田亚护,温立光,刘建坤
(1.北京交通大学 土木建筑工程学院,北京100044;2.呼和浩特铁路局 工务处,呼和浩特010000)
随着经济的发展,高速铁路、重载铁路和大运量铁路成为铁路建设发展的主要方向,因此,对路基的变形控制已成为高速、重载铁路路基的关键技术[1-3]。在我国的东北、华北、西北和西南地区,由于受地理条件的限制,每年都有持续数月的严冬季节,使之季节冻土广泛分布。由于气候、地质条件等原因,季节冻土区铁路路基每年在冬季发生冻胀、春季发生翻浆冒泥,严重地影响了线路的正常运营,也限制了铁路提速。
北京—包头铁路(京包线)和包头—兰州铁路(包兰线)是我国北方地区交通运输的两条主干线,是沟通西北和华北地区客货运输的重要通道。这两条线路处在季节性冻土区内的地段,一直都存在着不同程度的路基冻害。当列车时速较低时,通过每年的养护维修也基本能正常运营,随着列车速度的提高,加之多年来冻胀的日积月累,已不能保证按规定时速正常安全行驶,给列车的安全运营带来隐患。本文通过对内蒙古季节冻土区京包线和包兰线路基从1月—6月期间内的变形监测,分析季节冻土区铁路路基冻害特点及发生原因,为季节冻土区高等级铁路路基的冻害防治、养护维修和抗冻设计提供借鉴。
京包线、包兰线的呼和浩特铁路局管界内,年平均气温在7℃以上,历年最低气温低于-30℃,年冻结深度在天然地表下1.0~1.2m范围内。根据调查,京包、包兰线呼局管界内每年冻胀量在20 mm以上者多达124处,总累计达5 000多米;冻胀量在20 mm以下者,达到了近30 km。
根据冻害调查所得的统计数据,选择代表性的2个路基高程变化观测段:察素齐(位于京包上行线K701+0~K701+400段)和前旗(位于包兰上行线K72+600~K72+900段)。观测段地区的气象资料见表1。
表1 京包线、包兰线部分地区气象资料
由图1可看出,该地区的降雨具有明显的季节性特征,主要集中在夏季6—9月间,也就是在路基土冻结的前期降雨量最大。
图1 察素齐、前旗段多年月平均降雨量曲线图
对监测地段内路基填土取样进行室内试验分析,2个监测地段的路基土基本性质见表2,其级配情况如下所述。K701+024处土的级配为:细砾3.1%,砂粒64.74%,粉粒26.81%,黏粒5.35%,粒径>0.075mm颗粒的质量超过总质量的50%且<80%。
K72+612处土的级配为:细砾0.74%,砂粒39.87%,粉粒45.74%,黏粒13.65%;10<(Ip=13.2)<17.0(Ip为塑性指数),液限(WL=26.6%)<40%。
根据铁路路基规范[1],这两处路基土都属于 C类填料;K72+612处路基填土的细颗粒含量较高,粒径<0.075mm的占总重量的60%左右,为低液限粉质黏土;K701+024处的土样粗颗粒含量相对较高,粒径>0.075mm的占总重量的65%以上,该土为粉砂土。
表2 路基填土基本物理性质
根据对京包上行线 K701+0~K701+400段、包兰上行线K72+600~K72+900段两处路基在1月—6月期间路基上的轨面高程的监测,观察路基高程在不同时间的变化过程。现场监测高程采用黄海高程系。
该段路堤位于京包线上行线位置,路基高度为2~3 m,位于土默川平原的山前冲积扇,地势平坦,天然地面1.5 m以下未见地下水,线路坡度为-0.6‰。根据监测结果,此段路基上的轨面在不同时间的高程变化趋势见图2。
图2 京包上行线K701+0~K701+400段路基上轨面高程变化曲线
