季節性凍土區鐵路路基凍脹變形特性研究

曹太平

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

近年來，伴隨著我國高速鐵路建設的快速發展，列車對線路平順度、安全性的要求顯著提高，而鐵路路基的穩定性和變形控制是高速鐵路路基設計和施工的關鍵[1]。我國東北、華北、西北等地區廣泛分布有季節性凍土，在這些地區修建高速鐵路，應著重考慮路基凍脹變形。對季節性凍土區高速鐵路路基凍脹變形影響因素、規律及防治措施等問題的研究已取得了很大的進展，如石剛強等通過工程實例觀測，分析影響嚴寒地區鐵路客運專線路基凍脹的主要因素，并從地基防凍脹處理、路基防凍脹結構設計、路基排水三個方面提出了具體的防治技術[2-3]。趙潤濤等結合哈大客運專線沈大段路基工程設計情況，對季節性凍土區客運專線路基工程防凍脹處理措施進行了說明[4]。趙曉萌采用基于物聯網技術的凍脹監測系統及水準測量方法對牡綏鐵路路基進行凍脹監測，研究其路基凍脹規律[5]。

沈丹客專起自沈陽南站，經本溪、南芬、通遠堡、鳳凰城，止于丹東市，正線全長205.704 km，其中，路基段長39.928 km，設計時速250 km。沿線屬于濕潤-半濕潤大陸性氣候，冬季漫長寒冷，夏季短促溫暖，降雨主要集中在7～8月，春秋多風。按鐵路工程分區為寒冷地區，沿線極端最低氣溫-33.6℃，最冷月平均氣溫-11.4℃，年平均降水量925.6 mm，土壤最大凍結深度104～149 cm。

為了減小路基的凍脹變形，在設計和施工中采用換填路基材料、改善基床結構、設置防凍脹層、加強地表水與地下水排泄等防凍脹措施。通過建設期(2012～2015年)三個完整凍融周期的凍脹變形監測工作，研究路基凍脹變形發生、發展和變化規律，驗證防凍脹措施效果，為其他季節性凍土區高速鐵路的設計和施工提供參考。

1 路基防凍脹設計

引起路基發生凍脹的主要影響因素為具凍脹敏感性的土、負溫和水。在路基防凍脹設計和施工中，應針對這些影響因素采取防凍脹措施，減小路基凍脹變形[6-7]。

1.1 路基基床填料設計

基床表層采用級配碎石摻5%水泥填筑，厚0.4 m，水泥為P.042.5級普通硅酸鹽水泥，碎石填料顆粒粒徑d≤0.075 mm?；驳讓訛锳、B組填料，填料細顆粒含量小于5%(最大凍結深度范圍)，壓實后小于7%；壓實后滲透系數不小于5×10-5m/s[8-9]。

1.2 基床換填

(1)短路基段落

短路基(≤60 m)及設置滲溝困難地段采用混凝土基床(C35混凝土澆筑)，厚度不小于土壤最大凍結深度+0.25 m，基床兩側填筑A、B組土。

(2)硬質巖路塹

硬質巖基床地段路基面以下設置0.2 m厚的C35素混凝土封層(用高壓水沖洗原地層后進行混凝土澆筑，配置φ12@200面筋)。

(3)非硬質巖路塹

對于非硬質巖地段，基床表層底面至最大凍深范圍內換填非凍脹A、B組土。

1.3 排水設計

基床表層排水:軌道底座間及兩側路肩范圍設置8 cm厚C30纖維混凝土封水層。對于排水困難地段(如疏導條件差或地下水位高的路塹地段)，可在單側或兩側設置滲水盲溝。

1.4 防凍脹層施工及檢測

為保證路基防凍脹性能，應加強路基防凍脹層的設計、施工、檢測工作。防凍脹層填料細顆粒含量、滲透系數必須滿足規范要求。填筑前選擇代表性地段做壓實實驗，確定工藝參數。防凍脹層應嚴格按照代表性實驗確定的工藝參數進行施工及檢測。

2 凍脹變形監測方案及實施[10-12]

2.1 水準觀測斷面間距布設原則

采用幾何水準測量方式，對選取段落進行路基面凍脹變形觀測。觀測斷面間距一般為50 m，沿線路方向布置，路基連續段落較長且填筑條件較好的地段可放寬至100 m，在路橋、路涵、路隧過渡段及咽喉區等特殊地段進行加密設置。

2.2 水準觀測點位置

根據路基填筑情況，每個監測斷面布設3個監測點，分別位于路基線路中心及底座板邊緣附近，如圖1所示。

圖1 水準測量觀測斷面監測點布設

在軌道底座板上，每個觀測斷面布設4個凍脹觀測點，分別位于軌道底座板左右肩上，從左至右分別為1號測點，2號測點，3號測點，4號測點，如圖2所示。

圖2 底座板凍脹觀測點布設

2.3 自動監測元器件布設

在每個觀測斷面左、右線底座板外緣下布設觀測元器件，埋設位置及元器件布置如圖3、圖4所示。

圖3 斷面元器件布置示意

圖4 凍脹計按照示意

2.4 監測點布置情況

結合沈丹客專現場建設進展及每年的觀測情況，在2012年～2015年連續3個冬季，采用人工觀測和自動監測相結合的方式，開展了全線路基面凍脹變形觀測工作。人工觀測斷面、自動觀測斷面及觀測點布置數量如表1所示。

