严寒地区路基冻胀变形特征及过程分析

王功博　黄新文

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

Analysis of the Frost Heave Deformation Characteristics and Process of Subgrade in Cold Area

WANG Gongbo　HUANG Xinwen

严寒地区路基冻胀变形特征及过程分析

王功博黄新文

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

Analysis of the Frost Heave Deformation Characteristics and Process of Subgrade in Cold Area

WANG GongboHUANG Xinwen

摘要根据某客运专线GDK222+581.1～GDK222+681.1工点冻胀变形监测数据，分析该工点的冻胀变形特征及过程，研究得出该工点冻胀量主要发生在基床表层。并指出路基冻胀存在纵向及横向的随机性、不确定性和不均匀性，冻胀变形快速上升阶段与快速融沉阶段是冻胀变形最主要的两个阶段，也是造成路基本体不均匀冻胀后引起轨道几何形态指标超限，影响旅客乘坐舒适度，极端情况下危机行车安全的主要阶段。

关键词路基冻胀融沉变形特性过程

在高寒地区修建高速铁路，季节性冻土路基的防冻胀问题是世界性难题[1]。客运专线列车行车速度高，对线路平顺性、旅客舒适度等要求高。路基本体不均匀冻胀后引起轨道几何形态指标超限，影响旅客乘坐舒适度，极端情况下危机行车安全[2]。因此，全面、细致、准确的掌握严寒地区路基冻胀的具体变化情况，并为今后铁路建设提供参考，对在建的客运专线上进行路基冻胀变形监测与试验是十分必要的[3]。

1概述

1.1　工程概况

新建某客运专线位于吉林省中东部，线路全长360.602 km，设计速度250 km/h，有砟轨道。该工点位于布尔哈通低山沟谷区，地势起伏不大，大部分地表被植被覆盖，地质构造不发育。该工点为路堤段，填高约6～7 m，基床表层填筑级配碎石，厚0.7 m；基床底层顶部设0.2 m厚中粗砂内夹铺一层复合土工膜隔断层，其下填筑1.0 m厚非冻胀性A、B组填料和1.1 m厚A、B组填料。路基本体采用A，B组或C组碎石、砾石类填料。

1.2　气象特征

本区属北亚温带湿润半湿润大陆性季风气候，按照对铁路工程影响的气候分区，该区为严寒地区。年平均气温4.6 ℃，最冷月平均气温-15.2 ℃，极端最低气温-37.1 ℃，年平均降水量670.4 mm，主要集中于6～8月；平均相对湿度67%。土壤最大冻结深度171 cm，每年从10月底开始冻结，次年4～5月全部融化，经历时间长达5～6个月。

1.3　监测方法及监测点布置原则

在线路两侧基床表层位置挖一条平行于线路的监测沟(埋深300 mm，宽300 mm)，位于中心线两侧5.5 m，监测线分布于监测沟内。从基准点开始每5 m布设一个监测点(见图1)，同时也对该工点地温进行自动监测。

图1　自动变形监测系统示意

2冻胀变形特征分析

该工点长度为100 m。采用DCM自动监测系统对变形进行监测，根据监测结果，本监测周期左侧最大变形值为10.0 mm，于2014年3月21日发生在DK222+626.1点；右侧最大变形值为8.1 mm，于2014年3月12日发生在DK222+601.1点。左侧平均冻胀量为 5.16 mm，右侧平均冻胀量为4.04 mm。融沉阶段部分监测点受沉降影响融沉至初始高程以下。左侧冻胀变形纵断面情况见图2，右侧冻胀变形纵断面情况见图3。

图2　左侧变形纵断面

图3　右侧变形纵断面

总结本工点冻胀变形特征如下。

(1)路基冻胀变形具有随机性和不确定性[4]:冻胀变形在纵向上呈波动状态，冻峰、冻谷交替出现，显示出冻胀变形位置的随机性及不确定性。

(2)路基冻胀变形具有不均匀性[5]：冻胀变形在纵向及横向上均呈现出不等高的变形情况，表现出纵向及横向冻胀变形的不均匀性。

3冻胀变形过程分析

本工点于GDK222+650断面两侧分别安装了地温监测系统，通过对地温和水分的监测来判断地温零度线所在的位置(即冻结发生的深度)，从而对冻胀变形发生过程进行分析。

