雷曉雨　隋孝民　李季宏　楊明雨　何淑玲

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

路基工程是無(wú)砟軌道線路工程的主要組成部分，由散體材料組成的路基也是整個(gè)鐵路沉降控制中最薄弱的環(huán)節(jié)。作為沉降變形控制十分嚴(yán)格的土工結(jié)構(gòu)物，控制變形是路基工程的關(guān)鍵，是軌道變形的主要來(lái)源[1]。在我國(guó)，無(wú)論西北還是東北的季節(jié)凍土地區(qū)，由于路基經(jīng)受周期性凍融循環(huán)作用，鐵路路基的凍害都比較普遍。凍害除了直接引起路基面變形外，還造成土體強(qiáng)度的弱化，導(dǎo)致路基產(chǎn)生不均勻變形，破壞軌道的平順性，線路養(yǎng)護(hù)維修工作量十分繁重，并對(duì)安全行車帶來(lái)了嚴(yán)重影響[2]。在凍脹區(qū)，路基變形也就成了鐵路能否實(shí)現(xiàn)高速、平穩(wěn)、安全行車最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。這就需要通過(guò)試驗(yàn)研究?jī)雒浐腿诔恋漠a(chǎn)生發(fā)展規(guī)律，采取綜合防治技術(shù)，最大限度的降低凍脹和融沉產(chǎn)生的危害。

1　線路及路基設(shè)計(jì)概況

本客運(yùn)專線位于東北地區(qū)，設(shè)計(jì)速度350 km/h，采用Ⅲ型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?.5 ℃， 最冷月平均氣溫-8.9 ℃， 極端最高氣溫38.3 ℃， 極端最低氣溫-27.8 ℃， 土壤最大凍結(jié)深度1.09 m，無(wú)砟軌道路基標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

根據(jù)規(guī)范要求[3]，路基基床表層厚度為0.4 m，采

用級(jí)配碎石填筑，要求細(xì)顆粒含量不大于5%；基床表層以下最大凍結(jié)深度范圍內(nèi)填筑A、B組土，要求細(xì)顆粒含量小于10%。

為減輕路基凍融帶來(lái)的不良影響，采取無(wú)砟軌道基床結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)：無(wú)砟軌道路基采用基床上部范圍內(nèi)翻挖后，利用級(jí)配碎石摻水泥回填的措施，換填深度分為0.4 m和0.7 m兩種形式。如圖2所示。

圖2　一般路堤翻挖回填示意(單位：m)

觀測(cè)斷面的選取結(jié)合全線路基類型、現(xiàn)場(chǎng)施工情況、凍結(jié)深度、試驗(yàn)條件等綜合考慮，采用一般路堤和低路堤兩種不同工點(diǎn)類型進(jìn)行觀測(cè)，具體斷面里程如表1所示。

表1　觀測(cè)斷面里程

2　觀測(cè)內(nèi)容及元器件布置

自動(dòng)監(jiān)測(cè)是近年來(lái)新興的一種監(jiān)測(cè)方法。該方法能夠全天侯、實(shí)時(shí)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及報(bào)警，能夠遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)處理。該方法適應(yīng)于常規(guī)監(jiān)測(cè)方法無(wú)法監(jiān)測(cè)或監(jiān)測(cè)困難的地段，例如過(guò)渡段和路基凍脹病害段落等。

2.1　觀測(cè)內(nèi)容

(1)地溫觀測(cè)

在各試驗(yàn)斷面不同位置和深度布置地溫觀測(cè)點(diǎn)，以觀測(cè)路基填料和原地面季節(jié)凍土的地溫，目的是掌握地溫分布和變化情況以及季節(jié)凍土最大凍深的位置和隨時(shí)間變化情況，分析凍害的發(fā)展演變過(guò)程與地溫變化的相關(guān)關(guān)系及特征。

(2)凍脹定點(diǎn)變形觀測(cè)

定點(diǎn)式測(cè)試路基范圍內(nèi)各層凍脹量，研究負(fù)溫作用下路基凍脹變形規(guī)律。

(3)氣象觀測(cè)

測(cè)試線路沿線氣溫變化情況。

(4)地下水位監(jiān)測(cè)

測(cè)試路基地下水位變幅情況。

2.2　元器件布置

每個(gè)觀測(cè)斷面在一側(cè)護(hù)肩下，左、右線底座板外緣下，路基坡腳處布設(shè)觀測(cè)元器件，具體埋設(shè)位置見(jiàn)圖3。

