嚴寒地區(qū)牡佳高速鐵路路基凍脹特性研究

孫英潮

黑龍江鐵路發(fā)展集團有限公司，哈爾濱 150000

鐵路路基季節(jié)性凍脹變形對列車運營安全性、平穩(wěn)性有直接影響。近年來在我國季節(jié)性凍土區(qū)鐵路建設大規(guī)模開展，對路基凍脹變形的控制十分嚴格，設計階段制定了一系列防凍脹方案，防凍脹效果需要通過嚴格的施工質量控制來保證，以及長期監(jiān)測來驗證［1-3］。關于高速鐵路路基凍脹變形特性及監(jiān)測已有研究。陳則連等［4］以哈齊高速鐵路為依托，研究其凍脹變形發(fā)展隨著時間的變化規(guī)律。孫英潮等［5］結合自動監(jiān)測、水準觀測和軌道動態(tài)檢測相結合的綜合凍脹監(jiān)測系統(tǒng)應用要求，探討了高速鐵路建設與運營各階段不同監(jiān)測方式的相互關系。楊有海、夏瓊等［6-7］以蘭新高速鐵路為研究對象，研究了路基土分層凍脹變形與凍結深度的關系，分析了凍脹率隨凍結深度的變化規(guī)律，提出了抑制凍脹發(fā)展的措施。張正義［8］以沈丹客專為背景，系統(tǒng)研究了嚴寒地區(qū)山區(qū)高速鐵路路基防凍脹技術措施，得出合理的防凍脹措施可以有效控制凍脹變形發(fā)展。

綜上所述，季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基凍脹是存在的，但采取適當?shù)拇胧┛梢杂行б种苾雒涀冃蔚陌l(fā)展。牡佳高速鐵路位于黑龍江省東部，全線處于嚴寒地區(qū)，線路長度374.744 km，路基176.079 km，占線路全長的47.5%。路基處于季節(jié)性凍土區(qū)，易發(fā)生凍害，掌握其路基凍脹的發(fā)展變化規(guī)律可為牡佳高速鐵路后期運營維護提供依據(jù)，為我國季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路設計施工提供參考。

1 牡佳高速鐵路路基防凍脹措施

1.1 路基防凍脹結構設計

基床表層填筑級配碎石，其顆粒粒徑d≤0.075 mm含量小于5%，壓實后小于7%，同時滿足壓實后的滲透系數(shù)大于5 × 10-5m∕s，并摻入5%水泥。無砟軌道路基基床表層底面以下至設計凍結深度范圍內填筑級配碎石。有砟軌道基床底層采用A、B 組填料，其中基床表層底面以下至設計凍結深度范圍內，填筑非凍脹A、B 組填料。

1.2 防凍脹護道

對水稻田、雨季滯水或地下水位高（地下水位距地表0.5 m）的低洼谷地路堤地段及地勢平坦、排水條件困難地段，且地基土為凍脹性土層時，兩側邊坡設防凍脹護道，護道高寬均為3.0 m。路堤填高小于3.0 m 的低路堤，兩側邊坡基床表層底面處設置寬3.0 m的保溫護道。

1.3 限制路堤最小高度

路堤高度原則上應大于基床厚度，常年積水地段路肩高程應位于常水位以上不小于設計凍結深度+0.5 m。對于低路堤及路塹段落設置滲水盲溝，盲溝出口采取保溫措施。

2 路基凍脹變形觀測方法

2.1 人工觀測

沿線路方向每50 m 設置一個觀測斷面，路橋及路涵過渡段內應布設不小于1個觀測斷面，涵頂布設一個觀測斷面，共布設3 185個斷面。每個斷面布設3個觀測點，即線路中心和左右線軌道外側各設一個觀測點，測點位置如圖1 所示。首次觀測應聯(lián)測線下深埋水準點和線路水準基點，進行構網觀測，建立線上監(jiān)測基準網。首次觀測應編制好水準線路圖，以后每次觀測均固定水準路線，并且規(guī)定儀器的擺放位置。后期每次路基變形監(jiān)測前，應采用二等水準測量方式對線上基準點進行檢核。如果各個基準點間滿足二等水準的限差要求，則采用原值。如果不滿足可采用內插法進行調整，當內插法無法調整時，需重新聯(lián)測線下基準點并對線上基準點進行檢核及調整。常規(guī)監(jiān)測時間為 11 月以及次年的 1、3、5 月，每隔 1個月中旬觀測1次，共觀測4次。

