季節性凍土區高速鐵路混凝土基床變形研究

崔穎輝

(中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081)

引言

我國東北、西北及華北地區廣泛分布季節性凍土，尤其是東北部地區，環境非常嚴酷，冬季最低溫度在-40 ℃左右，土壤最大凍結深度超過2.0 m，屬于典型的季節性凍土環境。嚴寒季凍區路基存在凍脹問題，路基凍脹會影響鐵路的平順性和乘坐舒適度，嚴重時將影響行車安全，高速鐵路季節性凍土路基防凍脹是最為基礎、最為核心的問題。冬季軌道檢測結果表明，在已建成的嚴寒季凍區高速鐵路中部分路基地段產生不均勻凍脹，軌道結構的平順性狀態明顯劣化。

近年來，為解決季節凍土區高速鐵路路基的凍脹問題，研究人員提出了多種路基凍脹防護、監測及整治措施。閆宏業等[1]闡述了哈大高鐵的凍脹情況及機理。張玉芝等[2-3]通過一系列現場監測數據及仿真分析，研究了季凍區高鐵路基地溫場分布規律。蔡德鉤等[4]研究路基凍脹的時空特征以及線路平順性與凍脹發展過程的關系。朱忠林等[5]提出將XPS保溫板埋設在路基中，減小路基體在低溫下產生的凍脹變形。劉輝[6]總結了季節凍土區高速鐵路路基施工過程中的凍脹控制技術。張東卿等[7]從防凍脹、列車荷載影響以及瀝青混凝土封閉層耐久性三個方面研究了俄羅斯莫喀高鐵防凍脹路基。劉偉平[8]針對高鐵出現的路基凍脹現象，提出了一系列的整治措施。以上的工作對寒區高鐵特有的凍脹變形監測、防護及整治提供了良好的工作基礎。

為解決高寒地區高速鐵路路基防凍脹問題，我國采取了一系列防凍脹措施[9-16]，但在處理地下水水位較高或者排水困難的低路堤地段時，因填料基床可能造成地下水或地表水浸泡路基，使路基本體含水量增高，不利于控制路基凍脹。混凝土有高強度、高模量、低壓縮性、低滲透性等優點，混凝土基床即在基床范圍內使用混凝土代替容易發生凍脹的A、B組填料，從根源上減少凍脹的發生[14,17-18]。但在大體積混凝土基床結構在嚴寒季凍區使用尚屬首次，不可避免地會遇到極端環境溫度下結構變形問題，本文擬以哈齊高鐵混凝土基床路基地段為研究對象，分析季節性凍土區高鐵混凝土基床結構溫度-變形特性，應用有限元計算程序ABAQUS建立典型混凝土基床的溫度場、應力場分析模型，獲取了季節性凍土區混凝土基床結構變形演化規律，分析厚度、長度等關鍵參數對路基平順性的影響。

1 工程背景

哈齊高鐵全長281.033 km，路基段長度103.5 km，沿線經過扎龍濕地與龍鳳濕地，路基排水困難，最冷月平均氣溫均低于-15 ℃，最大凍結深度哈爾濱2.05 m、肇東1.89 m、大慶2.14 m、泰康2.72 m、齊齊哈爾2.09 m，屬嚴寒地區。對于路基路肩高程距離地下水位高程小于最大凍深+2.0 m，凍脹隱患較大的低路堤段落采用混凝土基床結構，段落累計總長度23.2 km。

參考TB10028—2006《鐵路路基支擋結構設計規范》與GB/T50476—2008《混凝土結構耐久性設計規范》，哈齊高鐵混凝土基床10.5 m寬范圍內澆筑C35素混凝土，表層設置鋼筋網，基床厚度不小于最大凍深+0.25 m，混凝土基床每隔20 m設置1道伸縮縫，縫寬0.02 m，縫內填塞木絲板并設置傳力桿鋼筋。橫斷面方向混凝土基床表面自路基中心至軌道底座外邊緣設2%排水坡，自軌道底座外邊緣往線路外側設4%排水坡，如圖1所示。基床兩側采用纖維混凝土封層，厚度不小于8 cm，每20 m設置1道伸縮縫，與混凝土基床伸縮縫錯縫布置。

