苗 慧

（中鐵二十二局哈爾濱鐵路建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 黑龍江哈爾濱 150006）

1 引言

發(fā)生凍脹必要因素是足夠低溫、水源補(bǔ)給以及適宜的土質(zhì)。當(dāng)三個條件都滿足時，路基就會不可避免地發(fā)生凍脹。其中，適宜發(fā)生凍脹的土質(zhì)受土顆粒影響十分顯著。水是發(fā)生凍脹的主要因素，當(dāng)土體含水量超過其起始含水量，土體凍結(jié)時便會產(chǎn)生凍脹［1-4］。當(dāng)?shù)叵滤惠^高時，凍結(jié)鋒面水分補(bǔ)給充分，土體凍脹性也會明顯增強(qiáng)［5］。牡綏線低挖淺埋段路基地形左低右高，右側(cè)易匯水積水，通過監(jiān)測普遍發(fā)現(xiàn)類似工點(diǎn)路基右側(cè)凍脹變形最大，中間其次，左側(cè)最小。說明匯水地段的低挖淺埋段路基在匯水一側(cè)宜設(shè)置滲水盲溝，保障路基本體排水通暢，減小凍脹性。

2 工程背景

牡綏線線路全長約138 km，其中路基長度53.2 km，正線采用有砟軌道。線路通過地區(qū)主要為低山丘陵及中低山區(qū)兩個地貌單元。牡丹江至愛河為低山丘陵區(qū)，山勢低緩，地形起伏，沖溝發(fā)育，植被茂盛，丘間洼地多有沼澤，喜水雜草茂密，海拔高程在200～600 m；愛河至綏芬河線路多經(jīng)過中低山區(qū)，山勢陡峭，峰巒連綿，切割深度較大，高差多在300 m左右，植被發(fā)育，海拔高程在1 000～1 100 m。

線路通過主要地表河流有牡丹江、海浪河、馬橋河、穆棱河、細(xì)鱗河、小綏芬河等，常年流水，均屬松花江水系。沿線地下水按賦存條件分為第四系孔隙潛水和基巖裂隙潛水，局部具有承壓性?？紫稘撍饕植加诘谒南瞪邦愅良八槭愅林?，埋深0.7～3.5 m，水位變化幅度2～3 m。沿線大部地區(qū)屬于中溫帶濕潤氣候區(qū)，四季分明，冬季干旱漫長，夏季濕熱短暫，春季多風(fēng)。按對鐵路工程影響的氣候分區(qū)，屬嚴(yán)寒地區(qū)，歷史極端氣溫-38.3℃。沿線土壤最大凍結(jié)深度見表1。

表1 沿線土壤最大凍結(jié)深度

3 技術(shù)方案

3．1 滲水盲溝措施設(shè)計

滲水盲溝設(shè)置于左側(cè)護(hù)道下部，盲溝右側(cè)1 m翼緣搭在筏板或樁帽邊上。滲溝溝底縱坡原則上同線路縱坡，困難地段不小于2‰。滲溝底寬1.2 m，垂直開挖，滲溝內(nèi)充填洗凈碎石，下設(shè)C25混凝土基礎(chǔ)，厚0.2 m，基礎(chǔ)底部設(shè)置4%排水坡，其上設(shè)φ315 mm PVC帶孔雙壁波紋滲水管，在滲溝左側(cè)及上側(cè)設(shè)置一層不透水土工布，右側(cè)及下側(cè)采用一層透水土工布反濾層包裹［6-7］，如圖 1。

滲溝每隔30 m及平面轉(zhuǎn)折處均設(shè)置一處檢查井，圓形檢查井采用預(yù)制拼裝式，并在井內(nèi)設(shè)置防寒木蓋。沿滲溝每隔120 m，于檢查井中設(shè)管井。管井采用 DN300鑄鐵管，直徑300 mm，管井長10 m。管井上部2 m的井孔采用黏土回填，其余井孔采用碎石回填。管井底采用10 mm厚鋼板焊接封堵，周邊采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料絲纏裹，纏絲間隙2 mm。鑄鐵管周邊打孔，孔徑5 mm，間距20 mm，如圖2。

圖1 滲水盲溝設(shè)置示意（單位：m）

圖2 管井示意（單位：m）

3．2 地下水位情況

根據(jù)水位監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)期間，包括一般路堤、地下水路塹及過渡段各工點(diǎn)范圍內(nèi)的地下水位均呈逐漸降低趨勢，三個區(qū)域水位變幅（降低值）在0.13～0.31 m之間。針對地下水路塹、浸水路堤等地下水水位較高地段進(jìn)行了水位監(jiān)測，分析地下水水位變化對凍脹變形、含水量及凍深的影響。

