高寒地區鐵路路基凍脹特性及防治措施研究

郗建軍 何曉文 吳玉哲 楊顏華

摘要：隨著我國交通運輸行業的快速發展，高寒地區鐵路建設正在大規模進行，然而路基凍脹卻成了鐵路建設及運營的難題之一，為研究高寒地區鐵路路基凍脹病害及其防治措施，以某高寒鐵路路基典型斷面作為研究對象，在已有對路基凍脹研究的基礎之上，根據路基現場監測變形，結合具體工程特點，對高寒地區鐵路路基凍脹機理進一步探析。結果表明，鐵路路基凍脹與水分、溫度、顆粒含量、壓實度有著密切關聯，其凍脹率與水分、顆粒含量呈正相關，與溫度、壓實度呈負相關，由此提出一種路基排濕、通風的技術方法，這一技術方法可為研究高寒地區高速鐵路路基凍害治理提供參考。

關鍵詞：高寒地區;鐵路路基;凍脹特性;防治措施

中圖分類號：YU433???????????? 文獻標志碼：A

0引言

隨著全國經濟的快速發展，我國正在高寒地區展開大規模的鐵路建設，而高寒地區土體的凍脹現象對鐵路建設及運營產生了嚴重影響[1]，因此研究并解決高寒地區高速鐵路路基病害問題具有重要價值。

目前，對高寒地區鐵路路基凍脹變形研究方式主要有理論分析與現場監測，相關學者針對不同工程實例進行了一些研究工作。俞文兵、賴遠明、張學富等人[2-3]根據青藏高原地區的工程地質、水文條件、氣候環境、路基填料等特征，利用室內凍脹試驗研究鐵路路基在修筑以后的溫度場發展變化情況; Hoekstra和Miller[4-5]通過粗略的室內凍結試驗，對土體發生凍脹時水分遷移規律進行了探析;類似的，一些學者從理論角度出發，對凍土進行了理論研究。朱志武等[6-10]對凍土路基多場耦合本構關系及理論模型進行了研究。馬巍、王大雁等[11]對土凍結過程中的水分遷移、凍土力學特征及流變性進行了深入的理論與試驗研究。

為了給高寒地區鐵路路基建設及凍脹變形病害治理提供技術理論參考。本論述根據路基現場監測變形，結合已有的凍脹研究基礎，分析了在考慮受溫度、水分、顆粒含量影響下鐵路路基的變形特征，通過封閉系統下凍脹試驗確定了路基的變形規律，并提出相關治理措施。

1工程概況及現場監測

1.1工程概況

該線路主要經過了渭北、隴東黃土臺塬及梁峁溝壑區、毛烏素沙漠西南邊緣和銀川黃河沖積平原等區域，地勢呈兩邊低、中間高，受不同地貌、地質、氣象氣候、水文等諸多因素影響，沿線水文地質條件差別較大，地下水的分布及特征較為復雜，地下水主要為第四系松散層孔隙水及基巖裂隙水。凍脹段路基屬于半干旱大陸性氣候，春遲夏短，秋早冬長，晝夜溫差大，四季分明，年平均氣溫9.2℃～13.9℃，雨季主要集中在7～9月，局部暴雨多，常引起洪災，年平均降水量409.5～546.5 mm，年最大降水量848.9 mm，降水量自南向北遞減，年平均蒸發量1490.2～1565.8 mm;年平均風速1.6～2.4 m/s，最大風速38 m/s。

1.2現場監測

高寒地區鐵路路基，在寒冬季節會產生凍脹現象，此類現象會導致路基發生不均勻變形，由于路基變形的傳遞作用，會導致軌道結構發生變形，同時會對路基行車平順性造成影響。利用軌道幾何狀態檢測儀對 K298+700～K299+140段進行監測，具體如圖1所示。

經整理可以得到路基凍脹變形監測數據，其中2020年12月數據如圖2所示。

由圖2可以看出，整體變形沿路基長度呈波浪形式，結合路基的變形形式[12]，可以認為該段路基變形曲線為正（余）弦曲線，此種變形曲線在研究路基凍脹及不平順性方面得到了廣泛應用。此段路基變形最大凍脹量為10.0 mm，最小凍脹量為5.0 mm，平均凍脹量為 6.0～7.0 mm，在0～50 m及200～250 m兩段內，凍脹量基本在0～6.0 mm范圍內波動，在50～150 m整體大于凍脹量平均值，在150～200 m及250～300 m局部位置出現峰值，為典型的凍脹正（余）弦曲線。

