高寒凍融區高速鐵路路塹工程溫度場特性分析

亓守臣

中鐵十四局集團有限公司，濟南250101

每年季節性凍土經歷的凍融循環作用將引起路基內部水分場、溫度場和位移場的變化和重分布，導致路基承載力下降，產生凍脹融沉、翻漿冒泥、基床土體松散、局部沉陷等病害。這些病害將嚴重影響行車質量，甚至威脅行車安全。國內自20世紀50年代末開始研究季節性凍土的凍脹，經過半個多世紀，在凍脹量、凍脹機理等方面取得了很大進展，得出了季節性凍土標準凍結深度的確定方法［1］，提出了季節性凍土的工程分類方法［2-5］，探索了凍脹量沿凍結深度的分布。葉陽升等［6］對鐵路路基填料防凍脹特性進行了全面的研究，建議在凍土區設置路基防凍層，并提出了防凍層填料細粒土含量的限值。上述研究大多是針對季節性凍土區普通鐵路的。普通鐵路行車速度慢，對變形限值較寬松，發生凍害時可以利用行車間隔進行維修養護。但是，目前我國高速鐵路進入跨越式發展階段，對路基的沉降變形限制非常嚴格，要求路基工后沉降不超過15 mm，過渡段沉降差不大于5 mm，縱向不平順不大于1/1 000，軌道高低不平順不超過2 mm（20 m弦長）。

在季節性凍土區，除了工后沉降的影響，季節性凍土的凍脹變形也對高速行駛的列車形成威脅。聶志紅等［7］通過室內試驗研究了細顆粒含量、孔隙率和含水率對級配碎石凍脹的影響規律，得出三者對級配碎石凍脹影響程度的大小關系為：細顆粒含量<孔隙率<含水率。邰博文等［8-11］通過現場原位試驗揭示了寒區高速鐵路路基中的溫度、含水率與凍脹變形隨時空演變的內在機理。田亞護等［12］采用有限元方法對季節性凍土區既有鐵路和新建客運專線無砟軌道路基設置隔熱層后的路基溫度場進行了對比分析，認為新建路基在路面鋪設保溫隔熱材料后保溫效果良好。趙國堂［13］將軌道不平順和無砟軌道結構傷損控制所對應的凍脹波長與峰值結合起來，提出了寒區高速鐵路無砟軌道路基凍脹管理標準的確定方法。

上述研究主要是針對季節性凍土區普通鐵路、高速鐵路路基產生凍脹的影響因素和凍脹變化規律的研究，但關于深季節性凍土區高速鐵路路塹工程溫度場演變特性的研究成果較少。因此，本文依托我國首條高寒深季節性凍土區牡丹江—佳木斯高速鐵路工程，深入研究寒區高速鐵路路塹工程的溫度場，為確保寒區高速鐵路的長期安全運營提供技術支持。

1 試驗設置

為了研究高寒深季節性凍土區級配碎石和粗粒土作為基床填料時路塹工程溫度場的變化特性，選取高寒凍土區牡佳高速鐵路樺南段DK234+200（1#）和DK234+250（2#）為典型路塹試驗斷面，監測儀器布置如圖1所示。

圖1 典型路塹試驗段斷面監測儀器布置示意

牡佳高速鐵路樺南段典型路塹工程溫度場動態測試系統由5個8.5 m長的熱敏電阻串（圖1中藍色線所示）組成，用于監控路塹斷面不同位置的溫度，熱敏電阻的精度為±0.05℃。熱敏電阻串分別放置在8.5 m長的鋼管內，以防止水侵蝕失效。根據鉆探資料，沿線天然地面的最大季節凍結深度為2.3 m。所有監測數據均使用全自動數據采集儀收集，每月讀取10次。為保證數據的可靠性，數據采集系統放置在40 cm×40 cm×60 cm特制鋼箱內，由太陽能供電裝置持續供電。