3．2．1 地下水位與凍脹變形

典型段落地下水位與凍脹變形隨時間變化曲線如圖3所示，圖4為DK416+800處設(shè)計斷面。

（1）凍期前，本工點(diǎn)地下水位約1.9 m，進(jìn)入凍期后，地下水水位不斷降低，降低幅度較小，最深至2.7 m，進(jìn)入3月份后，水位又逐步提升；另外本段路基中心凍脹變形較大，達(dá)10.96 mm，為自動監(jiān)測最大變形斷面［8-9］。

圖3 典型斷面地下水位與凍脹變形、含水量隨時間變化關(guān)系曲線

圖4 DK416+800設(shè)計斷面（單位：m）

（2）基床表層級配碎石含水量凍期前稍高，約13%；進(jìn)入凍期后含水量有降低趨勢，保持在5%左右（初析原因為水分下滲，或部分轉(zhuǎn)換為冰晶）?；驳讓拥奶盍喜糠趾枯^低，保持在3%以下，基床底層含水量又明顯增大，在25%～30%之間。

（3）本段為浸水路堤，路堤基床表層填筑0.6 m級配碎石，基床底層為1.9 m非凍脹性A、B組土，基床以下護(hù)道以上填筑A、B組或C組填料，護(hù)道以下填筑滲水土。2013-2014年度凍脹變形較大，采取挖除基床表層，重新施作，基床表層級配碎石摻入5%水泥等整治措施，2014-2015年度仍產(chǎn)生較大凍脹變形。

3．2．2 地下水位與凍結(jié)深度

統(tǒng)計4個區(qū)域地下水距路基面距離與凍結(jié)深度的關(guān)系，如表2和圖5所示。

表2 地下水距路基面距離與凍結(jié)深度關(guān)系 m

圖5 地下水距路基面距離與凍結(jié)深度關(guān)系曲線

由表2和圖5可知：

（1）地下水距路基面距離越大，凍結(jié)深度越小，凍結(jié)基本發(fā)生在地下水距路基面較近區(qū)域；距離超過2.4 m后，各凍結(jié)深度最大值的平均值基本保持不變。

（2）根據(jù)地下水埋深的不同，地下水對凍深的影響也不同。若地下水埋藏深度很淺，凍結(jié)鋒面可以接觸到地下水位線；若地下水埋深超過了凍深，凍結(jié)鋒面在地下水的毛細(xì)作用帶內(nèi)，凍深由毛細(xì)作用的強(qiáng)度決定；若地下水埋深大，毛細(xì)作用帶完全在凍層之下，地下水對凍深就沒有影響。

4 滲水盲溝現(xiàn)場試驗

根據(jù)全線滲井、盲溝調(diào)查情況，選擇紅旗村、柳毛村、興源鎮(zhèn)三段地質(zhì)條件不同的滲井進(jìn)行抽水及注水試驗，驗證滲井將地表水導(dǎo)入地下含水層的能力，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步確定滲井布設(shè)的合理間距［10-11］。

（1）試驗段落地層情況（見表3）

表3 試驗段地層情況 m

（2）試驗過程

按照《鐵路工程地質(zhì)手冊》相關(guān)抽水及注水試驗要求，對試驗段落內(nèi)的兩處滲井分別進(jìn)行抽水與注水試驗，抽水（或注水）試驗后待水位完全恢復(fù)再進(jìn)行下一項試驗。

（3）滲透系數(shù)計算結(jié)果

由于滲井進(jìn)入含水層僅10 m，屬于潛水非完整井，滲透系數(shù)K采用公式（1）計算。

式中，Q為涌水量（m3／s）；R為影響半徑（m）；r為滲井半徑（m）；L為過濾器有效滲透部分長度（m）；S為水位降深（m）。

由于滲井位置地質(zhì)條件不同，影響半徑根據(jù)經(jīng)驗取值，紅旗村取值為R＝30 m、柳毛村取值為R＝15 m、興源鎮(zhèn)取值為R＝50 m。各段滲井滲透系數(shù)計算結(jié)果見表4。

表4 試驗段滲井滲透系數(shù)計算結(jié)果

5 滲水盲溝措施防凍脹效果

根據(jù)牡綏沿線地區(qū)近10年降雨情況統(tǒng)計，最大月降雨量約為150 mm。滲水井的布設(shè)間距為120 m，沿線地勢平坦，淺層地層主要為黏性土，結(jié)合經(jīng)驗考慮垂直線位方向匯水距離為10 m，匯水面積為1 200 m2。因盲溝設(shè)置于黏性土層，降雨后大部分地表水隨地表徑流排泄，少部分入滲至地下。黏性土入滲系數(shù)為0.01，根據(jù)滲井現(xiàn)場試驗結(jié)果，滲透系數(shù)平均值為4.5×10-5m／s。按照上述參數(shù)計算最大月降雨量為150 mm時，每個滲井段落滲入防凍層的水量為Q、滲井排水時間T可按公式（2）計算。

