哈大高速铁路路基冻胀规律及影响因素分析

张先军

哈大高速铁路路基冻胀规律及影响因素分析

张先军

(铁道部工程管理中心,北京 100844)

根据哈大高速铁路路基冻胀的测量和普查结果,进行系统分析和对比,提出严寒地区无砟轨道路基冻胀的特点和基本规律,分析路基冻胀的水分、温度及细颗粒含量等影响因素,从结构设计角度提出预防和减弱冻胀的设计优化建议,对严寒地区无砟轨道路基冻胀处理及结构优化设计具有重要的指导意义。

哈大高速铁路;路基;冻胀规律;影响因素

1 概述

1.1 工程概况

哈大高速铁路南起滨海城市大连,终到黑龙江省会哈尔滨,线路纵贯东北三省,途径3个省会城市和7个地级市及其所辖区县,线路全长903.939 km。哈大高速铁路全线铺设无砟轨道,正线路基长231.245 km,其中无砟轨道路基长181.97 km。

1.2 气候条件

哈大高速铁路沿线气候寒冷,极端最低温度-39.9℃,最大积雪厚度30 cm,沿线土壤最大冻结深度在93～205 cm,每年从10月开始冻结,次年4～5月全部融化,经历时间长达5～6个月[1]。

2 无砟轨道路基冻胀规律

根据哈大高速铁路2012年全线冻胀观测数据的初步统计分析,哈大高速铁路路基冻胀具有以下规律。

2.1 路基冻胀具有普遍性、不确定性和难以避免的特点

根据东北既有铁路及公路的冻害调查结果,哈尔滨铁路局所辖线路超过15 mm以上的冻胀16 123处,长334 454m,其中50 mm以上的部位有121处,长度达4 323m;秦沈客运专线2003年至2007年累计发生冻害1 629处;东北地区的长平、长吉、长余等高速公路也普遍存在路基冻胀现象。从哈大高速铁路路基复测情况来看,全线冻胀变形量大于零的测点数占总测点数的75.7%,冻胀量大于5 mm的测点数占总测点数的19.5%。以上说明,路基冻胀现象在东北地区存在普遍性[2]。

由于铁路工程是线性工程,沿线气候、水文及地质条件千差万别。沿线不同区域的降水量不同,同一区域的降水量每年不尽相同;另外,线路沿线不同区域的最低温度、低温持续的时间不尽相同,同一区域的每年最低温度、低温持续的时间也不尽相同。由于地表降水及环境温度的不确定性,可能导致局部实际冻结深度与设计冻结深度有较大出入。并导致同一时间不同区域路基冻胀情况不尽相同,不同年份同一区域路基冻胀的情况也不尽相同。这种气温、降水等气候特征在空间上、时间上、地域上的不确定性是导致路基冻胀具有随机性和不确定性的主要原因[3]。路基土土质、水分及冻结条件的不均一性,会造成路基产生不均匀冻胀,春季融化时在荷载作用下导致路基下沉、翻浆冒泥等病害。[4]例如秦沈客运专线2003年至2007年累计已发生冻害1 629处,只有103处近几年均发生冻胀,仅占冻害总数的6.3%,也说明了路基冻胀具有随机性和不确定性。

2.2 路堑路堤冻胀率对比分析(图1,表1)

从哈大高速铁路的路基冻胀变形观测数据统计分析可以看出:路基高程变化在10 mm以上时,路堑地段测点比率明显大于路堤比率,且比值迅速增加;路基高程变化在20mm以上的区域主要位于路堑地段,路堑地段的冻胀发生比率较路堤地段高,冻胀量也较路堤地段大。

图1 DK179+458～DK180+411左线左轨冻胀曲线对比

表1 哈大高速铁路全线路堤、路堑高程变化情况统计

2.3 涵洞过渡段冻胀差异

哈大高速铁路无砟轨道地段共设置涵洞408座,根据2012年测量统计资料,涵洞中心的冻胀均值为0.8 mm,说明涵洞本身冻胀量很小。其中高程变化在0～5mm的206处,占全线涵洞的50.5%;全线冻胀量在5 mm以上的涵洞36座(主要发生在涵顶填土较高的区段),说明涵洞发生的冻胀比率很低,详见图2。