2 室內試驗

2.1試驗設計

土體的凍脹現象主要受水分、溫度、細顆粒土含量、壓實度的影響，在土-水-氣三相系統中，溫度變化會促使水分在空間重新分布，水分在空間的含量變化也會影響土體熱性能參數的變化，細顆粒土含量也會影響土體水分的吸附，同樣壓實度也會影響土體凍脹工程的空隙填充，多因素共同的微觀作用形成了土體凍脹的宏觀表現。

本次試驗采用正交試驗，選取水分、溫度、細顆粒土含量、壓實度四個因素，各因素設定三個水平，具體設定見表1所列。

室內試驗所采用儀器主要包括可程式恒溫恒濕試驗箱、千分表、擊實儀、玻璃鋼透明試樣盒及保溫材料等;土樣取自典型路基凍脹路段，首先對土樣進行基本土工試驗，然后進行土樣拌制并分層裝入試樣盒中，使其達到密實狀態，再插入溫濕傳感器并在試件底部及側面包裹保溫材料，最后蓋好試件蓋靜置試件12h，待試件達到均勻狀態將其放入凍融循環箱內，設置溫度梯度，每隔2h讀取并記錄溫濕傳感器數據。各類土質分別制作兩組試件，一組試件制作三個相同試件。土體顆粒級配曲線如圖3所示，土體試樣如圖4所示。

由圖3可以讀出 d10、d30、d60各值大小，由此可計算出土體的不均勻系數 Cu 和曲率系數 Cc（Cu=2.30，Cc=0.98），依據《鐵路路基設計規范》（TB10001—2016）規定：當不均系數大于等于5，曲率系數在1至3之間時為良好級配，不同時滿足上述兩條件為不良級配。由此判斷該土體級配為不良級配。

2.2結果分析

2.2.1直觀分析

高寒地區鐵路路基凍脹與含水率、溫度、細顆粒含量、壓實度等因素有著密切關聯，根據試驗數據，可以整理出在含水率、溫度、細顆粒含量、壓實度四個因素影響下填料凍脹率的變化趨勢圖，如圖5所示。

由圖5可以看出，凍脹率與水分、溫度、細顆粒含量、壓實度有著密切關聯，其凍脹率與水分、顆粒含量呈正相關，與溫度、壓實度呈負相關。

由圖5（a）可以看出，凍脹率隨含水率增加而增大，在含水率為8%時凍脹率為1.45%，此時出現凍脹率變化節點，當含水率小于8%時，凍脹率基本呈直線趨勢增大，當含水率大于8%時，凍脹率變化曲線呈凸曲線，凍脹率變化率逐漸減小，由此可以得出，含水率小于8%時，含水率對凍脹率的影響較為敏感，含水率大于8%時，含水率對凍脹率的影響逐漸減弱。

由圖5（b）可以看出，凍脹率隨溫度的降低而增大，兩者關系呈負相關，且凍脹率變化曲線大致為直線，在溫度為-15℃前后，凍脹率變化率基本保持不變。

由圖5（c）可以看出，凍脹率隨細顆粒土含量的增加而增大，兩者關系呈正相關，且凍脹率變化率呈逐漸減小趨勢，在細粒土含量小于9%時，凍脹率變化率為8.3%，在細顆粒土含量大于9%時，凍脹率變化率為6.7%。

由圖5（d）可以看出，凍脹率隨壓實度的增大而減小，兩者關系呈負相關，在壓實度為85%時凍脹率為3.96%，此時出現凍脹率變化節點，當壓實度小于85%時，凍脹率基本呈直線趨勢減小，當壓實度大于85%時，凍脹率變化曲線呈凹曲線，凍脹率變化率逐漸減小。由此可以得出，壓實度小于85%時，壓實度對凍脹率的影響較為敏感，壓實度大于85%時，壓實度對凍脹率的影響逐漸減弱。