圖1 監(jiān)測點橫斷面布設

2.2 自動監(jiān)測

根據(jù)路基工點類型、地貌類型、地質條件、地下水分布情況以及現(xiàn)場施工情況選擇具有代表性的監(jiān)測斷面進行監(jiān)測元器件布設。每個自動監(jiān)測斷面在路基表面橫向布設2 排平行監(jiān)測孔，分別位于路基中心和路堤左線外側1 m 或路塹右線外1 m；縱向布設5 排平行監(jiān)測孔，相鄰兩孔間距1 m，由小里程到大里程方向孔深分別為0.7、1.7、2.7、5.0、5.0 m，進行凍脹變形、含水率、地溫監(jiān)測，測點布設如圖2 所示。共計30個監(jiān)測斷面，所有元器件埋設后必須至少測試5 次初始讀數(shù)，穩(wěn)定后確定初值。測讀頻率可根據(jù)需要設定。待穩(wěn)定后，每天采集 4 次，分別于00：00、06：00、12：00、18：00 四個時刻進行自動采集，可根據(jù)實際情況加密監(jiān)測頻次，頻次增加時可等間隔采集，時間起點為00：00。

圖2 路基自動監(jiān)測斷面元器件布設平面示意

3 路基凍脹變形分析

3.1 路基面凍脹觀測分析

2020—2021 年全線監(jiān)測路基段落169個，人工監(jiān)測四個期次，分別為 2020 年 11 月，2021 年 1 月、3 月、5月，統(tǒng)計每個測點凍脹最大值所在期次。不同期次對最大凍脹變形的貢獻率，在第三期（2021 年3 月）達到最大值測點占 68.8%，在第二期（2021 年 1 月）占31.2%，第一期和第四期沒有，可知凍脹變形主要在三月份達到最大值。全線測點平均變形量隨期次的變化曲線見圖3?？芍?，在第四期出現(xiàn)凍脹回落，部分測點經過一個凍融周期路基凍土層結構發(fā)生變化，并表現(xiàn)為表面相對疏松。現(xiàn)場施工機械（整平、鋪軌等）在第四期現(xiàn)場測量之前進場施工，來回重載碾壓引起路基出現(xiàn)再次壓實而產生一定沉降，但沉降變形總體上不大。

圖3 全線測點平均變形量隨期次的變化曲線

統(tǒng)計了每個段落不同部位的變形值，沿線部分斷面不同部位最大凍脹變形隨里程的變化曲線見圖4?？芍?，每個斷面不同部位凍脹差異整體較小，個別斷面有明顯差異，路基左側、中心、右側凍脹隨里程變化曲線趨勢基本一致，路基變形較大斷面相對集中。統(tǒng)計了部分斷面最大值最小值隨里程變化曲線，兩者隨里程變化趨勢一致，整體差異不大，個別斷面差異明顯。因此，凍脹變形差異在縱向上比在橫向上明顯。這是由于縱向的路基工點類型、地形地貌、地下水分布、施工質量等多種因素都存在一定差異，這些因素往往是凍脹變形的控制因素或間接影響因素。

圖4 部分斷面不同部位最大凍脹變形隨里程變化曲線

綜合分析了2019—2021 兩個年度路基最大凍脹變形、沉降變形，對比情況見圖5?？芍?019—2020年凍脹變形最大值、沉降變形最大值均較大，表現(xiàn)為點位分布較為離散，變形區(qū)間較大，極端變形值也較多。相比而言，2020—2021 年各監(jiān)測點位變形相對較小，點位集中分布于0～4 mm，凍脹變形和沉降變形相對較小。主要原因在于2020—2021年，牡佳高速鐵路各路基段落基本完成砟石和鐵軌鋪設工作，地基、路基上覆工程層厚度增加，同部位地溫相較于上年度有所升高。此外，路基配套排水設施完成度和暢通情況較上年度施工期顯著提高，場地排水條件改善明顯。2020—2021 年凍脹變形的測點占總測點數(shù)量的78.2%，沉降變形的測點數(shù)量占21.8%，全線人工監(jiān)測點位主要表現(xiàn)為凍脹變形。2020—2021年全線變形小于等于4 mm的測點、4～8 mm 的測點、大于8 mm 的測點占比分別為99.7%、0.3%、0%。