由图2可以看出,该段路基上的轨面高程基本在1月—2月期间达到最大值,在5月—6月又降低到最小值。这是由于,在1月—2月期间,当地气温处于最低时期,路基中的土体基本上也达到了最大季节冻结深度,因此,土中冻结水分的量最大,相应冻胀量也最大,从而表现为同一位置处的轨面高程达到最大值。在春季以后,随着气温的逐渐回升,季节冻土层中的冰晶逐渐融化,在列车荷载和土体自重的作用下,路基土受压轨面高程逐渐回落降低,在5月—6月同一位置处的轨面高程基本上降到最小值。
根据监测结果,以6月份路基轨面高程为基准值,相同位置处不同时间的轨面高程与6月份的轨面高程差值作为路基变形量,并以图3显示路基变形量在不同时间沿线路纵向的变化。
图3 京包上行线K701+0~K701+400段路基变形量曲线
图3表明,该段路基冻胀变形较明显,且沿着线路纵向很不均匀。路基变形量在1月—2月期间达到最大值,在3月—4月期间逐渐减小,在5月—6月基本回落完毕。在1月—2月期间,K701+0~K701+200段路基的变形量最大值发生在K701+025处,其值为57 mm,变形量最小值发生在 K701+075处,为 26 mm;此段路基每年季节冻结深度为1.1 m,其最大冻胀率为5.2%,最小冻胀率为2.4%。由于冻胀引起线路轨面高程发生突变,严重影响了线路纵向的平顺度要求。
K701+200~K701+400段路基在1月—2月份轨面高程监测变化幅度较大,最大变形量达78 mm。这是由于监测期间工务段养护部门进行路基冻害整治,对这段路基进行养护作业后路基轨面高程产生较大变化造成的。
该观测段路堤位于包兰线上行线位置,路基高度为3~4 m,位于黄河冲积平原,地势平坦,属中温带型大陆性气候,天然地面1.0 m以下未见地下水,线路坡度为 -0.2‰。
根据监测结果,此段路基上轨面高程在不同时间其变化曲线见图4。
图4 包兰上行线K72+600~K72+900段路基上轨面高程变化曲线
由图4路基上的轨面高程变化过程可以看出,该段轨面高程变化时间性很明显。在2月份,相同里程处轨面高程基本达到最大值,3月份后,开始逐渐下降,4月份以后,基本上就降低到最小值附近。此段填土路基的每年季节冻结深度为1.1 m。在3月初以后,随着气温逐渐升高,冻结区的土体从路基上部开始融化,在1个月内,路基高程几乎回落到最小值,表明土体中引起路基冻胀的冰晶基本上全部融化。这说明此段路基的冻胀也主要发生在季节冻结层的上部,即基床表层附近,表明基床表层附近土中冰晶含量相对较大。此段路基变形量在不同时间沿线路纵向的变化见图5。
图5 包兰上行线K72+600~K72+90段路基变形量曲线
从图5可以看出,该段路基变形量沿线路纵向变化很不均匀。在2月份,K72+615处路基冻胀变形量最大,为46 mm,而在K72+875处冻胀变形量最小,为12 mm。此段路基每年季节冻结深度为1.1 m,最大冻胀率为4.2%,最小冻胀率为1.1%。图5中也表明,在气温回升以后,路基中部分地段路基变形量为负值,其大小在4~7 mm左右。这是由于基床表层附近土中的冰晶体含量较大,在其融化后产生道砟沉陷导致轨面高程降低,在经路基养护后轨面抬高所致。
对于铁路线路来说,有意义的不是路基冻胀的绝对数值,而是在其纵向和横向上路基冻胀的不均匀程度。冻胀的不均匀性,常使轨道结构的水平、高低等发生不均匀的变化,改变了线路的整体平顺度,给行车带来安全隐患。通过对京包线和包兰线的路基冻胀变形监测的结果表明,京包线和包兰线路基冻胀呈现整体性变形,但不同里程处的路基冻胀的相对高度相互之间差异较大,路基的冻胀变形极不规则,严重破坏了路基的整体平顺度。
土冻胀敏感性及影响土冻胀量的因素众多,土性、水、温度是其中三个很重要的因素[4-6]。
