高速鐵路路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究

祁 輝，胡相鈺，李廷剛，程愛(ài)君

(1．哈爾濱地鐵集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150080;2．南昌軌道交通集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000;

3．交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088;4．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究

祁 輝1，胡相鈺2，李廷剛3，程愛(ài)君4

(1．哈爾濱地鐵集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150080;2．南昌軌道交通集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000;

3．交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088;4．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

凍害是我國(guó)北方地區(qū)路基常見(jiàn)的病害之一，尤其對(duì)于高速鐵路，微小凍脹變形將對(duì)列車(chē)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性帶來(lái)影響。本文對(duì)路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探討，首先論述了路基凍脹機(jī)理及影響路基凍脹的主要因素，包括土質(zhì)、溫度、含水量等，在此基礎(chǔ)上提出了路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮凍結(jié)指數(shù)、土性參數(shù)、設(shè)計(jì)凍深等因素;其次提出了路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)流程，提出了高速鐵路路基凍深計(jì)算方法;最后根據(jù)該方法進(jìn)行了路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用有限元仿真計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)該路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及仿真計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了該防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及該設(shè)計(jì)方法的有效性。

凍土路基 凍脹變形 防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)修建了大量高速鐵路或客運(yùn)專(zhuān)線，初步形成了以哈大、京廣、京滬、鄭西為干線的高速鐵路網(wǎng)。高速鐵路對(duì)鐵路路基變形控制要求越來(lái)越嚴(yán)格，其中無(wú)砟軌道要求路基變形控制在15 mm以?xún)?nèi)。我國(guó)是一個(gè)凍土大國(guó)，全國(guó)凍結(jié)深度＞0.5 m的凍土區(qū)占全國(guó)總面積的68.6%，其中季節(jié)性?xún)鐾琳既珖?guó)面積的46.0%，尤其是我國(guó)的東北、西北、華北地區(qū)，由于受當(dāng)?shù)貧夂?、水文、地形地貌以及地質(zhì)條件的影響，使得許多既有線路基變形十分嚴(yán)重。目前，我國(guó)已在東北地區(qū)修建了哈大客運(yùn)專(zhuān)線，在不久的將來(lái)還將修建大量的高速鐵路、客運(yùn)專(zhuān)線及城際鐵路，為了控制鐵路路基的凍脹變形，有必要開(kāi)展高速鐵路路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究，這對(duì)于我國(guó)寒區(qū)高速鐵路建設(shè)、指導(dǎo)工程實(shí)際及保證工程質(zhì)量具有十分重要的意義。

1 防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

路基是由散體狀礦物顆粒、水和氣體組成的三相體系，除承受靜力荷載和列車(chē)振動(dòng)荷載外，還受自然界各種惡劣氣候環(huán)境影響，尤其在低溫作用下，土體中水分會(huì)發(fā)生凍結(jié)，并發(fā)生體積膨脹，當(dāng)土體中已凍和未凍水總體的增量超過(guò)了該土體原來(lái)無(wú)孔隙水的孔隙體積時(shí)，土體就會(huì)發(fā)生凍脹。

土體的凍脹分為原位凍脹與分凝凍脹:孔隙水原位凍結(jié)，引起體積增大9%，但由外界水分補(bǔ)給并在土中遷移到某個(gè)位置凍結(jié)，則體積將增大1.09倍。分凝凍脹的機(jī)理包括兩個(gè)物理過(guò)程:土中水分遷移和成冰作用。因?yàn)樵凰謨鼋Y(jié)引起的凍脹量十分微小，從工程角度可以忽略，所以土體凍脹主要指水分遷移引起的分凝凍脹。

總體來(lái)說(shuō)，土體凍脹必須具備以下條件:具有凍脹敏感性的土;初始水分及外界水分(地下水，大氣降水，人為活動(dòng)引起的水源)的供給;適宜的凍結(jié)條件和時(shí)間。因此，提出以下參數(shù)作為防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù):①凍結(jié)指數(shù)指凍結(jié)期間每天負(fù)溫平均值的累計(jì)數(shù);②土性參數(shù)包括壓實(shí)系數(shù)、細(xì)粒含量、細(xì)粒填充率、比表面積等;③設(shè)計(jì)凍深;④路基含水量。

2 防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

2.1 防凍脹設(shè)計(jì)

①收集氣象資料和工程地質(zhì)等資料;②填料選擇;③設(shè)計(jì)凍深計(jì)算;④設(shè)計(jì)凍深如＜0.8 m，則選擇填筑細(xì)粒含量＜5%的粗粒土，如凍深＞0.8 m需進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

防凍脹設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

2.2 填料選擇

影響填料凍脹性的土性參數(shù)包括細(xì)粒含量、細(xì)粒填充率、滲透系數(shù)、比表面積等，其中細(xì)粒含量(粒徑＜0.075 mm)是影響土體凍脹的主要因素，圖2為填料凍脹特性與細(xì)粒含量關(guān)系曲線。

圖1 寒區(qū)客運(yùn)專(zhuān)線鐵路路基防凍脹設(shè)計(jì)流程

圖2 細(xì)粒含量與凍脹關(guān)系

填料選擇步驟如下:①顆分試驗(yàn)，確定填料內(nèi)細(xì)顆粒含量;②滲透試驗(yàn)，確定土的滲透系數(shù);室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)滲透系數(shù)＞1×10－3時(shí)，屬于弱凍脹性土;③進(jìn)行擊實(shí)、比重試驗(yàn)，計(jì)算土體的細(xì)顆粒含量體積填充率，根據(jù)體積填充率進(jìn)一步驗(yàn)證填料的凍脹性;④根據(jù)以上結(jié)果，選擇合適填料;⑤根據(jù)選擇填料性質(zhì)及外界環(huán)境，計(jì)算路基凍深;⑥對(duì)于細(xì)粒含量＞3%的填料進(jìn)行室內(nèi)凍脹試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算路基凍脹變形，滿(mǎn)足要求，使用該填料，不滿(mǎn)足要求，更換填料或采取防排水措施或保溫措施。