根据沈阳局截至2013年2月6日对哈大高速铁路检测数据[5],哈大高速铁路沈阳局管内不均匀冻胀总计242处,其中过渡段不均匀冻胀合计97处,占比40%,详见表2。全线涵洞中心与全线路基冻胀变形对比分析见表3。

图2 涵洞处路基冻胀统计

表2 沈阳至扶余路基不均匀冻胀变形分析

表3 全线涵洞中心与全线路基冻胀变形对比分析

从表3可以看出,冻胀量在5mm以上的路基、涵洞的比率分别为19.83%、8.8%。与路基相比,涵洞发生冻胀的比率远低于路基。

3 路基冻胀影响因素分析

3.1 路基冻胀影响因素概述

冻土是复杂的多相和多成分体系[6],路基冻胀是指土壤在负温条件和存在一定温度梯度条件下,路基本体内水分向冻结面迁移冻结,冻结后路基土体体积增大导致路基顶面高程发生变化的现象[7]。影响土体冻胀的主要因素为温度、水分、岩性[8]。

温度条件:区域气候冻结指数(负温和负温延续时间乘积的代数和)决定了土体冻结深度,冻结期温度较差决定了冻结速率,二者叠加综合影响了土体冻胀量[9]。

水分条件:水分是冻胀的主导因素。水分条件包括两个方面,一是土体含水条件达到起始冻胀含水量时,土的冻结开始产生冻胀。二是水分补给条件,具有水分补给的开敞系统冻胀大于无补给条件的封闭系统冻胀。

岩性条件:主要指土的粒度成分、矿物成分、化学成分和密度等,其中最主要的是土的粒度成分。不同粒度土颗粒的比表面积不同,表面能也不同,水分迁移能力不同,颗粒间隙不同对水分迁移的阻力不同,因而土的粒度成分是影响冻胀的主要因素之一。按照粒度成分进行冻胀性排列自小至大为:粗颗粒土＜细颗粒土。

在以上3个条件中气候因素,当地区域气候条件中气温和降水情况决定着路基冻胀程度的大小。当地气温情况决定着该区域气候冻结指数(负温和负温延续时间乘积的代数和),从而决定了土体冻结深度。当地降水(雨、雪)情况决定着地表水渗入、地下水位上升侵扰路基本体的程度,从而导致路基本体填料的含水量变化引起冻胀程度的不同。

3.2 路基本体的水分条件是路基冻胀的主要影响因素

3.2.1 含水率与冻胀率的关系

根据哈大高速铁路《寒区铁路路基防冻胀结构及设计参数研究》(铁科院研究成果)中关于体积含水率与冻胀率关系曲线(图3)可以看出:当含水率低于12%时冻胀率低于0.5%,当土体含水率大于12%后,冻胀量随着含水率的增加而显著增大[9]。当含水率超过15%后,冻胀率超过1%。

图3 粗粒土中细粒体积含水率与冻胀关系

3.2.2 路基表面地表水下渗至基床表层底部引起表层冻胀

哈大高速铁路路基表面地表水下渗存在3个途径,一是路基表面存在着混凝土底座板间的沉降缝、纤维混凝土间的伸缩缝、纤维混凝土与底座板间等各种结构缝,接缝采用的沥青软膏或聚氨酯等封堵材料,在混凝土热胀冷缩作用下会压缩与脱裂,导致接缝封堵失效,地表水下渗;二是路肩两侧的电缆槽是在路基碾压成型后开挖,电缆槽与路基本体的纵向界面很难保证密实不透水,积水通过预制节段间及槽底向路基基床表层级配碎石层渗透;三是路基表层的纤维混凝土或沥青混凝土防水层在东北恶劣的气候环境下反复热胀冷缩作用下容易不断出现新裂纹,导致地表水下渗。

下渗的地表水受到基床表层底部两布一膜隔水层的阻隔汇集,在冻融季节时,由于路肩先期冻结,下渗的地表水不能有效向外排出,形成表面级配碎石层富水或饱水,导致基床表层级配碎石层发生冻胀。因此,路基表面地表水下渗至基床表层底部是引起路基浅层冻胀的主要原因之一。

