呈線性增加，直到第2年1月中旬凍結深度達到最大值，為0.43 m。此后由于環境溫度回升，凍深不斷減小，最終在3月中旬達到非凍結狀態。提取最大凍結深度時路基土中不同深度處的溫度情況繪于圖5。圖5顯示，0～4 m深度范圍內的溫度變化較大，且在2～4 m范圍內還出現正溫；當深度＞4 m后，其溫度趨近并穩定在0℃。更值得注意的是，深度為0.43 m時，溫度約為-7℃，這與室內試驗所測值能夠很好地吻合，也驗證了該數值模擬的準確性。

圖5　路基土溫度隨深度的變化曲線

4　路基凍脹變形模擬

借助室內試驗結果和凍深模擬數據對未凍期和凍結期的路基豎向位移進行對比模擬分析，為使模擬結果更為真實可靠，選取該地區分布最為廣泛的含鹽砂土作為路基土，其含鹽量為25.3%，含水率為20.3%。

4.1路基凍脹變形模擬

根據《鐵路橋涵設計基本規范》（TB 10002.1—2005）對路基采用“中-活載”進行計算。路基在單列中-活載作用下，計算得出未凍結和凍結期間路基斷面的豎向位移等值線圖，分別如圖6和圖7所示。

圖6　未凍結路基斷面豎向位移等值線（單位：mm）

由圖6和圖7可知，路基在單列靜載作用下，路基豎向位移等值曲線圖成扇形分布，由路基頂面向下逐漸擴散，頂面中心處位移最大；但凍結和未凍結工況下的位移等值線圖有所差異。由圖6可見整個路基土在荷載作用下均產生了豎向沉降，沉降量從上至下逐漸減小；但由圖7可以看到，由于凍脹作用，在路基上部的路基土不僅沒有沉降，反而產生了向上的位移，向上位移最大值主要分布在路基表層，這與文獻［11］的研究結果類似。

4.2路基頂面豎向位移

圖8和圖9分別為路基在“中-活載”作用下，未凍結和凍結情況時路基頂面的豎向位移曲線。對比圖8和圖9不難發現，兩者路基頂面的豎向位移有著巨大的差異。未凍脹情況下，路基頂面的豎向位移均為負值，即均發生了沉降，其最大值在路基中心線處，為-12.5 mm；兩側的沉降約為6.8 mm。基底飽和砂土凍結情況下：路基頂面整體發了凍脹變形，最大的凍脹量位于路基兩側，為13.5 mm，而路基中心線處的凍脹量相對較小，為9.2 mm。可見，經過一次凍融循環后，路基面的位移變形較大，容易產生翻漿開裂等路基病害，應對該類路基采取相應的防凍脹措施。

圖7　凍結期路基斷面豎向位移等值線（單位：mm）

圖8　未凍結時路基頂面豎向位移曲線

圖9　凍結時路基頂面豎向位移曲線

5　結論

本文借助現場檢測數據，通過室內試驗和數值模擬方法對新建錫鐵山至北霍布遜地區鐵路路基的凍脹變形規律進行了探討，發現：

1）含鹽砂土在凍結過程中有2次相變，相變點溫度分別為-6.8℃和-15.2℃，凍脹率穩定在-25℃。

2）該地區凍結期為11月到次年3月，1月中旬凍深達到最大值。

3）該線路基在凍結期會發生凍脹現象，凍融循環后，路基面的位移變形較大，在路基中心線處達到21.7 mm，兩側路肩達到20.3 mm，容易產生翻漿開裂等路基病害，建議對路基采用一定的防凍脹措施。

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Analysis on Frost Heave of Railway Subgrade in Saline Sand Area

PAN Gaofeng1，WU Yaping1，LIU Lu1，WANG Gang2，WANG Jun3
（1.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China；2.Qinghai Local Railway Construction Investment Co.，Ltd.，Xining Qinghai 810000，China；3.China Railway 16th Bureau Group Co.，Ltd.，Beijing 100018，China）

In order to study the deformation law of subgrade frost heave in Xitieshan to North Hobson railway and provide a reference for the subgrade design and construction of the railway in high saline area，the indoor frost heave test of high saline sand was carried out，whether the type of saline sand belongs to the strong frost heave soil was discussed based on the test results.T he variation law of subgrade freezing depth for a period of one year was concluded by combing with the field monitoring data and using the finite element numerical simulation.T he vertical displacements of the subgrade top in freezing and non-freezing period were compared and analyzed.T he results show that the temperatures of two phase transformation points of high saline sand in the freezing process are-6.8℃and -15.2℃respectively，the subgrade freezing period is from November to M arch of the next year，and the uplift of subgrade top center is 21.7 mm in freezing period.

Saline sand；Frost heave subgrade；Frost heave test；Numerical simulation

U213.1+4

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.23

1003-1995（2016）09-0091-04

（責任審編孟慶伶）

2016-03-23；

2016-06-28

國家科技支撐計劃（2014BAG05B05）

潘高峰（1990—），男，碩士研究生。