2.2.2方差分析

單因素下，土體的凍脹規律已經基本清晰，但在多因素交叉影響下，土體的凍脹規律及影響土體凍脹的敏感因素的主次關系仍然需要繼續探析，以下是通過多水平多因素正交試驗得出的相關結論，見表2～表4所列，其結果可對防治高寒地區鐵路路基凍脹病害提供經驗及參考依據。

由以上各表可以得出，影響因素含水率、溫度、細顆粒含量、壓實度對土體的凍脹率影響敏感程度略有差異，結合誤差表F值及置信度，水分、溫度、細顆粒含量對土體的凍脹率影響非常顯著，而壓實度對土體的凍脹率影響比較微弱，因此合理控制水分、溫度、細顆粒含量對預防路基凍脹病害至關重要。

綜合考慮兩者不同的分析方法可以得出，凍脹率隨含水率、細顆粒含量的增大而呈增大趨勢，隨著溫度、壓實度的增大而呈減小趨勢，而且含水率、細顆粒含量、溫度對土體的凍脹率影響更為顯著，壓實度對土體的凍脹率影響較小，其中各因素對凍脹率的影響主次關系依次為：含水率、細顆粒含量、溫度、壓實度。

3凍脹治理措施

高寒地區鐵路路基凍脹產生的原因主要是路基水在冬季受低溫影響，水分向低溫土層方向轉移，在溫差聚水作用下，水分迅速聚集并逐漸形成聚冰層，而且由于地下毛細作用，使路基表層水分不斷增加，結冰后土體膨脹增大，形成凍脹。現階段處理路基凍脹病害的方法主要有：

（1）換填法，此方法主要將原有路基中的凍脹土從路基中挖出，然后回填穩定性好、透水性好、輕型、強度高的材料，用來消除路基的凍脹;

（2）保溫隔熱法，此方法在路基中鋪設保溫材料，隔斷路基內部溫度與環境溫度的熱傳遞，使路基內部的溫度受外部環境氣溫的影響較小而保持不變，同時，鋪設的保溫材料對阻止路基上部水的滲入和加強路基的整體性有一定效果;

（3）防水排水法，此法主要是隔斷外界水分進入路基或排出路基水分的方法。

但由于具體原因，以上方法對路基凍脹控制效果欠佳。因此，在此處提出一種可以有效用于鐵路沿線清雪的電動平板臺車及應用方法，其大致方法如下：

此種方法主要是通過多維變向可伸縮連接器調節吸雪端頭對軌道沿線（包括路基邊坡部位）的積雪進行動態監控并實施清理，集雪箱可以在集雪量超過箱體23時對集雪進行壓縮并分塊，然后送至加熱箱進行融化并加熱至水蒸氣，由排氣孔排放至外界環境，臺車行進由行走系統及軌道共同承擔，根據地段自動伸縮測量積雪厚度，并與傳感器連接將數據傳至控制芯片，由此可進行端頭調節、控制行車速度，吸雪端頭可以根據路基寬度、邊坡坡率進行長度及寬度的調整且保持原有長寬比不變，多維變向可伸縮連接器的角度調節為轉動角度，可分為豎直角度與平面角度，豎直角度與設計平面超高值及路基寬度有關，平面角度可依據路基設計文件中圓曲線半徑及曲線長度進行控制，多維變向可伸縮連接器的長度調節主要由套筒、伸縮卡槽、回旋伸縮桿及平面擺動裝置構成。整個過程連續可控，以軌道車在軌道行走為基礎，根據積雪厚度可調整其行進速度，可以保證清雪徹底，有效避免由于積雪融化水分浸入路基內部而帶來的凍脹、滑坡等病害。

4結論

經研究分析，可以得出以下結論：

（1）路基凍脹會傳遞至軌道結構，引起軌道結構的不均勻變形，其變形大致呈正（余）弦曲線，且局部位置出現凍脹峰值;

（2）由室內凍脹試驗分析得出，凍脹率與含水率、溫度、細顆粒含量、壓實度有著密切關聯，其凍脹率與水分、細顆粒含量呈正相關，與溫度、壓實度呈負相關;

（3）該種路基凍脹防治措施結構形式比較簡單，實用性強，特別是在清理軌道積雪方面有良好的效果，同時不會產生環境污染，與消耗巨額施工措施預防凍脹相比，該專利顯得更加便捷，經濟效益顯著，具有很好的應用價值。

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