表1 每年觀測斷面及觀測點布置

3 建設期監測結果分析

3.1 路基凍脹變形隨時間變化特征

在季節性凍土區，路基土體溫度隨大氣溫度的變化而改變，即冬季溫度降到0℃以下后，最大凍結深度范圍內土體發生凍脹變形[13]，影響線路安全。圖5為沈丹客專建設期路基代表性監測斷面(DK33+000)完整凍融周期(2014～2015年)的監測數據。

圖5 凍脹規律示意

由圖5可知，路基凍脹變形大致可分為5個階段:第一階段為凍脹波動階段；第二階段為凍脹快速發展階段；第三階段為凍脹變形穩定階段，凍脹變形趨于平穩；第四階段為波動融沉階段(氣溫回升，凍脹呈現一定的波動)；第五階段為變形穩定階段，即隨著氣溫的逐漸回升，凍層消失，凍脹回落到最小[14-15]。

12月份以前，隨著氣溫的變化，凍脹變形具有一定的波動；12月中旬以后，隨著零度以下時間的持續增長，凍深穩步增加，到次年2月中旬監測斷面的凍深值達到最大；3月初氣溫逐漸變暖，凍深也隨之減小，凍脹變形明顯減小(進入融沉階段)；3月底以后，各測點地溫全面進入0℃以上，凍層消失。

一般來說，凍脹變形在12月下旬已經進入穩定期，而凍深仍在逐漸發展(在次年的1月中旬基本穩定，2月中旬達到最大值)。說明凍深達到一定的深度后，凍深的變化對凍脹變形的影響減小，且凍脹變形穩定期的時間要比凍深穩定期的時間要長。

3.2 路基凍脹變形人工觀測數據分析

三年的水準監測數據對比如圖6及表2。

圖6 建設期全線路基面最大變形情況

表2 全線路基面凍脹變形統計對比_

由圖6和表2可知:2012～2015年，凍脹變形小于4 mm的觀測點占各年全部測點的比例從56.5%上升至99.52%；變形量位于4～8 mm之間的測點占各年全部測點的比例從25.6%降至0.45%；變形量位于8～12 mm之間的測點占各年全部測點的比例從12.7%降至0.02%；變形量大于12 mm觀測點占各年全部觀測點的比例從5.2%降到0。由此可知，隨著施工中防凍脹措施的應用，全線路基凍脹變形得到了較大改善，小凍脹(2014～2015年變形量小于4 mm的觀測點占全部測點的99.52%)沿線均布，大凍脹僅為個別現象。

2012年冬季各監測點凍脹量小于4 mm的比例為56.5%。對凍脹量大于8 mm的路段，進行了補強處理。經分析發現，導致凍脹量較大的主要原因為2012年冬季沿線各地區氣溫較往年低，路基填筑預壓土清理不干凈，外界水滲入路基本體等。2013年采取了清除預壓土，控制填料細顆粒含量等措施，全線監測點凍脹量小于4 mm的比例也提高至78.06%。2014年冬季，路基表面封閉層及底座板施工基本完成，進一步減少了滲入路基本體的水量，其最大凍脹量也逐漸減小。說明隨著路基防凍脹措施的逐步完善，路基凍脹變形得到有效的控制。

3.3 路基凍脹變形自動監測情況分析

2013～2014年，選擇了沈丹線三個凍深區域(1.49 m、1.38 m、1.04 m)6段路基共6個監測斷面進行分層凍脹監測，2014年～2015年，在2013～2014年的基礎上新增了8個凍脹監測斷面，根據監測結果，選取以下兩個典型觀測斷面進行分析。

(1)DK39+250斷面

該斷面凍深及凍脹變形隨時間的變化情況如圖7所示(最大凍脹變形為0.48 mm)。2014年12月初開始，凍脹變形快速增長，2014年12月下旬至2014年3月上旬凍脹變形呈現波動變化，3月中旬凍脹變形快速回落。2015年2月15日～16日凍深達到最大值。

圖7 DK39+250斷面凍脹計凍脹及凍深隨時間的發展情況

(2)DK196+190斷面

圖8 DK196+190斷面凍脹計凍脹及凍深隨時間的發展情況

該斷面凍深及凍脹變形隨時間的變化情況如圖8所示(最大凍脹變形為1.57 mm)。12月20日開始產生凍脹變形，2014年12月20日～2015年1月10日為快速增長期，2015年1月10日～2015年3月22日為凍脹變形穩定期，2015年3月22日至2015年3月末為快速回落期，穩定期凍脹變形主要集中在0.5～1.1 m深度范圍內，2015年2月15日～16日凍深達到最大值。2014～2015年度凍深及凍脹變形隨時間的發展趨勢與2013～2014年度基本相同。

4 結論

(1)影響路基凍脹的主要因素有:填料細顆粒含量、水和溫度。防凍脹的措施有:控制細顆粒含量、級配碎石摻水泥、纖維混凝土全封閉等。

(2)路基凍脹具有一定的內在規律，其發展變化過程可劃分為凍脹初始波動、凍脹快速發展、低速穩定持續發展、波動融沉、融沉穩定5個階段。