寒区高速铁路路基地温监测技术优化试验研究

王富玉,王天亮,曹立辉,王天木,刘亚星,李思琪

(石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043)

在寒冷地区，土体的反复冻胀、融沉变形以及由此引起的强度劣化是造成工程构筑物损伤破坏、冻害循环往复且难以整治的直接原因[1-3]。路基地温动态监测技术的研究与应用，对掌握寒区高速铁路路基冻害演化过程，抑制冻害的发生与发展，提高我国高速铁路路基冻胀防控水平具有工程实际意义[4-6]。

温度的高低直接影响冻土土颗粒中未冻水和冻结水的含量，也决定着路基的稳定性和强度。当土中温度降低到0 ℃以下时，土颗粒之间的水分子就会冻结，形成冻胀，路基冻胀会使线路平纵断面的平顺性难以保证[7]。当温度升高到0 ℃以上时，土体表面的冰晶体首先开始融化，而底层土层中冻结的冰会逐渐融化，为此上部消融的水在土里就难以渗透或排除，因而产生翻浆冒泥，使整个土层强度降低，影响路基的稳定性和承载力[8-10]。由此可见，研究冻土温度的监测很有必要。

影响寒区高速铁路路基温度的因素有很多，如路基填料种类、路基深度、气候条件等。测试温度的传感器类型、传感器的埋置形式、温度测试时管口的闭合条件等[11]会对地温监测产生不同的影响。本试验主要研究内容：①优化寒区高速铁路路基温度监测技术试验方案；②通过温度传感器测试冻土在不同类别试验管、路基填料、路基深度、填料含水率以及试验管口是否闭合条件下的温度，并分析各测试结果的差异。

1 冻土路基地温现场监测试验方案

1.1 试验材料及试验设备

试验所用的土样：试样A，含水率20%的中密粉土；试样B，含水率35%的中密粉土；试样C，含水率20%的中密砂土。

试验管的类型及参数：①钢管，外直径40 mm,壁厚2 mm,长度300 mm；②PVC管，外直径40 mm,壁厚2 mm,长度300 mm；③玻璃管，外直径40 mm,壁厚2 mm,长度300 mm。

试样桶底板：材质为PVC，直径为330 mm，厚度为30 mm，上面钻有深度为20 mm、内径40 mm的圆孔若干，用于固定各种试验管。

试验设备：烘干箱、高低温交变试验箱、温度传感器、方孔筛、压实杆、聚氨酯泡沫填缝剂、995中性型胶、CR6数据采集器等。

1.2 土样制备

根据试验仪器确定土的用量：试样桶底板直径D为330 mm，试验中要求土样高度H为300 mm，粉土、砂土的相对密度分别以2.7,2.6计算[12]，得粉土、砂土的质量分别为69.244，66.679 kg。

土样均来自石家庄地铁1号线，考虑到后期筛分可能造成的质量损失，故准备粉土和砂土各80 kg。土样干燥后，筛分去除土中混合的石块，对于大的土块将其碾碎，最后装袋封存。

通过计算，在获取的干燥试样A中加入13.85 kg的水；在获取的干燥试样B中加入24.23 kg的水；在获取的干燥试样C中加入13.34 kg的水。将制得的土样静置24 h，准备后续试验。

1.3 试验方案与步骤

1.3.1 试验方案

1)将试样A、试样B、试样C通过高低温交变试验箱降温至-10 ℃形成冻土。试验近似模拟现场的路基冻土，每个冻结和消融的周期均为4 h。

2)分别取各试验管距底板3，15，27 cm处进行温度监测。

3)温度传感器分别放置于钢管、玻璃管、PVC管和土样中。其中：将直接埋置在土里的温度传感器所得值作为试验的对照；采用CR6数据采集器进行数据的采集和存储(设定为每分钟采集1次温度数据)。