温度条件对冻胀过程影响的特征指标是冻结锋面的前进速度,即冻结速率。冻结锋面发展快慢差异,决定着土冻结时是否只有原孔隙中的土壤水结冰,或除上述外还出现冰的分凝作用,形成薄厚不等的冰透镜体,直接改变冻土的物理力学性质。根据京包线、包兰线部分地区气象资料显示,路基监测地段年平均气温较低,年极端最低气温达-30℃以下,年降雨集中在6月—10月份,冬季最大积雪深度可达6 cm。京包线、包兰线路基地处季节性冻土地区,冻结初期温度升降反复变化,路基土的冻结速率较慢,未冻土中水分有较长的迁移时间;在每年的雨季后,土体的天然含水量较高,而路基土的细颗粒含量较多,相应排水条件不良,当气温降低时很容易使得土体产生较大的冻胀量。
土的粒径与级配是影响土冻胀性的重要因素之一,而且随着粒径的变细,土颗粒与水之间的相互作用增强,土壤渗透性减弱。当粉粒含量占主要组成时,冻胀性最强;当黏粒占主要组成时,土粒与土壤水的作用很强,但由于土壤渗透性减弱,影响冻结时水分向冻结缘迁移聚集,故冻胀性反而降低。图6表示了水分迁移聚集及冻胀率随矿物颗粒尺寸的变化趋势[4]。
由图6可见,土颗粒尺寸在0.050~0.005 mm范围内的粉粒土冻胀性最强,即土粒组成中粉质颗粒占优势是水分迁移的最有力条件。在黏性土颗粒范围内(0.005~0.002 mm)及以下时,土体的分散性增加,在土颗粒自由能增加的同时,不参与水分迁移和土冻胀过程的强结合水量也随之增大,且渗透系数降低,故水分迁移、聚集量反而逐渐减少。
图6 水分迁移集聚量W及冻胀率η随矿物颗粒尺寸的变化趋势
京包线、包兰线路基土中由于细颗粒含量较多,在每年雨季后土体的天然含水量较高,而路基土排水条件不良,这使得土体冻结过程中具有较高的水分迁移能力,因此,在冬季冻结过程中路基易产生冻胀。在春季,随着气温回升,路基土体中冰晶融化,尤其在基床表层附近大量的冰晶融化,由于土体内水分不能及时排出,在列车动力作用下易形成道砟陷槽和翻浆。另外,由于多年的病害效果累积,使道砟陷槽深浅不一、道床厚度及污染程度不同,加之养护维修时的换土使基床土质在短距离内有较大的变化,导致路基冻胀变形不均匀。
在每年的6月—10月,京包线的察素齐区域内的降雨量比包兰线前旗区域内的明显要大,由于路基土排水条件不良,因此,雨季过后路基土体中存有更多的水分,导致在观测地段冬季路基冻胀率相对较大。
京包线、包兰线季节冻土区铁路路基冻胀呈现整体性变形,但不同里程处的路基冻胀量相互之间差异较大;在监测段内,京包线路基最大冻胀率为5.2%,最小冻胀率为2.4%,包兰线路基最大冻胀率为4.2%,最小冻胀率为1.1%;路基的冻胀变形极不规则,严重破坏了路基的整体平顺度。
路基填土的级配不良是引起路基冻害的首要原因。多年的冻害效果累积使道砟陷槽深浅不一、道床厚度及污染程度不同,加之养护维修时的换土使基床土质在短距离内有较大的变化,导致路基冻胀变形不均匀发生。
[1] 中华人民共和国铁道部.TB10001—2005铁路路基设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.
[2] 中华人民共和国铁道部.新建时速200~250 km客运专线设计暂行规定(上、下)[S].北京:中国铁道出版社,2005.
[3] 王其昌.高速铁路土木工程[M].成都:西南交通大学出版社,1999.
[4] 陈肖柏,刘建坤,刘鸿绪,等.土的冻结作用与地基[M].北京:科学出版社,2006.
[5] 徐学祖,邓友生.冻土中水分迁移的实验研究[M].北京:科学出版社,1991.
[6] 徐学祖,王家澄,张立新.冻土物力学[M].北京:科学出版社,2001.
[7] 周小霞.高厚多年冻土区铁路建设施工技术管理[J].铁道建筑,2005(7):69-70.
[8] 程爱君,叶阳升.多年冻土地区路基冻害分析及防治措施[J].铁道建筑,2006(7):60 -61.
[9] 荆志东,王春雪,谢强.冻区盐渍土导热系数测试方法的研究[J].铁道建筑,2008(3):69-70.