东北地区客运专线冻胀融沉规律试验研究

雷晓雨　隋孝民　李季宏　杨明雨　何淑玲

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

路基工程是无砟轨道线路工程的主要组成部分，由散体材料组成的路基也是整个铁路沉降控制中最薄弱的环节。作为沉降变形控制十分严格的土工结构物，控制变形是路基工程的关键，是轨道变形的主要来源[1]。在我国，无论西北还是东北的季节冻土地区，由于路基经受周期性冻融循环作用，铁路路基的冻害都比较普遍。冻害除了直接引起路基面变形外，还造成土体强度的弱化，导致路基产生不均匀变形，破坏轨道的平顺性，线路养护维修工作量十分繁重，并对安全行车带来了严重影响[2]。在冻胀区，路基变形也就成了铁路能否实现高速、平稳、安全行车最为关键的环节之一。这就需要通过试验研究冻胀和融沉的产生发展规律，采取综合防治技术，最大限度的降低冻胀和融沉产生的危害。

1　线路及路基设计概况

本客运专线位于东北地区，设计速度350 km/h，采用Ⅲ型无砟轨道结构。当地年平均气温9.5 ℃， 最冷月平均气温-8.9 ℃， 极端最高气温38.3 ℃， 极端最低气温-27.8 ℃， 土壤最大冻结深度1.09 m，无砟轨道路基标准断面如图1所示。

根据规范要求[3]，路基基床表层厚度为0.4 m，采

用级配碎石填筑，要求细颗粒含量不大于5%；基床表层以下最大冻结深度范围内填筑A、B组土，要求细颗粒含量小于10%。

为减轻路基冻融带来的不良影响，采取无砟轨道基床结构补强：无砟轨道路基采用基床上部范围内翻挖后，利用级配碎石掺水泥回填的措施，换填深度分为0.4 m和0.7 m两种形式。如图2所示。

图2　一般路堤翻挖回填示意(单位：m)

观测断面的选取结合全线路基类型、现场施工情况、冻结深度、试验条件等综合考虑，采用一般路堤和低路堤两种不同工点类型进行观测，具体断面里程如表1所示。

表1　观测断面里程

2　观测内容及元器件布置

自动监测是近年来新兴的一种监测方法。该方法能够全天侯、实时、自动化监测及报警，能够远程控制和数据处理。该方法适应于常规监测方法无法监测或监测困难的地段，例如过渡段和路基冻胀病害段落等。

2.1　观测内容

(1)地温观测

在各试验断面不同位置和深度布置地温观测点，以观测路基填料和原地面季节冻土的地温，目的是掌握地温分布和变化情况以及季节冻土最大冻深的位置和随时间变化情况，分析冻害的发展演变过程与地温变化的相关关系及特征。

(2)冻胀定点变形观测

定点式测试路基范围内各层冻胀量，研究负温作用下路基冻胀变形规律。

(3)气象观测

测试线路沿线气温变化情况。

(4)地下水位监测

测试路基地下水位变幅情况。

2.2　元器件布置

每个观测断面在一侧护肩下，左、右线底座板外缘下，路基坡脚处布设观测元器件，具体埋设位置见图3。

(1)地温监测

底座板边缘地温元件自路基级配碎石顶面以下0.2 m垂直向下布设至两倍最大冻结深度处，每孔11～12个；护肩下地温元件自护肩底面以下0.2 m垂直向下布设至两倍最大冻结深度处，每孔11～12个；

图3　观测断面元器件布置示意(单位：m)

路基坡脚处设一处地温观测点，与路基本体范围内测试数据相比较。低路堤地段地温元件若与混凝土板位置重叠，则可适当调整间距。

(2)定点冻胀变形监测

底座板边缘冻胀计自路基级配碎石顶面以下0.2 m布设，锚头埋深：一般路堤地段2 m，低路堤地段混凝土板顶面深度。

3　监测数据分析

3.1　气温变化情况及分析

监测初期到2月中旬，气温变化呈波动下降趋势；2月中旬到5月20日气温变化呈波动上升趋势，如图4所示。

根据本地区2012年气候公报，2012年，年平均降水量919 mm，比常年偏多4成；年平均气温7.7 ℃，比常年偏低0.8 ℃。冬季全省平均气温-9.6 ℃，比常年偏低1.8 ℃。总体来看，2012年为气候条件偏差年景。观测期间，冬季气温较常年偏低，冻胀变形表现突出，具有代表性。