2 試驗分析

2.1 凍融過程分析

兩個試驗斷面的路塹中心（級配碎石和粗粒土）和天然坡頂（粉土）凍結深度隨時間和空間的變化曲線見圖2。可知：路塹中心的初始凍結時間和初始融化時間均晚于天然坡頂的初始凍結時間和融化時間。造成這種差異的主要原因是：①路塹填料的顆粒粒徑大于天然坡頂粉土，導熱系數比天然坡頂粉土的大，導致路塹的凍結深度大于天然坡頂；②根據現場鉆孔資料可知，路塹填料的初始含水率小于天然坡頂粉土，而土的凍結深度與含水率的平方根成反比，這將導致路塹內部凍結深度大于天然坡頂。同時，路塹中心的凍結周期較短，且其凍結深度大于天然坡頂，這意味著路塹中心的凍結速率大于天然坡頂。

圖2 不同試驗斷面凍結深度隨時空的變化曲線

兩個路塹斷面在3月中旬（最大季節凍結深度時刻）的凍融界面見圖3。可知，1#路塹左側邊坡的最大凍結深度大于右側邊坡。主要原因是該試驗段在寒季的主風向為西北風（即從路塹右側邊坡吹向左側邊坡），這將導致左側邊坡吸收更多的冷量；加之線路走向角為西南向，線路存在顯著的陰陽坡現象，這將導致路塹左側邊坡的日照量小于右側邊坡。對于深季節性凍土區的構筑物，無論是天然地面還是路基工程，凍結過程均為地表向下的單向凍結，而融化過程則是由地表向下和由最大凍結深度向上的雙向融化，但融化過程主要以由地表向下融化為主。

圖3 路塹斷面在最大季節凍結深度時刻的溫度（單位：℃）

2.2 地溫沿深度變化

深季節性凍土區兩個路塹中心在全季節內地溫沿深度的一般變化特征見圖4。可知：①在深季節性凍土區地表至最大季節凍結深度范圍內，地溫變化劇烈，且隨深度的增大，地溫變化的幅度逐漸減小。這一范圍內的土層將直接影響土體水分遷移的方向和強度。②最大季節凍結深度到年地溫變化深度范圍內，地溫隨深度的增加其變化幅度逐漸變小。由此可以預估在年變化深度以下，地溫基本不隨時間變化，僅與外界長期氣候的變化有關。③深季節性凍土區的路塹工程還存在季節凍結層，寒冷季節從地表向下凍結，暖季從地表和最大季節凍結深度發生雙向融化。

圖4 深季節性凍土區路塹中心在全季節內地溫沿深度的一般變化特征

季節凍結層的地溫在0℃上下波動，這種波動將對土體內部的一系列物理力學狀態、相變潛熱的釋放和吸收以及冰的離析產生重要影響。因此，對于深季節性凍土區路基工程的抗凍脹防治措施的研究，其季節性凍融層的時空發展過程、溫度狀況和厚度是關鍵。因此，在這類地區，可以通過增加進入基床表面熱量或減少路基內部熱量擴散的角度來減小最大季節凍結深度和凍脹變形。具體的保溫吸熱措施如：在基床表層鋪設保溫材料（吸熱瀝青層或瀝青混凝土層）來抬高基床結構的最大季節凍結深度，進而控制路基工程的峰值凍脹。

2.3 地溫隨時間變化

兩個深季節性凍土區路塹中心不同深度處地溫隨時間的變化曲線見圖5。其中，氣溫趨勢線是氣溫的擬合值。可知：①在氣溫下降至0℃階段，兩個路塹中心不同深度處的地溫均隨外界氣溫的降低而逐漸減小，當外界氣溫在1月下旬達到最小值時，近地表的溫度（距地表1 m深度內）達到全年最小值。②在外界氣溫升高至0℃時，近地表的溫度隨外界氣溫的增大而逐漸增大，而此階段深部土體的溫度仍處于減溫階段。由此說明，近地表的地溫受外界氣溫的影響較顯著，而深部土體的地溫受外界氣溫的影響較弱，且深部土層地溫的變化相對于氣溫變化呈滯后現象。主要原因是外界氣溫對不同土層地溫的影響隨土層深度的增大而逐漸減弱。③外界氣溫升高至0℃以上時，路塹中心不同深度處的地溫與外界氣溫的變化趨勢一致。

