含盐砂土区铁路路基冻胀分析

潘高峰，吴亚平，刘路，王釭，王军

（1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070；2.青海省地方铁路建设投资有限公司，青海西宁810000；3.中铁十六局集团有限公司，北京100018）

含盐砂土区铁路路基冻胀分析

潘高峰1，吴亚平1，刘路1，王釭2，王军3

（1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070；2.青海省地方铁路建设投资有限公司，青海西宁810000；3.中铁十六局集团有限公司，北京100018）

为了探讨新建锡铁山至北霍布逊地区铁路路基的冻胀变形规律，为高含盐地区路基的设计和修筑提供参考依据，开展了高含盐砂土的室内冻胀试验，根据试验结果判定该类含盐砂土属于强冻胀土。继而结合现场监测数据，利用有限元数值模拟得出了路基为期一年的冻结深度变化规律，最后对冻结期和非冻结期的路基顶面竖向位移进行了对比分析，发现高含盐砂土在冻结过程中的2次相变点温度分别为-6.8℃和-15.2℃，路基冻结期为11月至次年3月，冻结期路基顶面中心抬升21.7 mm。关键词含盐砂土；冻胀路基；冻胀试验；数值模拟

冻土本身由于被冰所胶结而具有较复杂的多相体系，影响土体冻胀变形的主要因素为温度、水分和岩性［1-5］。我国西北寒区广泛分布的盐渍砂土，其液相含盐溶液，固相含结晶盐，使其在冻结期具有更加复杂的变形特性。与一般土不同，盐渍土在低温环境下的变形量主要有两部分组成，一部分是由于土体中的孔隙水冻结和解冻而发生体积变化，另一部分则是在温度的影响下盐溶液中的盐分溶解和结晶而产生的。影响盐渍土变形的主要因素为含盐量、含水率和温度。这使得盐渍土的液、固相以及孔隙率随着温度和应力水平的变化而变化，加之极端气候条件下的反复冻融循环，极易对该类土质地区的基础产生各种病害问题，对地区的发展和基础建设造成巨大的阻碍。

虽然到目前为止，对于盐渍土的工程特性已有不少研究，也取得了一些有价值的成果，但由于地域和土类的差异使得盐渍土的工程性质区别较大，导致病害问题的随机性和不确定性［6-9］，难有可以普遍推广的研究成果。为此，本文针对北霍布逊地区含盐砂土的力学性质进行室内冻胀试验，并利用试验结果数据，结合当地气象资料对路基的变形规律进行数值模拟分析，从而探讨含盐砂土区路基的冻胀规律，为类似地区路基的防冻胀措施提供依据。

1　工程概述

本项目铁路位于青海省境内，所经地区气候环境恶劣，高寒干燥。区域内广泛分布着湖积细砂，由于含盐量较高，大多在地表形成盐壳，地面自然坡度较缓（约1%～5%），地表荒芜，无植物生长，呈沙漠戈壁景观，如图1。地区年平均气温为-1.7℃，最高气温为33.0℃，最低为-34.2℃，最大积雪厚度约10 cm。区域内的土体含盐率普遍很高，较高的地下水位使得大量盐渍土处于饱和状态，土体冻结时的温度由于盐分的存在而低于0℃，约为-7.5℃，冻深约200 cm。

图1　盐渍土地区地貌

2　室内冻胀试验

2.1试验方法

现场取样后风干，按土工试验规范对土样进行饱和试验，从而获得其饱和含水率20.3%。随后根据饱和试验结果确定各组试样的含水率（5%，10%，15%，20.3%），并按各自含水率对试样进行配制。在试验过程中，共设置有4组不同含水率的试样，其中含水率最大的试样处于饱和状态。试验过程中将它们在10～-30℃的温度范围内进行逐级降温冻结试验，从而测得不同含水率的土样在不同温度下的冻胀率。试验所需仪器设备有冻胀仪、温度控制系统、电阻式温度传感器、套筒、百分表等。

2.2试验结果及分析

将各组试样在不同温度下进行冻胀试验，分别测得其冻胀量，计算整理出各组试样（含盐量为25.30%）在特定温度下的冻胀率，并绘于图2中。

图2　不同含水率土样的冻胀率随温度的变化

由图2可知，虽然各组试样的含水率不同，但在试验过程中都出现了不同程度的冷缩现象，冷缩量与含水率成正相关关系。而且，在-6.8℃时各组试样的体积都迅速增大，出现明显的冻胀现象。随后冻胀率的增速放缓，因此可以确定-6.8℃即为第1相变点。随后不难发现，-15.2℃时也出现了类似的现象，冻胀率增长的速率有大幅度的提升，直至-30℃方才稳定。由此可见第2相变点温度为-15.2℃。根据试验结果可以判定该含盐砂土为强冻胀土。