圖1 哈齊高鐵混凝土基床方案標準斷面示意

京沈高鐵沿用了混凝土基床結構，并對結構進行了優化，見圖2。路堤地段無砟軌道正線路基基床總厚度為2.7 m，基床范圍內依次為C35混凝土，C20混凝土，級配碎石摻5%水泥，A、B組填料。C35混凝土厚0.5 m，C20混凝土厚度為最大凍結深度0.5 m，級配碎石摻5%水泥厚度為設計凍深——最大凍結深度。

圖2 京沈高鐵混凝土基床方案標準斷面示意(單位：m)

混凝土基床順線路方向每10 m設置伸縮縫，與軌道底板伸縮縫錯縫布置，縫寬20 mm，于兩布一膜頂面位置伸縮縫設置中埋式止水帶，并搭接于兩布一膜之上，其上采用聚乙烯板(厚20 mm)、聚乙烯棒(直徑22 mm)及聚氨酯封堵，其中聚氨酯填塞深度不小于14 mm。

2 三維建模及邊界條件

本文使用順序耦合熱應力分析對混凝土基床開展仿真分析，此類方法適用于應力、應變場的產生是由溫度場的存在造成的，且溫度求解的過程與應力的狀態無關，即應力、應變場依賴溫度的變化而產生，而溫度并不依賴于位移。該分析時需要兩個步驟，首先進行熱傳導的分析，第二步將溫度場的計算結果導入熱應力分析。

對于溫度應力場的計算，包括3個主要步驟：

(1)計算混凝土基床溫度場；

(2)定義混凝土基床溫度場計算結果為預定義場；

(3)將上述預定義場導入應力分析模型，進行溫度加載。

計算混凝土基床溫度應力場時，混凝土基床的初始應力狀態為自重應力，整體初始溫度取為6 ℃。在數值模型中考慮基床橫斷面為y方向的對稱約束；縱斷面約束條件考慮為沿x方向的對稱約束；底面的約束條件是沿z方向的垂直約束。圖3為數值模型概況，圖4為現場實測溫度時程曲線，加載在模型表面。表1、表2分別為數值模型所需的材料計算參數及混凝土線膨脹系數。

圖3 混凝土基床數值模型概況

圖4 基床表層溫度擬合曲線

表1 材料計算參數

表2 混凝土線膨脹系數 m/℃·10-6

3 計算結果分析

通過ABAQUS有限元軟件對高鐵混凝土路基溫度-應力場進行數值模擬，模型計算以天為時間單位。由數據實際監測頻率，每天為一個荷載時間段，全年劃分為365個時間段來進行模擬計算，計算精度達到0.1 ℃。根據現場溫度監測數據及實際情況，以2014年8月2日的路基溫度場為初始溫度場。模型上邊界條件采用試驗斷面的現場溫度，左右邊界為絕熱。下邊界條件依據有關文獻及實際溫度監測數據，可知該地區天然地面以下10 m處豎向熱交換甚微，地溫基本不變，年平均地溫6 ℃。為了全面驗證混凝土基床的適用性，計算分析不同長度、線膨脹系數在冬、夏兩季溫度梯度下，混凝土基床不同位置的變形規律。

以20 m長混凝土基床為例，在8月份時混凝土基床施工完畢，基床整體豎向變形為0 mm，經過施加溫度邊界條件，到第二年6月份時，混凝土基床表面豎向變形分布如圖5所示，在混凝土基床邊緣距初始位置約有0.5 mm的豎向變形，中點距初始位置約有0.2 mm豎向變形，最大變形差為0.3 mm，整體呈兩端低中間拱的拱形；到第二年11月份時，混凝土基床表面豎向變形分布如圖6所示，在混凝土基床邊緣距初始位置約有向上0.5 mm的豎向變形，中點距初始位置約有1.5 mm豎向變形，最大變形差為2.0 mm，整體呈兩端翹曲的拋物線形。