3.2　冻胀、融沉监测情况及规律分析

就目前的观测数据(截止至2013年5月20日)而言，对于大部分的监测断面，冻胀(融沉)变形规律基本一致。自动观测冻胀变形与气温随时间变化曲线如图5所示。

图4　气温随时间变化曲线

图5　自动观测冻胀变形与气温随时间变化曲线

可见，冻胀变形初期发展过程中，随着气温的上下变化而反复波动，波动范围基本集中在1 mm内，波动规律与气温变化较为一致， 当夜间温度较低时，土中孔隙水冻结形成冰晶或冰透镜体，土颗粒孔隙被冰不断充填中导致土体膨胀，产生冻胀变形，当白天温度升高时，土中冰融化，土体中孔隙增加，发生融沉。

随后随着零度以下时间的持续增长，外界负温不断传入路基本体内部，冻深逐渐增加，路基本体内孔隙水不断冻结形成冰晶或冰透镜体，水分补给充足时可形成不连续的层状冰或条带状冰，土体不断膨胀，冻胀变形增长速率较大。

后期冻胀变形趋于稳定，随着环境温度降低，当无雨水补给，或地下水不再向上发生迁移时，上部土中冰透镜体或冰层不再明显发展，导致该阶段冻胀变形增长减缓，速率减小。

1月26日～2月17日，气温在0 ℃上下浮动，变形值也随气温上下波动。2月18日～3月23日，日平均气温进入0 ℃以上，冻胀变形开始下降，发生融沉，融沉变形反复波动，发展缓慢。2月19日～3月19日，气温小幅波动，总体呈上升趋势，融沉随温度发展明显，幅度在4～6.5 mm。3月20日～3月31日，随着温度的不断攀升，融沉变形增长缓慢，最终趋于稳定。4月1日左右，融沉基本结束，随后路基变形发展不再明显，后期略有提高，初步分析与地下水位升高有关。

3.3　冻深监测情况及分析

根据DK27+415、DK49+080、DK72+052三个断面自动观测冻胀变形—地温随时间变化曲线，结合自动观测冻胀变形—气温随时间变化曲线可知，冻结初期发展过程中，随着气温的上下变化而反复波动，波动规律与气温变化较为一致。随着零度以下时间的持续增长，1月中旬冻深逐渐增加，1.0 m深度地温逐渐进入0 ℃以下， DK49+080观测断面冻胀变形达到最大值，1月底2月初，随着零度以下时间的继续增长，冻深达到最大值，接近或略超过设计冻深(1.10 m)，DK27+415、DK72+052观测断面冻胀变形达到最大值。2月中旬以后气温回暖，日平均气温仍在0 ℃以下，冻深缓慢提升，冻胀变形显著下降，进入融沉阶段；3月中旬日平均气温达到正温，各测点地温开始全面进入正温(如图6所示)。

图6　各观测断面冻胀变形与地温随时间变化曲线

依据现有数据初步分析：冻胀变形与冻结深度有一定联系，但无明显相关性，冻结深度与冻结变形前期有一定联系，即冻深范围内土中自由水冻结成冰，进入冻结后期，由于气温上下变动大，出现正温，冻结深度与冻结变形均波动明显，两者无明显相关性。

4　结论

依据各项监测成果，对影响路基防冻胀的相关因素进行分析，总结冻胀、融沉规律。根据现阶段研究成果，可初步得出以下结论：

冻胀变形随外界环境温度变化大致可分三个阶段。初期为冻胀波动阶段，冻胀变形反复波动；随后，冻胀快速发展阶段，冻胀变形快速增长；后期，冻胀变形稳定阶段，冻胀变形增长减缓，趋于平稳。

融沉随外界环境温度变化也可分为三个阶段。初期为融沉波动阶段，这段时间持续较短，融沉变形反复波动，缓慢发展；随着气温的继续回升，融沉进入快速发展阶段，融沉变形快速增长，这一阶段是融沉发展最显著、持续时间最长；后期，融沉变形进入稳定发展阶段，融沉变形增长缓慢，最终趋于稳定。

冻结深度与冻胀前期有一定联系，进入冻结后期，由于气温上下变动大，出现正温，冻结深度与冻结变形均波动明显，两者无明显相关性。

[1]袁伟.严寒地带客运专线路基防冻胀施工技术季节冻土区铁路路基变形监测及冻害原因分析[J].山西建筑，2011(11)：141-142

[2]田亚护，温立光，刘建坤.季节冻土区铁路路基变形监测及冻害原因分析[J].铁道建筑，2010(7)：104-107

[3]中华人民共和国铁道部. 新建时300～350 km 客运专线铁路设计暂行规定(上、下)[S].北京：中国铁道出版社,2004