3.2.3 路堑边坡地表水下渗侵入路基本体

路堑地段一般是在山丘低谷且具有一定汇水面积处通过,路堑的开挖改变了原始的地形及地貌形态,改变了地下水的径流条件和渗流途径,路堑的槽形结构易导致地表水的汇聚。在未设置渗水盲沟的路堑地段,由于路堑边坡在水沟底部以下与路基本体相连,堑顶及边坡的雨水雪水通过边坡缓慢渗透,在水沟底部高程以下开始渗入路基基床表层或基床底层,导致路基本体含水率增加,在冬季引发冻胀。

哈大高速铁路在实施路基冻胀补强措施增设渗沟开发过程中发现,在渗沟开挖后,路基基床本体的积水开始向渗沟中流淌,部分路堑段落持续流淌数天才逐步停止。因此,未设置渗沟的路堑地段,路堑边坡地表水下渗侵入路基本体也是引起路基冻胀的重要原因。

3.2.4 路堑地下水位上升侵入基床下部基岩或路基本体引起冻胀

路堑的开挖改变了原始的地形及地貌形态,改变了地下水的径流条件和渗流途径,地下水位可能因此发生变化;另外,当地区域降水增加也可能导致路堑地下水位的升高。

图4 DK130+440处基岩裂隙中可见明显冰晶

图5 DK179+843处探坑冻结层可见明显冰晶

地下水位的升高将导致地下水渗入路基基床底部基岩或渗入路基本体,引起路基冻胀。详见图4、图5。 DK113、DK130及DK604三段路堑,设计勘察及路堑开挖期间都未见地下水,但是本次2012年3月挖探表明:这几处路堑基床内出现明显的赋水现象是路堑冻胀的主要原因之一。

3.3 填料的细颗粒含量是路基冻胀的重要影响因素

根据哈大高速铁路《寒区铁路路基防冻胀结构及设计参数研究》(铁科院研究成果)中关于粗颗粒土中细颗粒含量与冻胀率的关系曲线[9](图6)可以看出:

细颗粒(粒径小于0.075mm)含量在3%～15%时,冻胀率在0.8%～1%,细颗粒含量在这区间的变化对冻胀率的影响不敏感。

图6 粗颗粒土中细颗粒含量与冻胀率关系曲线

4 预防或减弱路基冻胀的建议

4.1 以桥代路、减少过渡段数量

根据初步统计,哈大高速铁路全线路基段因涵洞、桥台等原因共设置过渡段1077处,过渡段密度达到了6处/km,过渡段的密集设置一定程度上影响了路基的连续性,尤其是在路基冻胀不可避免的情况下加剧了路基高程发生突变的可能性[10]。为了减少路桥、路涵过渡段的不均匀冻胀,严寒地区路基选线应尽量提高线路高程,采取以桥代路的理念,减少路桥、路涵过渡段的数量和长度,减少路堑段落数量和长度,从而有效减少路基发生不均匀冻胀的几率。

4.2 优化路基防排水结构设计

哈大高速铁路无砟轨道路基的防排水措施存在以下系统问题,一是表层各种结构缝,如混凝土底座板间的沉降缝、纤维混凝土间的伸缩缝、纤维混凝土与底座板间的接缝采用的沥青软膏或聚氨酯等封堵材料,在混凝土热胀冷缩作用下会压缩与脱裂,导致接缝封堵失效,地表水下渗;二是路肩两侧的电缆槽是在路基碾压成型后开挖,电缆槽与路基本体的纵向界面很难保证密实不透水。现场勘查表明,降水时电缆槽成了汇水沟,积水通过预制节段间及槽底向路基渗透,电缆槽与路基的纵向界面是地表水下渗的重要途径之一。同时由于电缆槽在路肩两侧采用下挖设置,加深了路基处的冻结深度,在冻融季节降水情况下,由于电缆槽的存在,路肩两侧先期冻结,不仅阻碍了路基本体内的水分顺利排出,而且使地表水向路基中心渗透;三是路基基床表层底部的两布一膜,在有效阻隔表层降水下渗的同时也使冻融季节时地表水下渗汇集后不能有效向外排出,形成表面级配碎石层富水或饱水,冻结结冰现象明显;四是路基表层的纤维混凝土或沥青混凝土防水层在东北恶劣的气候环境下反复热胀冷缩作用下容易不断出现新裂纹,导致地表水下渗。因此,哈大高速铁路目前采用的防排水措施存在的上述系统问题是导致路基普遍冻胀的重要原因之一,要有效地减少冻胀的发生,严寒地区路基防排水系统应根据气候特征进行系统优化设计。