4)每种管分别做闭口和开口的试验。

最终通过试验监测得到的数据，具体研究每一种因素对温度监测的影响，然后对试验进行评估和优化，提出合理建议。

1.3.2 试验步骤

1)准备钢管、玻璃管、PVC管各1根，在每根测试管的3,15,27cm处分别设置温度传感器，同时在对应埋深的土体内直接埋设温度传感器。

2)将各管放入带有孔洞的PVC底板固定，将制备好的试样A填入试样桶内，用压实杆压实至中密即可，然后用聚氨酯泡沫填缝剂进行盖口的封闭处理，处理完毕后，将其放入高低温交变试验箱内，设置其温度为-10 ℃。待试样A封闭管试验完毕后，按照软件的提示，进行试样A封闭试验数据的储存。之后将高低温交变试验箱温度设定为30 ℃，使土质消融。一段时间后，土质消融，记录数据后再进行闭口的拆卸，进行开口试验，同样将高低温交变试验箱设定为-10 ℃，按照上述步骤进行。试样C、试样B的试验步骤与之相同。

3)依次完成各组试验：试样A封闭条件下温度监测→试样A开放条件下温度监测→试样C开放条件下温度监测→试样C封闭条件下温度监测→试样B封闭条件下温度监测→试样B开放条件下温度监测。

2 试验结果分析

2.1 试样A试验结果分析

封闭条件下各管距底板3，15，27 cm处试样A的温度时程曲线见图1。可知，随着高低温交变试验箱逐渐降温，温度传感器在玻璃管、PVC管、钢管测定的温度值在各管距底板3，15，27 cm处都大致相同。同一时刻，距底板3 cm处测出的温度>距底板15 cm 处测出的温度>距底板27 cm处测出的温度。距底板27 cm 处的温度值首先达到0 ℃，然后是距底板15 cm处，最后是底部。玻璃管、PVC管、钢管内温度传感器测定的温度值在距底板3，15 cm处都比直接埋置在土体里测定的温度值提前达到0 ℃。无论采用何种管，距底板27 cm处温度的变化率>距底板15 cm处温度的变化率>距底板3 cm处温度的变化率。

图1 封闭条件下不同位置处试样A的温度时程曲线

封闭条件下各管距底板3，15，27 cm处试样A的温度测量值与实际值差值随时间的变化曲线见图2。可知，距底板27 cm处玻璃管、PVC管、钢管内温度传感器测得的温度值与直接埋置在土里测得的值差值约在25%左右。而距底板3，15 cm处玻璃管、PVC管、钢管温度传感器测得的温度值总体上与直接埋置在土里测得的值相差较大，距底板15 cm处最大达到了65%，距底板3 cm处最大达到了40%。

图2 封闭条件下不同位置处试样A的温度测量值与实际值差值增减幅度随时间的变化曲线

开放条件下各管距底板3，15，27 cm处试样A的温度时程曲线见图3。可知：在升温的过程中，玻璃管、PVC管、钢管内温度传感器比直接埋置在土里的温度传感器首先感知到温度的变化，温度变化首先出现拐点。3种管中，使用玻璃管与直接埋置的温度传感器测得的温度值变化趋势比较接近。

图3 开放条件下不同位置处试样A的温度时程曲线

开放条件下各管距底板3，15，27 cm处试样A的温度测量值与实际值差值随时间的变化曲线见图4。可知，距底板3 cm处增减幅度大多数在0.5%左右，最大增减幅度为1%；距底板15 cm处增减幅度大多在1.2%左右，最大为2%；距底板27 cm处增减幅度大多在0.5%左右，最大为4.5%。其中，玻璃管的差值在三者里面最小。

图4 开放条件下不同位置处试样A的温度测量值与实际值差值增减幅度随时间的变化曲线

2.2 试样C试验结果分析

开放及封闭条件下各管距底板3，15，27 cm处试样C的温度时程曲线见图5。可知：随着高低温交变试验箱逐渐降温，无论是开口还是闭口，温度传感器在玻璃管、PVC管、钢管测定的温度值变化规律均与试样A大致相同。但在封闭条件下，三者与直接埋置的温度传感器所测温度值相比差值较大。距底板 3 cm 处最多达到22%，距底板15 cm处最多达到15%，距底板27 cm处最多达到8%；而在开放条件下，距底板27 cm处大多保持在0.6%左右，最高达到1.2%；距底板15 cm 处大多保持在1.5%左右，最大为4%；距底板3 cm 处大多在0.8%左右，最多达到3.5%。