式中，A為滲井井口面積；K為滲井滲透系數(shù)。

如月降雨量為150 mm時，滲入防凍層的水量由滲井完全排出需要約6 d，僅為降雨時間的1／5。因此現(xiàn)有滲井的設(shè)置間距以及滲水能力完全可滿足雨季排水要求，不會因滲水不利而導(dǎo)致路基防凍層水分的補(bǔ)給。對21段設(shè)置滲水盲溝段落進(jìn)行盲溝施作前后路基凍脹監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，結(jié)果如表5所示。

表5 滲水盲溝段落路基凍脹變形量統(tǒng)計

由表5可知，在滲水盲溝施作前，2013年冬季凍脹監(jiān)測值小于4 mm的比例為83.91%，且存在多個凍脹量大于8 mm的監(jiān)測點(diǎn)。滲水盲溝施作后，2014年冬季各監(jiān)測點(diǎn)凍脹值小于4 mm的比例提高至94.27%，而2014年冬季上述滲水盲溝段落凍脹量全部小于4 mm。

圖6為各段落三年最大凍脹量監(jiān)測結(jié)果。2014年冬季設(shè)置滲水盲溝段落最大凍脹量與2013年冬季相比明顯下降，但仍存在凍脹量大于4 mm的監(jiān)測點(diǎn)，而2014年冬季在路基全部填筑完成并鋪軌的情況下，該段落所有監(jiān)測點(diǎn)凍脹量均小于4 mm。尤其是DK14+950～DK17+000、DK34+000～DK35+950、DK43+300～DK44+500、DK87+500～88+150、DK117+650～DK118+250各段落最大凍脹量下降明顯，最大凍脹量基本控制在4 mm以下。在排水條件困難的區(qū)段，采用滲水盲溝措施有利于路基本體水量的疏散，對路基防凍脹起到有益作用［12］。

圖6 2013-2015年冬季各斷面最大凍脹變形量

如圖7所示，以柳毛村為例，反映了三年冬季該斷面凍脹量隨時間變化的情況。三年凍脹量最大值均出現(xiàn)在2月中下旬。但滲水盲溝施作前后，凍結(jié)速率及最大凍脹量均有所減小，2014年冬季凍脹規(guī)律與前兩年度稍有區(qū)別，12月底已進(jìn)入凍脹維持期，且最大凍脹量維持在4 mm以下，3月中旬進(jìn)入凍脹回落期，并在4月中旬凍脹變形基本回落。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，2014年冬季各段落監(jiān)測點(diǎn)最大凍脹量為3.9 mm，低于2013年冬季該段落最大凍脹量9.5 mm，與2013年冬季監(jiān)測結(jié)果相比（最大凍脹量12.7 mm）最大凍脹量下降69%，滲水盲溝對降低凍脹量起到了一定的效果。

圖7 柳毛村2013-2015年冬季凍脹量變化情況

6 結(jié)論

（1）路基防排水措施不到位，疏排不利導(dǎo)致路基本體含水量高、凍脹性偏大，是嚴(yán)寒地區(qū)各線路發(fā)生凍脹的主要因素。嚴(yán)寒地區(qū)路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計中有效的防排水措施是降低路基發(fā)生凍脹變形的關(guān)鍵。防排水結(jié)構(gòu)不僅包括路基表面封水以及排水溝渠，同時也應(yīng)考慮路基填料的排水性能以及滲水盲溝等地下排水措施。防排水設(shè)計時應(yīng)充分考慮現(xiàn)場地形地勢條件，確保排水通道通暢［13］。

（2）牡綏線低挖淺埋段路基地形左低右高，右側(cè)易匯水積水，通過監(jiān)測普遍發(fā)現(xiàn)類似工點(diǎn)路基右側(cè)凍脹變形最大，中間其次，左側(cè)最小。說明匯水地段的低挖淺埋段路基在匯水一側(cè)宜設(shè)置滲水盲溝，保障路基本體排水通暢，減小凍脹性。

（3）硬質(zhì)巖地段路塹基床的橫向排水坡應(yīng)保持一定坡度且應(yīng)平整，建議采用混凝土找平，否則表面易積水，凍脹性偏大。

（4）經(jīng)過三個冬季的現(xiàn)場監(jiān)測與結(jié)果分析，滲水盲溝措施對降低路基凍脹量起到了一定的作用，與未采用滲水盲溝措施時相比，最大凍脹量與平均凍脹量均有所下降。