圖5 6月份混凝土基床豎向變形分布曲線

圖6 11月份混凝土基床豎向變形分布曲線

圖7、圖8為典型暖季、寒季混凝土基床整體變形形態。從圖7可以看出，在夏季混凝土基床沿線路方向，以分割的混凝土基床為單元，形成連續的上拱線性，但因基床在暖季施工，所以變形量較小，不足以引起軌道不平順問題。從圖8可以看出，在冬季同樣以分割的混凝土基床為單元，形成連續的兩端翹曲中部下沉的拋物線形，由于大體積混凝土的溫度變形問題，導致波峰與波谷間存在2 mm左右甚至更大的位移差，對軌道平順性有一定的影響。

圖7 夏季6月5日豎向位移場

圖8 冬季11月5日豎向位移場

3.1 10，20 m長混凝土基床典型形態分析

混凝土基床長度是影響其在溫度應力下變形的重要參數之一，圖9～圖11為10 m長和20 m長混凝土基床隨時間變化的基床中心、邊緣以及兩者之差的時程曲線。從圖9可以看出，基床中心在1月份和12月份豎向變形最大，偏離原基準位置分別接近-2.0 mm和-4.0 mm，夏季發生向上拱脹，分別達到0.5 mm和2.0 mm左右；從圖10可以看出，基床邊緣在冬季兩端翹曲，冬季翹曲量分別為0.5 mm和0.75 mm，夏季豎向變形較小，均在0.25 mm以內；從圖11可以看出，基床中心與邊緣豎向變形差在冬季時達到最大，10，20 m長變形差分別為2.5 mm和4.8 mm，在夏季變形差可達1.0 mm和2.2 mm，在春秋兩季4，5月份以及9，10月份變形差最小。混凝土基床長度越長則變形差越大，縮小混凝土基床長度能夠減少其變形幅度。

圖9 基床中心豎向位移時程曲線對比

圖10 基床邊緣豎向位移時程曲線對比

圖11 基床中心點與邊緣豎向位移之差時程曲線對比

3.2 不同溫度荷載對基床豎向變形的影響

混凝土基床的環境溫度是影響其變形的另一個重要參數，圖12～圖14為10 m長混凝土基床在大慶和沈陽溫度環境下隨時間變化的基床中心、邊緣以及兩者之差的時程曲線。從圖12可以看出，與大慶對比，沈陽氣溫環境下混凝土基床中心1月份和12月份變形量較小，均在0.5 mm以內，夏季上拱量在0.2 mm以內；從圖13可以看出，在沈陽氣溫環境下，基床邊緣豎向位移冬季翹曲量也較小，均在0.2 mm以內；在沈陽氣溫環境下，基床中心與邊緣豎向變形差也均在0.5 mm以內，對高鐵線路平順性影響較小。對比可知，氣溫環境對混凝土基床的變形影響極大，10 m長混凝土基床在沈陽氣溫環境下變形差僅在0.5 mm以內。

圖12 基床中心豎向位移時程曲線對比

圖13 基床邊緣豎向位移時程曲線對比

圖14 基床中心點與邊緣豎向位移之差時程曲線對比

4 結論

通過數值模擬獲取了季節性凍土區混凝土基床結構隨溫度變化規律，并對混凝土基床長度、混凝土基床所處環境氣溫對其變形特性的影響進行了分析，得出以下結論。

(1)在季節性凍土區環境下，由于其大體積混凝土結構的溫度梯度影響，造成了混凝土基床結構冬季兩端翹曲中部凹陷，夏季兩端下沉中部凸起的現象。

(2)混凝土基床長度是影響其在溫度應力下變形的重要參數之一，10 m和20 m長混凝土基床中心與邊緣豎向變形差可達2.5 mm和4.8 mm，混凝土基床長度越長則變形差越大，縮小混凝土基床長度能夠減少其變形幅度。

(3)環境溫度對混凝土基床變形影響較大，在沈陽氣溫環境下，10 m長混凝土基床在沈陽氣溫環境下變形差僅在0.5 mm以內，對高鐵平順性影響較小。

混凝土基床是一種新型的高速鐵路路基防凍脹結構，對其的適用性研究尚屬起步階段，今后應進一步加大混凝土基床對軌道結構的平順性影響的研究。