大西客运专线寒冷地区路基冻胀现场试验

陈 虎,张戎垦,冷景岩

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

大西客运专线寒冷地区路基冻胀现场试验

陈 虎,张戎垦,冷景岩

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

为掌握大西客运专线寒冷地区路基冻胀变形规律,选择4个代表性监测段落,在一个冻融期内对路基中地温、冻胀变形及含水量进行观测,测试结果表明:地温发展变化大致经历快速降温、慢速降温、升温3个阶段,部分段落的最大冻结深度测试值大于设计值;路基表层处体积含水量上下波动相对较大,路基深层处体积含水量有缓慢减小的趋势;路基冻胀变形均小于8mm,冻胀发生的部位主要集中在基床表层范围。

客运专线;寒冷地区;路基冻胀;现场试验

在我国季节性冻土地区,由于以往对铁路路基的冻胀性认识不足,路基工程的防冻胀措施未明确要求或标准较低,路基季节性的冻胀和融沉导致了路基产生严重的不均匀变形,破坏轨道的平顺性,造成线路养护维修工作量十分繁重,并对安全行车带来了严重危害[1- 4]。

高速铁路运行速度快,对轨道的平顺性提出了更高的要求,而下部构筑物的变形直接影响到轨道的质量状态。在季节性冻土地区修建高速铁路,解决路基季节性冻胀、融沉引起的线路不平顺问题已经成为工程建设的关键技术[5- 6]。

新建大西客运专线原平西至运城北段最冷月平均气温为-5～-15℃,最大冻结深度为0.81～1.21 m,按对铁路工程影响的气候分区属于寒冷地区。为了解新建大西客运专线路基冻胀变形大小、发生的规律,验证防冻胀措施的效果等。在大西客运专线寒冷地区选择了4个代表性的监测段落,对路基中地温、冻胀变形及含水量进行了观测,从而评价本地区路基防冻胀设计以及路基施工质量,为建设和运营部门及时采取有效措施提供依据。

1 试验设计

1.1 路基冻胀监测区段选择

监测段落的选择综合考虑了气候气象条件、冻结深度、地下水位深度、路基填料、路基填挖形式等,最终确定了4个监测段落,如表1所示。其中太原以北是全线最寒冷和冻结深度最大地区,分别选取一段基床底层填料为A、B组土的填方路基段落,一段基床底层填料为水泥改良土挖方路堑段落;由于地下水位对冻胀的影响较为重要,因此选取了晋中站附近路基地下水位较高的一段路堤段落;通过分析沿线的气象特点,灵石地区的降水量大,且冻结深度在此地区比相邻的南北区域都大,因此在灵石附近选择一段路堑段落。

____________________表1 监测段落

1.2 路基防冻胀结构设计

大西客运专线采取的路基防冻胀措施主要是:原平及晋中段路堤基床表层厚为0.4 m的级配碎石,基床底层厚2.3 m,基床底层上部0.6 m范围内填筑非冻胀填料(粒径小于0.075 mm颗粒含量小于15%的A、B组土或改良土),基床底层下部及基床以下路堤均采用A、B组土或改良土填料填筑。忻州及灵石段路堑基床表层厚为0.4 m的级配碎石,基床底层2.3 m换填改良土,基岩埋深较浅时,基床底层换填改良土至基岩面。

1.3 监测仪器布设及观测频率

在4个监测段落内选择了34个测试断面,每个测试断面在线路左右中心线平行布置相同的传感器,测试内容主要包括路基中地温、冻胀变形及路基填料的含水量。

(1)地温传感器,自路基级配碎石顶面以下0.2 m垂直向下布设,传感器之间间距为0.2 m,每个测温孔中安装10支测温传感器,观测不同深度上地温变化特征,同时计算路基冻结深度,4个监测段落各安装16个测温孔。

(2)含水量传感器,原平和忻州段每段中选择2个断面布设含水量监测元件,自路基级配碎石顶面以下0.2 m垂直向下布设,间距0.8 m,每孔3个含水量传感器。晋中和灵石段路基两侧底座板中心位置下部设置含水量监测元件,每段中选择3个断面布设含水量监测元件,自路基级配碎石顶面以下0.2 m垂直向下布设,间距0.6 m,每孔3个含水量传感器。