4.3 合理选取设计冻深

哈大高速铁路路基设计过程中,设计冻深参考当地气象部门统计的最大冻结深度确定。但是,工程实践表明,对于铁路这种长大线性工程,跨越区域较多,受地形、土质、日照、植被、线路走向等因素影响,相同温度条件下,不同的路基形式、不同的路基填料、不同的部位(如阴坡、阳坡),路基的实际冻结深度都会发生变化,造成局部实际冻结深度与设计冻结深度有较大出入。根据有关调查结果,同一区域的野外冻深是气象部门提供的冻深的1.2～1.3倍,同一地点、同一时间阴坡的冻结深度是阳坡1.1～1.15倍。

另外,土质不同冻结深度也不尽相同。根据青藏铁路、青藏公路的科研资料,原状土换填为A、B组填料后,冻结深度会有不同程度的增加[11],换填深度与当地最大冻结深度的比值能达到1.2～1.5。

因此,当地气象部门提供的最大冻结深度可能与现场实际冻深存在较大差别。哈大高速铁路2012年3月现场挖探冻结深与设计最大冻结深对比情况见表4。

表4 2012年路基实际冻深与设计冻深对比

从哈大高速铁路路基冻深观测情况来看,同一地区路基地段的冻结深度总体上要大于天然地面的冻结深度,路堑段的冻结深度要大于路堤地段,路堤段路肩的冻结深度要大于线路中心。

以上分析可知,在今后的路基设计冻结深度选取应充分考虑工程现场实际的地理位置(城市还是野外)、阴阳坡、填料情况等因素,按照气象部门提供的冻深乘以合适系数作为设计冻深。路堑渗水盲沟设计冻结深度不足时,盲沟冻结后起不到排水作用,导致该防冻胀措施失效[12]。路基换填时也应按上述原则确定现场的实际冻深,否则可能导致路基基底发生冻胀。

5 结论

哈大高速铁路气候严寒,无砟轨道路基冻胀具有普遍性、不确定性和难以避免的特点;相比路堤结构,路堑地段由于排水条件较差更易导致冻胀的发生,涵洞过渡段发生不均匀冻胀的比率也相对较高。

通过以上分析,路基本体的水分条件是路基冻胀的主要影响因素,填料的细颗粒含量也是路基冻胀的重要影响因素。为了预防和减弱冻胀,严寒地区路基选线应尽量提高线路高程,采取以桥代路的理念,减少路堑段落和路基长度;同时应系统梳理严寒地区无砟轨道路基防排水结构存在的系统问题,优化防排水结构设计,减弱地表水下渗对路基冻胀的影响。

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Analysis of Frost Heave Laws in Subgrade on Haerbin-Dalian High-speed Railway and Its Influence Factors

ZHANG Xian-jun
(Project Administration Center,the Ministry of Railways,Beijing 100844,China)

After systematic analysis and comparison based on survey and statistic results of frost heave in the subgrade on Haerbin-Dalian High-speed Railway,this paper put forward the characteristics and basic laws of frostheave in subgrade of ballastless track in severe cold region.And by analyzing the influence factors of frost heave in subgrade such aswater,temperature and particle content,this paper put forward the design optimization scheme about frost heave prevention and reduction from the perspective of structure design.It is of important guiding significance for the frost heave treatment and design optimization of subgrade structure of ballastless track in severe cold regions.

Haerbin-Dalian High-speed Railway;subgrade;frost heave laws;influence factors

U216.41+7

A

1004- 2954(2013)07- 0008- 04

2013 02 21;

2013- 03 08

铁道部科技研究开发计划项目(Z2012-062)

张先军(1971—),男,高级工程师,工学博士,E-mail:zxianjun @yahoo.com.cn。