圖5 2019—2021兩年度最大凍脹變形、沉降變形對比

3.2 路基凍脹變形統(tǒng)計分析

以斷面DK133+686 為例，分析該斷面右側凍脹變形隨時間變化曲線，見圖6?？芍簭淖冃伟l(fā)展階段來看，變形發(fā)展過程主要表現(xiàn)為初始波動、快速凍脹、穩(wěn)定凍脹、融化回落4個階段［9］；從分層變形量值來看，表層（0～0.7 m）變形最大，占總凍脹變形量的50%左右，中部及以下變形較小；從產生原因上分析，監(jiān)測期間表層為A 組填料，上部覆蓋冰雪在白天融化晚上上凍過程中增加填料含水（冰）率，凍脹比較明顯。隨著深度增加，上部融化的水難以到達而含水率較小，凍脹較小。中部（0.7～1.4 m）位于凍結深度范圍內，含水率小，所以增加的凍脹變形不明顯，1.35 m 以下含水率較大并逐漸增加，卻不具備負溫條件，所以對凍脹變形貢獻不大，可見凍脹變形需要含水率、地溫、填料結構、水分變化遷移共同作用才能發(fā)生。凍脹變形在不同深度有一定差異，大致表現(xiàn)為隨深度增加而增大。

圖6 DK133+686 右側凍脹變形隨時間變化曲線

3.3 路基地溫及凍結深度

以斷面DK133+686為例，2020—2021年該斷面右側不同深度地溫隨時間變化曲線見圖7?？芍?，路基表層溫度隨時間的波動較大，與氣溫隨時間變化曲線相關性較強，隨著深度增加波動幅度逐漸降低，地面1.1 m 深度及以下幾乎平滑，波動較小，2 月中旬至3月上旬以后（受當年氣候影響）表層溫度逐漸由降低開始變?yōu)樯?，但深部溫度還在緩慢降低，說明地溫從路基表層往下的增減存在明顯的時間滯后。

圖7 DK133+686右側不同深度地溫隨時間變化曲線

DK133+686 右側不同部位凍結深度隨時間變化曲線見圖8。可知，在路基凍脹過程中，受外界氣溫熱傳導作用從路基表面和側面向路基體內凍結，進入融化期則從路基表層、側面以及路基底部向凍結體中心解凍，因此存在兩個凍結深度變化曲線。在凍脹初期路基表面為負溫，僅存在一個凍結深度變化曲線，凍結深度隨時間變化相對較快。進入2 月中旬—3 月初以后凍脹速率開始變緩，凍結深度發(fā)展到最大，之后開始減小，減小速率較大。3 月下旬隨著氣溫的回升表層開始解凍，凍結深度變化曲線下降速率比底層凍結深度變化曲線速率快。3月底兩條曲線開始靠近或連接，凍結層由最初的較快增大，到中期的緩慢增大，再到后期的快速減小，最后消失。在凍脹監(jiān)測周期內凍結融化規(guī)律大致相似，凍結深度變化略有差異。

圖8 DK133+686不同部位凍結深度隨時間變化曲線

4 結論

1）2020—2021 年各監(jiān)測點位凍脹和沉降變形比2019—2020 年小，且點位分布相對集中，其中凍脹變形量呈現(xiàn)逐年降低趨勢，主要是路基填土經過了較長時間自然沉降、氣溫回升、路基上覆層（砟石、軌道板等）厚度增加、路基凍脹歷史等多因素共同作用的結果。

2）基床表層的凍脹分層變形量最大，約占總凍脹變形值的50%，凍脹變形需要含水率、地溫、填料結構、水分變化遷移共同作用才能發(fā)生。凍脹變形在不同深度有一定差異，大致表現(xiàn)為隨深度增加而增大。

3）凍結深度的發(fā)展表現(xiàn)為隨時間先增大后減小直到消失的規(guī)律，其中在凍脹初期和中期，凍結深度增加速率相對較小，后期由于表層溫度升高，上部融化導致凍結深度減小，由于融化速率較快，凍結深度減小速率比前期和中期增加速率明顯快，路基中心和路基一側凍結深度數(shù)值及變幅基本一致。