(3)冻胀变形传感器,原平和忻州段由于最大冻结深度超过1 m,监测断面每侧各安装3支冻胀计,安装深度分别为0.5 m、1.0 m、1.5 m,2个监测区段每段安装48支。榆次和灵石段,监测断面每侧各安装4支冻胀计,安装深度分别为0.5 m、1.0 m,2个监测区段每段安装36支冻胀变形传感器。

图1为线路左线中心线监测传感器布置示意, 12月上旬埋设传感器,全部埋设完毕后开始观测,地温、冻胀变形、含水量冻胀期间每天观测12次,气温回暖冻胀消失后每天观测1次。

2 观测结果分析

2.1 监测区段地温与冻结深度

铁路路基冻胀是多种因素综合作用的结果,路基的土质情况、含水量、大气温度是形成基床冻胀的3个主要因素。没有负温水就不会成冰,体积就不会变化,负温在一定范围下,就会产生冻胀现象,因而负温是发生冻胀的前提条件[7- 9]。

典型的地温随时间变化曲线如图2所示,绝大部分监测断面的地温随时间发展变化规律基本一致,一个冻融循环周期内地温发展变化大致可以分为快速降温阶段、慢速降温阶段、升温阶段3个阶段。2013年12月中旬到2014年1月初表现为地温降低快速发展期;2014年1～2月为地温缓慢降温阶段,至3月上旬地温普遍大于0℃。

图2 典型的地温随时间变化曲线

距离地面0.2、0.4 m深的地温受短期外部气温升降影响较大,而距离地面0.6 m以下的地温受短期外部气温的升降影响较小,地温变化延迟效应相应增大。

同一监测段落各监测孔的冻结深度差异较大,大部分测试孔测试的最大冻结深度小于设计冻结深度。原平段路基最大冻结深度的测试值均小于最大冻结深度设计值1.21 m,最大冻结深度测试值主要集中在0.7～0.9 m,占63%;忻州段最大冻结深度设计值为1.10 m,测试的最大冻结深度为1.09 m,后者大于前者的测孔占总测孔数的79%;而晋中段测试的最大冻结深度为1.14 m,其中线路右侧测试均大于最大冻结深度设计值0.77 m,线路左侧均小于最大冻结深度设计值;灵石段最大冻结深度设计值为0.81 m,测试最大冻结深度为0.93 m,除去冻结深度为0.93 m的测试孔,其他17个监测孔测试的冻结深度均小于0.81 m。图3为典型的冻结深度随时间变化典型曲线,图中T29代表第29个测试断面,-Y代表线路右侧冻结深度,-Z代表线路左侧冻结深度。

图3 典型的冻结深度随时间变化典型曲线

2.2 路基体积含水量变化

土中的水分是引起土体冻胀的必要条件,水来源于地表水和地下水[7]。图4给出了体积含水量随时间变化曲线,从图中可以看出,浅层距地表0.2 m深处的体积含水量变化相对较大,监测周期内体积含水量最大波动约5%,同一监测段落的两个监测断面表现出很好的一致性;深层处1.0、1.8 m的体积含水量表现出缓慢减小的趋势。造成这种情况的主要原因:一是两处填方路堤地段路堤填筑较高(超过6 m),地下水很难通过毛细管作用直接补充冻结层的水分;二是两处挖方路堑为黄土地段地下水位较深,地下水位也很难对上层路堤冻胀进行补充。

图4 典型的体积含水量随时间变化曲线

2.3 路基冻胀变形

在季节冻土区,冬季随着气温的逐渐降低,路基土体从表层开始冻结,向下逐渐延伸,最终达到最大冻结深度,并产生冻胀变形[5]。监测结果显示4个监测段落冻胀变形总体较小,最大冻胀变形均小于8 mm,最大冻胀变形主要集中在≤4 mm范围内,4个监测段落最大冻胀变形在≤4 mm范围内的测点数分别占总测点数的68.2%～100%。说明监测区段路基的绝对冻胀量绝大部分处于较低水平,已采取的路基防冻胀措施发挥了有效作用,冻胀变形处于可控状态。最大冻胀变形分布统计如图5所示。