(1)地溫監(jiān)測(cè)

底座板邊緣地溫元件自路基級(jí)配碎石頂面以下0.2 m垂直向下布設(shè)至兩倍最大凍結(jié)深度處，每孔11～12個(gè)；護(hù)肩下地溫元件自護(hù)肩底面以下0.2 m垂直向下布設(shè)至兩倍最大凍結(jié)深度處，每孔11～12個(gè)；

圖3　觀測(cè)斷面元器件布置示意(單位：m)

路基坡腳處設(shè)一處地溫觀測(cè)點(diǎn)，與路基本體范圍內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)相比較。低路堤地段地溫元件若與混凝土板位置重疊，則可適當(dāng)調(diào)整間距。

(2)定點(diǎn)凍脹變形監(jiān)測(cè)

底座板邊緣凍脹計(jì)自路基級(jí)配碎石頂面以下0.2 m布設(shè)，錨頭埋深：一般路堤地段2 m，低路堤地段混凝土板頂面深度。

3　監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1　氣溫變化情況及分析

監(jiān)測(cè)初期到2月中旬，氣溫變化呈波動(dòng)下降趨勢(shì)；2月中旬到5月20日氣溫變化呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，如圖4所示。

根據(jù)本地區(qū)2012年氣候公報(bào)，2012年，年平均降水量919 mm，比常年偏多4成；年平均氣溫7.7 ℃，比常年偏低0.8 ℃。冬季全省平均氣溫-9.6 ℃，比常年偏低1.8 ℃?？傮w來(lái)看，2012年為氣候條件偏差年景。觀測(cè)期間，冬季氣溫較常年偏低，凍脹變形表現(xiàn)突出，具有代表性。

3.2　凍脹、融沉監(jiān)測(cè)情況及規(guī)律分析

就目前的觀測(cè)數(shù)據(jù)(截止至2013年5月20日)而言，對(duì)于大部分的監(jiān)測(cè)斷面，凍脹(融沉)變形規(guī)律基本一致。自動(dòng)觀測(cè)凍脹變形與氣溫隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。

圖4　氣溫隨時(shí)間變化曲線

圖5　自動(dòng)觀測(cè)凍脹變形與氣溫隨時(shí)間變化曲線

可見(jiàn)，凍脹變形初期發(fā)展過(guò)程中，隨著氣溫的上下變化而反復(fù)波動(dòng)，波動(dòng)范圍基本集中在1 mm內(nèi)，波動(dòng)規(guī)律與氣溫變化較為一致， 當(dāng)夜間溫度較低時(shí)，土中孔隙水凍結(jié)形成冰晶或冰透鏡體，土顆?？紫侗槐粩喑涮钪袑?dǎo)致土體膨脹，產(chǎn)生凍脹變形，當(dāng)白天溫度升高時(shí)，土中冰融化，土體中孔隙增加，發(fā)生融沉。

隨后隨著零度以下時(shí)間的持續(xù)增長(zhǎng)，外界負(fù)溫不斷傳入路基本體內(nèi)部，凍深逐漸增加，路基本體內(nèi)孔隙水不斷凍結(jié)形成冰晶或冰透鏡體，水分補(bǔ)給充足時(shí)可形成不連續(xù)的層狀冰或條帶狀冰，土體不斷膨脹，凍脹變形增長(zhǎng)速率較大。

后期凍脹變形趨于穩(wěn)定，隨著環(huán)境溫度降低，當(dāng)無(wú)雨水補(bǔ)給，或地下水不再向上發(fā)生遷移時(shí)，上部土中冰透鏡體或冰層不再明顯發(fā)展，導(dǎo)致該階段凍脹變形增長(zhǎng)減緩，速率減小。

1月26日～2月17日，氣溫在0 ℃上下浮動(dòng)，變形值也隨氣溫上下波動(dòng)。2月18日～3月23日，日平均氣溫進(jìn)入0 ℃以上，凍脹變形開(kāi)始下降，發(fā)生融沉，融沉變形反復(fù)波動(dòng)，發(fā)展緩慢。2月19日～3月19日，氣溫小幅波動(dòng)，總體呈上升趨勢(shì)，融沉隨溫度發(fā)展明顯，幅度在4～6.5 mm。3月20日～3月31日，隨著溫度的不斷攀升，融沉變形增長(zhǎng)緩慢，最終趨于穩(wěn)定。4月1日左右，融沉基本結(jié)束，隨后路基變形發(fā)展不再明顯，后期略有提高，初步分析與地下水位升高有關(guān)。