2.3 設(shè)計(jì)凍深計(jì)算

凍深一般是指標(biāo)準(zhǔn)凍深，即為在觀測(cè)場(chǎng)無(wú)植被無(wú)雪蓋的裸露地面上測(cè)得的多年平均凍深值。但由于鐵路路基填料類(lèi)型、結(jié)構(gòu)等與地基有較大差異(一般來(lái)說(shuō)，路基結(jié)構(gòu)凍深比標(biāo)準(zhǔn)凍深大)，采用標(biāo)準(zhǔn)凍深推算路基防凍脹設(shè)計(jì)深度是不合適的，需要計(jì)算出實(shí)際凍深用于路基的設(shè)計(jì)。凍深的計(jì)算方法目前采用的主要有三種。

1)經(jīng)驗(yàn)公式法:利用標(biāo)準(zhǔn)凍深乘以相應(yīng)的修正系數(shù)，我國(guó)的公路、水利和建工均采用這種方法。

2)Berggren法計(jì)算凍深:采用該方法的國(guó)家包括德國(guó)和法國(guó)。

3)改進(jìn)的Berggren法:此方法可用于多層結(jié)構(gòu)路基的設(shè)計(jì)

該法求凍結(jié)深度中考慮了地基的熱力特性、氣象條件以及地基條件的影響。式(1)還適用于多層土組成的地基情況。這樣，無(wú)論對(duì)由特性各異的土層構(gòu)成的地基，還是鋪有隔熱層的情況，均可求其凍結(jié)深度。

2.4 防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的有限元計(jì)算

根據(jù)以上方法，設(shè)計(jì)了如下路基結(jié)構(gòu):路基面寬15 m，坡率1∶1.5，計(jì)算范圍坡角向外延伸3 m，基床表層包括路肩瀝青混凝土、其下為細(xì)粒含量＜5%的級(jí)配碎石路基(表層為級(jí)配碎石，底層為細(xì)粒含量＜5%的A、B類(lèi)土)，并采用有線元數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.4.1 有限元數(shù)值模擬

建立土的溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)及位移變形耦合模型，計(jì)算路基在溫度變化情況下路基土體內(nèi)部的溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)及位移變化，如圖3所示。分別計(jì)算了降溫10 d，50 d，100 d，190 d后，路基體內(nèi)溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)及變形場(chǎng)的變化，圖4～圖6分別為路基溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)及變形場(chǎng)變化云圖。表1為路基凍結(jié)鋒面及不同位置凍脹量的變化。

圖3 路基模型網(wǎng)格劃分

圖5為路基中水分場(chǎng)變化情況，可以看出隨著溫度場(chǎng)的變化，凍結(jié)鋒面以下1.5 m范圍內(nèi)的水分發(fā)生少量的遷移。圖6為路基中豎向位移場(chǎng)的變化情況，可以看出路基的最大豎向位移主要發(fā)生在路肩的位置，而路基中心位置的凍脹并不是最大的。從表1中可以看出，仿真190 d后，溫度回升時(shí)，路肩上的凍脹量達(dá)到了4.0 mm，而路基中心處的凍脹量為3.5 mm，略小于路肩上的凍脹量。

圖4 不同凍結(jié)時(shí)間路基溫度場(chǎng)變化云圖

圖5 不同凍結(jié)時(shí)間路基水分場(chǎng)變化云圖

圖6 不同凍結(jié)時(shí)間路基變形場(chǎng)變化云圖

表1 路基凍結(jié)鋒面及不同位置凍脹量的變化

2.4.2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

2009年在哈爾濱選擇了試驗(yàn)點(diǎn)，并在路基內(nèi)埋設(shè)溫度、含水量及凍脹變形量傳感器，對(duì)路基土體內(nèi)溫度、含水量及路基變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)一個(gè)凍脹周期的監(jiān)測(cè)，測(cè)試得到路基最大凍深為2.65 m，最大凍脹變形為3.31 mm，與計(jì)算結(jié)果基本相符。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探討，提出了一種寒區(qū)鐵路路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并利用該方法在寒區(qū)設(shè)計(jì)了一路基防凍脹結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上對(duì)該路基結(jié)構(gòu)的防凍效果進(jìn)行了室內(nèi)仿真計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及仿真計(jì)算分析結(jié)果說(shuō)明，該防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，該設(shè)計(jì)方法是有效的。

［1］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院．模擬防凍試驗(yàn)研究［R］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，1995．

［2］童長(zhǎng)江，管楓年．土的凍脹與建筑物凍害防治［M］．北京:水利出版社，1985．

［3］劉加軍．季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)鐵路路基凍害防治及防治措施研究［J］．石家莊鐵道學(xué)報(bào)，2003，16(增):114-116．

［4］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院．寒區(qū)鐵路路基防凍脹結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)研究［R］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2010．

［5］程愛(ài)君，葉陽(yáng)升．多年凍土地區(qū)路基凍害分析及防凍措施［J］．鐵道建筑，2006(7):60-61．

［6］溫立光．呼和浩特鐵路局管內(nèi)路基凍害整治［J］．鐵道建筑，2006(11):85-86．

U213．1+4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．30

1003-1995(2013)04-0098-03

2012-10-15;

2013-01-20

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目(J2012G001)

祁輝(1969— )，男，黑龍江綏化人，工程師。

(責(zé)任審編 王 紅)