3.1　左线变形发生过程分析

根据左侧平均变形监测数据及地温监测数据，可以得到冻胀变形曲线及冻深变化曲线(见图4)。左侧不同深度(自路基面以下)地温监测情况见图5。

图4　左侧冻胀变形曲线及冻深变化曲线

图5　左侧地温曲线

根据图4综合分析，左线冻胀变形过程如下：

左线冻胀量在2013年12月22前呈平稳波动阶段，该阶段路基冻胀变形幅度很小，基本处于平稳小波动状态，冻胀量在0.5 mm以内，地温监测显示零度线在0.7 m以上。

2013年12月22日至2014年1月10日之间呈快速上升阶段，该阶段路基冻胀变形幅度很大，处于陡升状态，冻胀量达到3.54 mm，约占冻胀极致点的75%。地温监测显示零度线自0.7 m深下降至0.9 m深。

2014年1月10日至2014年3月29日呈平稳小波动阶段，该阶段路基冻胀变形幅度较小，基本处于平稳状态，该时间段地温零度线下降至1.6 m深。其中，在2月24日至3月21日呈缓慢波动上升阶段，在此期间地温监测显示零度线并未向下下降，但气温快速回暖导致表层融化，融深一度达到0.9 m深，后又缓慢冻结，是导致此次缓慢上升的主要原因。

2014年3月29日至2014年4月15日为快速融沉过程，该阶段路基融沉变形幅度很大，处于陡降状态，融沉至初始高程以下(受沉降影响)。地温监测显示0.5 m深地温自4月5日开始快速上升， 0.7 m深地温自4月10日开始快速上升，0.9 m深地温自4月14日开始快速上升，1.4 m深地温自4月15日开始快速上升，说明融沉自上而下逐渐融沉。

2014年4月15日后出现小幅沉降，该阶段仅1.4～1.9 m深局部冻层缓慢融化，初步分析，所引起的融沉为钻孔回填土由于含水量增加所引起的沉降所致。

3.2　右线变形发生过程分析

根据右侧平均变形监测数据及地温监测数据，可以得到冻胀变形曲线及冻深变化曲线(见图6)，右侧不同深度(自路基面以下)地温曲线见图7。

图6　右侧冻胀变形曲线及冻深变化曲线

图7　右侧地温曲线

右线冻胀量在2013年12月15前呈平稳波动阶段，该段时间路基冻胀变形幅度很小，基本处于平稳小波动状态，冻胀量基本在0.5 mm以内，地温监测显示零度线在0.7 m以上。

2013年12月15日至2014年1月5日之间呈快速上升阶段，该阶段路基冻胀变形幅度很大，处于陡升状态，冻胀量达到2.82 mm，约占冻胀极致点的85%。地温监测显示零度线自0.7 m深下降至1.1 m深之间。

2014年1月5日至2014年3月25日呈平稳小波动阶段，该阶段路基冻胀变形幅度较小，基本处于稳定状态。该段时间地温监测显示零度线自1.1 m深下降至1.9 m深，1.4 m深的地温监测显示零度线于2014年1月17日达到该深度，1.9 m深处地温仅触及零度线，但并未超过零度。其中，2月26日至3月21日呈缓慢波动上升阶段，地温监测显示零度线未下降，但气温快速回暖导致表层融化，融深一度达到0.7 m深，后又缓慢冻结，是导致此次冻胀的主要原因。

2014年3月25日至2014年4月17日呈快速融沉阶段，该阶段路基融沉变形幅度很大，处于陡降状态，融沉至初始高程以下(受沉降影响)。地温监测显示0.7 m深地温自4月6日开始快速上升，0.9 m深地温自4月10日开始快速上升，1.4 m深地温自4月15日开始快速上升，说明融沉自上而下逐渐融沉。