3.3　凍深監(jiān)測(cè)情況及分析

根據(jù)DK27+415、DK49+080、DK72+052三個(gè)斷面自動(dòng)觀測(cè)凍脹變形—地溫隨時(shí)間變化曲線，結(jié)合自動(dòng)觀測(cè)凍脹變形—?dú)鉁仉S時(shí)間變化曲線可知，凍結(jié)初期發(fā)展過(guò)程中，隨著氣溫的上下變化而反復(fù)波動(dòng)，波動(dòng)規(guī)律與氣溫變化較為一致。隨著零度以下時(shí)間的持續(xù)增長(zhǎng)，1月中旬凍深逐漸增加，1.0 m深度地溫逐漸進(jìn)入0 ℃以下， DK49+080觀測(cè)斷面凍脹變形達(dá)到最大值，1月底2月初，隨著零度以下時(shí)間的繼續(xù)增長(zhǎng)，凍深達(dá)到最大值，接近或略超過(guò)設(shè)計(jì)凍深(1.10 m)，DK27+415、DK72+052觀測(cè)斷面凍脹變形達(dá)到最大值。2月中旬以后氣溫回暖，日平均氣溫仍在0 ℃以下，凍深緩慢提升，凍脹變形顯著下降，進(jìn)入融沉階段；3月中旬日平均氣溫達(dá)到正溫，各測(cè)點(diǎn)地溫開(kāi)始全面進(jìn)入正溫(如圖6所示)。

圖6　各觀測(cè)斷面凍脹變形與地溫隨時(shí)間變化曲線

依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)初步分析：凍脹變形與凍結(jié)深度有一定聯(lián)系，但無(wú)明顯相關(guān)性，凍結(jié)深度與凍結(jié)變形前期有一定聯(lián)系，即凍深范圍內(nèi)土中自由水凍結(jié)成冰，進(jìn)入凍結(jié)后期，由于氣溫上下變動(dòng)大，出現(xiàn)正溫，凍結(jié)深度與凍結(jié)變形均波動(dòng)明顯，兩者無(wú)明顯相關(guān)性。

4　結(jié)論

依據(jù)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)成果，對(duì)影響路基防凍脹的相關(guān)因素進(jìn)行分析，總結(jié)凍脹、融沉規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)階段研究成果，可初步得出以下結(jié)論：

凍脹變形隨外界環(huán)境溫度變化大致可分三個(gè)階段。初期為凍脹波動(dòng)階段，凍脹變形反復(fù)波動(dòng)；隨后，凍脹快速發(fā)展階段，凍脹變形快速增長(zhǎng)；后期，凍脹變形穩(wěn)定階段，凍脹變形增長(zhǎng)減緩，趨于平穩(wěn)。

融沉隨外界環(huán)境溫度變化也可分為三個(gè)階段。初期為融沉波動(dòng)階段，這段時(shí)間持續(xù)較短，融沉變形反復(fù)波動(dòng)，緩慢發(fā)展；隨著氣溫的繼續(xù)回升，融沉進(jìn)入快速發(fā)展階段，融沉變形快速增長(zhǎng)，這一階段是融沉發(fā)展最顯著、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)；后期，融沉變形進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展階段，融沉變形增長(zhǎng)緩慢，最終趨于穩(wěn)定。

凍結(jié)深度與凍脹前期有一定聯(lián)系，進(jìn)入凍結(jié)后期，由于氣溫上下變動(dòng)大，出現(xiàn)正溫，凍結(jié)深度與凍結(jié)變形均波動(dòng)明顯，兩者無(wú)明顯相關(guān)性。

[1]袁偉.嚴(yán)寒地帶客運(yùn)專線路基防凍脹施工技術(shù)季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基變形監(jiān)測(cè)及凍害原因分析[J].山西建筑，2011(11)：141-142

[2]田亞護(hù)，溫立光，劉建坤.季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基變形監(jiān)測(cè)及凍害原因分析[J].鐵道建筑，2010(7)：104-107

[3]中華人民共和國(guó)鐵道部. 新建時(shí)300～350 km 客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定(上、下)[S].北京：中國(guó)鐵道出版社,2004