3　数值模拟

3.1冻土三维热传导方程

在相同的导热系数下，路基融土区土的三维热传导方程［10］为

路基冻土区土的三维热传导方程为

式中：下标u，f分别为所处的融、冻状态；c，T，λ分别为质量热容、土体温度和导热系数。

为了获得各土层的质量热容cs和导热系数λs，可以采用显热容法来构造，如式（3）

3.2填土路基模型及各层土的热物理参数

模型尺寸：宽120 m，深60 m，纵向40 m。共计单元42 200个，节点数47 603个。表1为路基土相关的热物理参数。

表1　路基土的热物理参数

3.3大气温度规律

为了使计算的相关参数更为合理，对该地区一年的大气温度数据通过实测获得，并根据形态分布规律将数据拟合成正弦曲线，如图3。

图3　当地大气温度年变化拟合曲线

3.4路基土冻结深度规律

基于如图3所示的温度曲线函数进行数值计算，从而得到2012年10月到2013年3月期间路基土的冻深与时间的关系，如图4。

图4　路基土冻深随时间的变化曲线

由图4可以看出，路基土大约在11月初可视为有效起冻时间，随后随着温度的下降冻深呈线性增加，直到第2年1月中旬冻结深度达到最大值，为0.43 m。此后由于环境温度回升，冻深不断减小，最终在3月中旬达到非冻结状态。提取最大冻结深度时路基土中不同深度处的温度情况绘于图5。图5显示，0～4 m深度范围内的温度变化较大，且在2～4 m范围内还出现正温；当深度＞4 m后，其温度趋近并稳定在0℃。更值得注意的是，深度为0.43 m时，温度约为-7℃，这与室内试验所测值能够很好地吻合，也验证了该数值模拟的准确性。

图5　路基土温度随深度的变化曲线

4　路基冻胀变形模拟

借助室内试验结果和冻深模拟数据对未冻期和冻结期的路基竖向位移进行对比模拟分析，为使模拟结果更为真实可靠，选取该地区分布最为广泛的含盐砂土作为路基土，其含盐量为25.3%，含水率为20.3%。

4.1路基冻胀变形模拟

根据《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1—2005）对路基采用“中-活载”进行计算。路基在单列中-活载作用下，计算得出未冻结和冻结期间路基断面的竖向位移等值线图，分别如图6和图7所示。

图6　未冻结路基断面竖向位移等值线（单位：mm）

由图6和图7可知，路基在单列静载作用下，路基竖向位移等值曲线图成扇形分布，由路基顶面向下逐渐扩散，顶面中心处位移最大；但冻结和未冻结工况下的位移等值线图有所差异。由图6可见整个路基土在荷载作用下均产生了竖向沉降，沉降量从上至下逐渐减小；但由图7可以看到，由于冻胀作用，在路基上部的路基土不仅没有沉降，反而产生了向上的位移，向上位移最大值主要分布在路基表层，这与文献［11］的研究结果类似。

4.2路基顶面竖向位移

图8和图9分别为路基在“中-活载”作用下，未冻结和冻结情况时路基顶面的竖向位移曲线。对比图8和图9不难发现，两者路基顶面的竖向位移有着巨大的差异。未冻胀情况下，路基顶面的竖向位移均为负值，即均发生了沉降，其最大值在路基中心线处，为-12.5 mm；两侧的沉降约为6.8 mm。基底饱和砂土冻结情况下：路基顶面整体发了冻胀变形，最大的冻胀量位于路基两侧，为13.5 mm，而路基中心线处的冻胀量相对较小，为9.2 mm。可见，经过一次冻融循环后，路基面的位移变形较大，容易产生翻浆开裂等路基病害，应对该类路基采取相应的防冻胀措施。

图7　冻结期路基断面竖向位移等值线（单位：mm）

图8　未冻结时路基顶面竖向位移曲线

图9　冻结时路基顶面竖向位移曲线

5　结论

本文借助现场检测数据，通过室内试验和数值模拟方法对新建锡铁山至北霍布逊地区铁路路基的冻胀变形规律进行了探讨，发现：

1）含盐砂土在冻结过程中有2次相变，相变点温度分别为-6.8℃和-15.2℃，冻胀率稳定在-25℃。

2）该地区冻结期为11月到次年3月，1月中旬冻深达到最大值。

3）该线路基在冻结期会发生冻胀现象，冻融循环后，路基面的位移变形较大，在路基中心线处达到21.7 mm，两侧路肩达到20.3 mm，容易产生翻浆开裂等路基病害，建议对路基采用一定的防冻胀措施。

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Analysis on Frost Heave of Railway Subgrade in Saline Sand Area

PAN Gaofeng1，WU Yaping1，LIU Lu1，WANG Gang2，WANG Jun3
（1.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China；2.Qinghai Local Railway Construction Investment Co.，Ltd.，Xining Qinghai 810000，China；3.China Railway 16th Bureau Group Co.，Ltd.，Beijing 100018，China）

In order to study the deformation law of subgrade frost heave in Xitieshan to North Hobson railway and provide a reference for the subgrade design and construction of the railway in high saline area，the indoor frost heave test of high saline sand was carried out，whether the type of saline sand belongs to the strong frost heave soil was discussed based on the test results.T he variation law of subgrade freezing depth for a period of one year was concluded by combing with the field monitoring data and using the finite element numerical simulation.T he vertical displacements of the subgrade top in freezing and non-freezing period were compared and analyzed.T he results show that the temperatures of two phase transformation points of high saline sand in the freezing process are-6.8℃and -15.2℃respectively，the subgrade freezing period is from November to M arch of the next year，and the uplift of subgrade top center is 21.7 mm in freezing period.

Saline sand；Frost heave subgrade；Frost heave test；Numerical simulation

U213.1+4

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.23

1003-1995（2016）09-0091-04

（责任审编孟庆伶）

2016-03-23；

2016-06-28

国家科技支撑计划（2014BAG05B05）

潘高峰（1990—），男，硕士研究生。