2014年4月17日之后呈缓慢融沉阶段，该阶段仅1.4～1.9 m深局部冻层缓慢融化，初步分析，所引起的融沉为钻孔回填土由于含水量增加所引起的沉降所致。

3.3　综合分析

该工点为路堤工点，在冻结阶段，随着零度线下降，零度线附近的含水量快速下降后趋于稳定；在融化阶段，随着零度线的下降，零度线附近的含水量快速上升，达到极大值后迅速下降，下降至一定值后趋于平稳，由此形成一个向上的尖顶。该工点冻胀变形可分为平稳波动阶段、快速上升阶段、平稳小波动阶段、快速融沉阶段、缓慢融沉阶段。快速上升阶段与快速融沉阶段是冻胀变形最主要的两个阶段，快速变形说明冻胀量所发生的位置。

综合考虑各种因素分析，本工点引起冻胀的深度在0.7～1.1 m深之间，初步分析该层在两部一膜上的中粗砂层附近。

现有路基结构形式下，冻结深度不是控制路基冻胀的主因[6]，根据地温判断，本工点实测最大冻结深度1.9 m，设计最大冻结深度1.71 m，实测最大冻结深度是设计最大冻结深度的1.1倍。根据含水率监测曲线，本工点实测基床范围内含水率介于0%～11.1%之间。

环境温度是影响土冻胀的重要因素之一[7]，平稳波动阶段后期的缓慢波动上升阶段所对应时间段的环境温度恰好为一个非常明显的回暖过程，由于促使路基土产生冻胀的基本条件就是路基土中的含水率[8]，且基床表层级配碎石的冻胀率随着含水率和细颗粒含量的增加而增大[9]。因此可以判断，回暖过程中路基表层融化的雪水下渗，由于基床底层两布一膜铺设不规范，排水坡度未达到设计要求，不能及时将渗水排出导致含水量急剧增大，再次冻结时冻胀量较初次冻结时明显增大。因此，及时对基床表层渗水进行疏通是防止路基冻胀的措施之一[10]。

4结论

通过对某客运专线GDK222+581.1～GDK222+681.1工点冻胀变形特征及过程的分析，路基冻胀存在纵向及横向的随机性、不确定性和不均匀性；该工点冻胀变形可分为平稳波动阶段、快速上升阶段、平稳小波动阶段、快速融沉阶段、缓慢融沉阶段五个阶段。其中，快速上升阶段与快速融沉阶段是冻胀变形最主要的两个阶段，也是造成路基本体不均匀冻胀后引起轨道几何形态指标超限，影响旅客乘坐舒适度，极端情况下危机行车安全的主要阶段。

参考文献

[1]卢祖文.高速铁路基础设施的重大技术问题[J].中国铁路，2014(8)

[2]夏健.寒冷地区客运专线路基冻胀变形观测方案研究[J].山西建筑，2014(1)

[3]石刚强.严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析[J].冰川冻土，2014(4)

[4]张先军.哈大高速铁路路基冻胀规律及影响因素分析[J].铁道标准设计，2013(7)

[5]石刚强，张先军.严寒地区客运专线路基冻胀影响因素及防治技术[J].铁道建筑，2011(6)

[6]余雷.哈大客专路基冻胀变形的观测与分析[J].路基工程,2013(3)

[7]赵润涛，李季宏，李曙光.客运专线路基工程的防冻胀处理措施[J].铁道勘察，2011(4)

[8]杨洪生，宇德忠，于立泽. 高寒地区路基土冻胀影响因素研究[J].黑龙江交通科技，2012(2)

中图分类号：TU433

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)03-0031-03

作者简介：第一王功博(1987—)，2010年毕业于西南交通大学岩土专业，硕士，助理工程师。

收稿日期：2015-03-03