图5 最大冻胀变形分布统计

根据以往研究结果,路基分层总冻胀量沿冻结层深度逐渐减小,在封闭系统下,80%左右的冻胀量是由路基表层到2/3冻结深度内土体产生[10]。

测试数据显示,距地表0.5 m范围内最大冻胀量的平均值是1.0 m范围内的62%～83%,可以看出冻胀主要发生在地表浅层,距地表1.5 m范围内的最大冻胀量与距地表1.0 m范围内的最大冻胀量的差异不大,测试结果与文献[10]的结论相同。

3 结论

通过对大西客运专线2013年冬季至2014年春季冻融期间4个路基段落监测数据的分析,得出以下结论。

(1)地温发展变化大致经历快速降温、慢速降温、升温3个阶段。绝大部分测试的最大冻结深度小于最大冻结深度设计值,4个监测段落最大冻结深度测试值小于设计值,分别占总测孔的100%、79%、50%、94%。

(2)地表浅层处的体积含水量受外部环境影响相对较大,而深层处的体积含水量在监测时间内总体表现出微小减小的趋势,表明地下水对冻结锋面补充不明显,应重点做好路基面的防排水措施。

(3)路基冻胀变形总体较小,冻胀主要集中在距地表浅层0.5 m范围内,路基最大冻胀变形均小于8 mm,且主要集中在≤4 mm范围内。路基冻胀变形在可控制范围内,已采取的路基防冻胀措施发挥了有效作用。

[1] 屈振学.季节性冻土区铁路客运专线路基的冻胀特性分析与措施[J].铁道标准设计,2009(12):8-11.

[2] 乔连军.250 km/h提速区段涵顶路基冻害整治[J].铁道建筑, 2011(3):80-82.

[3] 程爱君.铁路路基填料的冻胀性分类研究[D].北京:铁道部科学研究院,2006.

[4] 刘华,牛富俊,牛永红,林战举,鲁嘉濠.季节性冻土区高速铁路路基填料及防冻层设置研究[J].岩石力学与工程学报,2011(12): 2549-2557.

[5] 石刚强,赵世运,李先明,牛永红.严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析[J].冰川冻土,2014(2):360-368.

[6] 余雷.哈大客运专线路基冻胀变形的观测与分析[J].路基工程, 2013(3):54-58,63.

[7] 王书娟,陈志国,秦卫军,于丽梅.季节性冰冻地区路基冻胀机理分析[J].公路交通科技,2012(7):20-24,44.

[8] 杜兆成,孙瑛琳,蒋大恩.季节性冻土区路基土的冻胀特性分析[J].长春工程学院学报:自然科学版,2006(2):17-20.

[9] 霍凯成,黄继业,罗国荣.路基冻胀机制及冻害防范整治措施探讨[J].岩石力学与工程学报,2002(7):1099-1103.

[10]董昶宏,赵相卿.青藏铁路多年冻土区路基变形特征及影响因素分析[J].铁道标准设计,2013(6):5-8.

Field Test of Subgrade Frost Heaving on Datong-Xi'an Passenger Dedicated Line in Cold Region

CHEN Hu,ZHANG Rong-ken,LENG Jing-yan
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,TianJin 300251,China)

Four representative monitoring sections are selected in the freezing and thawing period to learn the rules of subgrade frost heaving deformation on Datong-Xi'an passenger dedicated line in cold region by means of the observation of ground temperature,subgrade frost heave deformation and water content. The results show that the development and change of ground temperature occur in three stages:rapid cooling,slow cooling and temperature rise;the measured maximum freezing depths are greater than the design values on some sections;the fluctuation of volumetric water content in the subgrade surface is relatively greater,while the volumetric water content in deep subgrade tends to reduce slowly;the subgrade frost heave deformation is less than 8 mm,and the frost heaving concentrates in the subgrade surface.

Passenger dedicated line;Cold region;Subgrade frost heaving;Field test

U238;U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.002

1004-2954(2014)12-0006-03

2014-09-01;

2014-09-19

陈 虎(1985—),男,工程师,2013年毕业于西南交通大学,工学博士,E-mail:307633247@qq.com。