高原高寒地區高速鐵路保溫護道路基溫度場的分布研究

李元強

摘要：高原高寒區分布著廣泛的季節性凍土，冬期時該區段高速鐵路路基通常會產生比較嚴重的凍脹病害，為了減小外界低溫對路基土體的影響，通過在路基兩側邊坡鋪筑保溫護道對內部土體進行保溫。本文以蘭新高速鐵路為研究對象，調研了凍脹嚴重路段的凍脹情況，基于氣溫實測資料建立了溫度場的邊界條件，并運用ANSYS有限元軟件，分析了不同護道高度對路基溫度場分布的影響，研究了冬期路基沿斷面橫向和深度方向的溫度變化特征。研究結果表明：保溫護道對距離路基中心較遠的路肩和護道下方的土體凍脹影響較明顯，能夠有效縮小路肩部位的凍結深度。研究成果對高速鐵路路基凍脹的預防和整治具有一定的指導意義。

關鍵詞：高速鐵路;季節性凍土;路基凍脹;保溫護道;溫度場

中圖分類號：[U24] ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

1.前言

季節性凍土相對多年凍土更不穩定，冬期土體凍脹變形，當天氣回暖，土體又會發生不同程度的融沉現象，常年保持周期性的凍融循環作用。季節性凍土區的高速鐵路盡管施工標準高，但難免在凍脹深度較大的條件下，路基表面仍會產生凍脹變形，引起無砟軌道結構的不平順，嚴重情況下會對列車的運行安全產生威脅，增加線路的養護維修費用[1-6]。目前凍土路基主要采用保溫的措施來防治凍脹，常見的包括保溫護道法和保溫板法。鋪設保溫護道不僅對路基填土起到保溫作用，還能防止雨水通過邊坡滲入路基土體[7-8]。

溫度是路基凍脹的一個關鍵性因素，當土體溫度降低到冰點以下時，內部的水分開始凍結，隨著溫度繼續降低，未凍區的水分含量減少，路基的凍結深度增加[9-10]。因此，溫度場的分布反映了土體中水分凍結分布特征，研究不同高度的保溫護道對路基溫度場影響，對整治路基凍脹病害有重要的指導意義。

2.路基溫度場模型的建立

2.1 工程概況

蘭新高速鐵路門源至浩門區段處于典型的高原高寒地區，線路通過海拔2500m左右的祁連山地段，地層多為洪積粉土、圓礫土和卵石土，路基周圍多為耕地。門源地區晝夜溫差較大，冬期溫度低，持續時間較長，并且受西南暖濕氣流的影響，年平均降雨量較大，氣候陰濕。祁連山夏季融雪水易在路基一側形成積水，雨期降水會通過道床板伸縮縫、裂縫、邊坡等滲入路基內部，由于路基兩側路基多為耕地，地下水位通常較高。以上地質、氣象及水文條件都為該地區的路基凍脹提供了非常有利的條件[11-13]。

2.2 溫度場模型

高速鐵路線路在很長距離上保持相同斷面，故可以視為線性土工構造物，在對路基溫度場進行計算時，可以將其簡化為平面問題處理。根據蘭新高速鐵路路基設計圖紙和現場勘察資料，路基溫度場模型橫斷面具體尺寸和土質情況如圖1所示。

所建路基模型為路堤形式，并對道床板及封閉層結構進行了簡化;路基基床表層填料為級配碎石、基床中下層為A、B組合填料;保溫護道寬度為2m，填料與路基材料相同;地基沿地表向下取10m，表面為1.5m厚的粉土，下部為8.5m厚的圓礫土。

根據相關參考文獻[11-13]，所建路基溫度場模型分別在凍結和融化狀態下的熱分析參數見表1。

2.3 熱邊界條件

盡管路基表面所受到的外界溫度條件較為復雜，但主要以熱學中的第一類邊界條件為主。根據路基的部位又分為上邊界條件、左右邊界條件和下邊界條件，不考慮路線兩側外界溫度的差異。通過對2018年10月至2019年10月門源地區路基周圍的氣溫監測，收集的平均溫度通過處理得到的擬合曲線見圖2。

根據氣溫實測數據和附面層原理[14-15]，可得到路基溫度場的上邊界條件表達式為

（1）

式中：T0為該地區的年平均溫度，取1.1℃;

R0為氣溫年增長量，取0.03℃/a;

A0為附面層底的年地溫振幅，取15℃;

為初相位置，取 ;

ΔT為附面層的溫度增量，取3℃。

由于地基左右邊界距路基邊坡有20m的距離，兩側溫度變化對路基溫度場的影響幾乎可以忽略，故取左右邊界的溫度梯度為零。下邊界條件可參考相關文獻，門源地區地層溫度在天然地表以下10m范圍達到了穩定，維持在為10℃。

3.數值模擬結果分析

為了對比不同護道高度對路基溫度場的影響，本文分別建立了護道高度為0m、1.5m、4.5m和5m的模型。通過對模型整個冬期的溫度場計算，路基不同部位的土體的最大凍深均出現在3月份，圖3為2018年3月份時路基不同保溫護道高度條件下的溫度場分布情況。

由圖3可以看出，不同工況下的路基溫度場分布大致相同，等溫線在路基處向上拱起，呈現出正弦形式，路基表面的溫度低于天然地表溫度。路基及天然地表由表面向下一定深度的溫度梯度比較大，底部的溫度比較穩定，沿深度方向變化微小。為了說明護道高度對路基溫度場的影響情況，將不同護道高度下路基不同部位的土體凍結深度列出，見表2。

從表2可知，在相同護道高度下，護道處的凍結深度最大，在護道高度5m時達到了3.47m;也反映出路基橫向距離路基中心處越遠，該部位處凍結深度越大。隨著路基保溫護道的增高，路基中心處的溫度分布基本相同，凍結深度變化較小，可認為護道高度變化對路基中心溫度場基本無影響;路肩部位受到護道的保溫效果較明顯，土體的凍結深度由無護道時的3.15m減小到5m護道下的2.60m，約占不同路基凍深的17.5%;然而并非隨著護道高度增加，路基中心兩側的凍結深度就保持減小，計算結果顯示，護道處的凍結深度在4.5m處達到了達到了最小，隨著護道高度繼續增加，凍結深度出現了增長現象。

4 結語

通過處理凍脹地區的氣溫監測數據確定了路基溫度場的邊界條件，并運用有限元方法建立了不同護道高度的路基模型，對溫度場結果進行了分析，主要研究結論如下：

（1）路基內的等溫線呈現出正弦形式，路基表面及天然地表在一定深度范圍的溫度梯度變化劇烈，地基底部的溫度比較穩定。

（2）在護道高度相同時，距離路基中心較遠的部位凍結深度相對較大，即護道處的凍結深度相對路基中心和路肩處的凍結深度較大。

（3）伴隨著護道高度的增加，路肩部位的凍結深度逐漸減小，對路基中心處的溫度影響較小，考慮護道處凍結深度在高度達到4.5m以后，出現了增長，工程中可取路基護道最佳高度為4.5m。

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