圖5 深季節性凍土區路塹中心不同深度處地溫隨時間的變化曲線

不同深度處的地溫在全年均呈正弦趨勢，且不同深度處地溫的變化幅度隨深度的增大而逐漸減小。在一定深度處地溫變化趨于一條直線，說明此深度的土體處于熱穩定狀態。

3 數值模擬

3.1 幾何模型及物理參數

路塹工程的計算模型如圖6所示。在實際的線性工程問題中，路塹在縱向上被認為是無限長的。因此，使用二維平面坐標系建立數值模型。根據牡佳高速鐵路樺南段路塹工程現場試驗段，路塹計算模型尺寸為：路塹的深度約為8 m，基床寬度為10 m，坡度為1∶1.5。70 cm厚級配碎石鋪設于基床表層，粗粒土換填層鋪設于級配碎石層以下，厚2.4 m。在數值計算中，路塹中心基礎深度設置在10 m，左右坡頂的計算寬度設置為3 m。采用三角形單元網格細劃。各土層物理參數見表1，其中，ρ土體的密度；Cf和Cu分別為土體在凍結和融化狀態下的體積熱容；λf和λu分別為土體在凍結和融化狀態下的導數系數。

圖6 寒區典型路塹工程計算模型

表1 不同土層的物理特性

3.2 數學方程

在凍土路塹工程溫度場計算中，應考慮不同介質（土、水、空氣和冰）的熱傳導和冰水相變，而忽略熱對流等影響。未凍水含量被認為是溫度的函數。本文僅考慮采用顯熱容法計算凍土路塹工程的溫度場，計算式為

式中：C為土體的有效體積熱容；T為土體的溫度；t為時間；λ為土體的有效導熱系數。

假設含水介質的相變發生在溫度T+ΔT（ΔT為相變區的溫度誤差）內。在建立等效體積熱容后，分析溫度差對有效體積熱容的影響。假設介質的體積熱容和導熱系數是可以獨立于溫度而確定的變量。因此，C和λ計算式為

3.3 模擬過程與模型驗證

路塹的水分邊界被確定為無補水條件。根據現場監測結果，將路塹工程模型底部的熱邊界條件設定為7℃。根據土體邊界層理論和實測溫度數據，設置溫度上邊界條件。通過對地表以下0.3 m地溫的現場實測，得到計算所需的參數。溫度計算式為

式中：T1為年均地溫；εi為地溫的振幅；φ為地溫的相位。

在第一類熱邊界條件下，且沒有路塹工程的情況時，土壤的溫度場可以用路塹的上熱邊界作為天然地表的熱邊界，按照式（4）計算50年穩定后的溫度場作為天然地基的初始溫度。考慮路塹工程，根據式（4）添加路塹的上部熱邊界條件。邊界層底部的溫度被視為路塹基床溫度場模擬的上邊界條件，見表2。

表2 路塹溫度場的上邊界條件

根據路塹工程數值模擬結果，0℃作為確定季節凍融深度的基準。路塹斷面在3月中旬和7月中旬路塹斷面的溫度場分布見圖7。路塹中心凍融深度的計算值和實測值見圖8。可知，模擬所得凍融深度的發展趨勢可較好地反映實際凍融深度。二者均在3月下旬達到最大季節凍結深度，誤差控制在0.3 m以內。路塹中心的季節凍結過程從11月持續到次年4月。模擬所得凍結層的完全消失時間比實測值滯后約8 d。其原因可能是實測值存在離散性。計算值與實測值存在一定的偏差是合理的。

圖7 路塹斷面在3月中旬和7月中旬的溫度場分布

圖8 路塹中心凍融深度的計算值和實測值

4 地溫場影響因素

4.1 積雪覆蓋

牡佳高速鐵路沿線佳木斯市近10年的積雪覆蓋深度、地表溫度和最大季節凍結深度的實測值見圖9。可知，積雪深度與地表溫度或最大季節凍結深度之間存在顯著的對應關系。積雪覆蓋厚度越大，地表溫度越高，土體的最大季節凍結深度越淺。

圖9 佳木斯市近10年的積雪深度、地表溫度和最大季節凍結深度

在深季節性凍土地區，高速鐵路基床表面的積雪會對基床起到保溫作用，有利于降低路基的最大季節凍結深度。但由于春融季節融雪水的滲入，基床表層含水率將大幅增加。當晝夜溫差較大，下層土仍處于負溫狀態時，基床表層極易產生峰值凍脹或翻漿冒泥病害。為保證深季節性凍土地區高速鐵路路基的長期服役性能，建議在基床表層采取隔水防滲措施，主要包括防水土工布、防滲材料或防水密封瀝青層。

4.2 寒區邊坡失穩

春季邊坡開始融化，表層土中的孔隙水不能及時排出，達到飽和或過飽和狀態。邊坡土體的抗剪強度降低，邊坡在自重作用下發生失穩坍塌。影響寒區路塹邊坡工程失穩的主要因素為：①邊坡土的類型。在凍融循環條件下，細粒土邊坡較粗粒土邊坡更容易發生失穩滑塌。其原因是細粒土孔隙比小，吸濕性強，毛細性強。②邊坡形狀特征。邊坡的幾何形狀直接影響邊坡的穩定性。坡度越大，穩定性越差。一般來說，凍土區陽坡的滑動概率較大，這是由于夏季日照時間較長，融沉深度較深，冬季積水較多。③氣候環境。氣候環境主要以降雨、降雪和季節氣溫變化的形式影響凍土邊坡的穩定性。降水量的增加導致地下水位上升，地下水滲流發生變化，土壤飽和程度增加；冬季融雪后入滲量增加，透水性增加。季節性氣溫變化主要影響凍土的滲透性、密實度、含水率、力學性能。④邊坡植被。植被的根系可以保護坡面，防止水土流失。植被豐富地區的邊坡穩定性較好，植被破壞區邊坡穩定性較差。

此外，在寒區處理凍土邊坡工程災害時，應注重工程重要性的分類，進而認識凍土邊坡病害的主要成因和凍土邊坡本身的特點。寒區邊坡工程采取防治措施時應遵循以下原則：①根據工程類型和主要病害對癥選擇，綜合考慮排水與擋土墻相結合等多種因素。②采取工程措施與生態措施相結合的方法。坡面種植植被可以通過植物根系調節土壤水分含量。根系與土壤形成的復合體不僅可以提高邊坡土壤的力學性質，提高凍土邊坡的穩定性，而且還可以減少地表水土流失，美化環境。

5 結論

1）路塹中心土體的初始凍結時間和融化時間均晚于天然坡頂。路塹中心的凍結速率大于天然坡頂的凍結速率。路塹中心的凍結深度大于天然坡頂的凍結深度。路塹工程的凍結過程主要為自上向下的單向凍結，而融化過程分別為自上向下和從下向上的雙向融化。

2）季節凍融層的時空發展過程、溫度狀況和厚度是深季節性凍土區路基工程凍融災害預防的關鍵。通過增加進入基床熱量或減少基床體內熱量擴散的角度可以達到減小凍結深度的目的。具體措施如：在基床表層鋪設防滲吸熱材料（瀝青混凝土封閉層）來抬高基床的最大季節凍結深度。

3）在深季節性凍土地區，高速鐵路基床表面的積雪會對基床起到保溫作用，有利于降低基床的最大凍結深度。但春融季節融雪水的入滲將導致基床表層含水率大幅增加。

4）寒區邊坡的失穩主要發生在邊坡的凍融交界面處。影響寒區路塹邊坡失穩的主要因素為邊坡土性、邊坡形狀特征、氣候環境、邊坡植被。為確保寒區邊坡工程的穩定性，在采取防治措施時應遵循工程措施與生態措施相結合的方法。