图5 不同位置处试样C的温度时程曲线

图6 不同位置处试样B的温度时程曲线

2.3 试样B试验结果分析

开放及封闭条件下各管距底板3，15，27 cm处试样B的温度时程曲线见图6。可知，由于含水率的增高，玻璃管、PVC管、钢管测定的温度值与之前两种情况差异较大。随着深度的增大，测出的温度值越高。距底板3，15，27 cm处测得的温度值相比于直接埋置测出的温度值都要偏高。

在开放条件下，玻璃管、PVC管、钢管内温度传感器测得的温度值与直接埋置在土里的温度传感器测得的值差值较大。距底板3 cm处大多保持在50%左右，最高达到180%；距底板15 cm处大多在10%左右，最大差值为100%；距底板27 cm处大多在10%左右，最大为180%。这与试样A和试样C的试验结果是不一样的，试样A和试样C的这种误差相对较小，而试样B的却非常明显。

在封闭条件下，玻璃管、PVC管、钢管内温度传感器测得的温度值与直接埋置在土里的温度传感器测得值的差值，距底板27 cm处大多保持在0.6%左右，最大达到1%；距底板15 cm处大多保持在0.8%左右，最大为4%；距底板3 cm处大多在2%左右，最多达到10%。这与试样A和试样C的试验结果差异较大。

3 结论

1)在土样管口封闭的条件下，玻璃管、钢管、PVC管内温度传感器测得的温度值相互之间相差在5%之内，差别不大。但在管口封闭条件下玻璃管、钢管、PVC管内温度传感器测得的温度值与直接埋置在土体里传感器测得的温度值相比增减的幅度要大于在管口开放条件下。而对于含水率35%的试样B，这种结果却恰恰相反，这说明了水的含量在土的冻结中起重要的作用，并且直接影响到地温的监测，符合实际工况。

2)3种土样中无论管口是否闭合，均有距底板27 cm 处温度的骤变率>距底板15 cm处温度的骤变率>距底板3 cm处温度的骤变率；同一时间段内，距底板3 cm 处温度值>距底板15 cm处温度值>距底板27 cm 处温度值，符合国内冻土研究中利用温度测土体厚度的理论。不同土质同一管材测出的温度值与实际值相比，在管口封闭时试样C的差异最大，试样A次之，试样B最小；在管口开放时，试样B的差异最大，试样A次之，试样C最小。

3)基于上述试验结果，对寒区高速铁路路基的地温监测提出合理的优化方案：现场进行地温监测时，测温管管口的开放和封闭由土质及其含水率的大小决定。含水率>20%时选择管口封闭，误差值较小；而含水率<20%时应选择开口。在选定温度监测所用的管材时，尽可能选用玻璃管差值较小。若受造价成本限制，也可选择PVC管。

4)工程所处地段路基土的性质很重要，土颗粒之间的间隙程度决定了水和气体体积的大小，也在一定程度上决定了水分子之间的迁移冻结。试验证明，回填土采用砂土时，测温管中的温度传感器能更好地反映真实的地温。

5)测温时应在每天的相同时间段内采集温度数据，这样得到的地温监测数据更为准确。

[1]杨广庆.路基工程[M].北京:中国铁道出版社,2013.

[2]赵永峰,谢强,王子江,等.川藏铁路季节性冻土区粗颗粒土边坡温度场特征[J].铁道建筑,2017,57(5):95-99.

[3]闫宏业,蔡德钩,杨国涛,等.高寒地区高速铁路路基冻深试验研究[J].中国铁道科学,2015,36(3):1-6.

[4]孙志忠，马巍，温智,等.青藏铁路多年冻土区普通路基地温监测及其分布预测[J].铁道学报,2010,32(3):71-76.

[5]马荣田,仇鹏,欧志强.季节性冻土区铁路客运专线路堑路基冻害成因分析及对策研究[J].铁道建筑，2014,54(6):101-106.

[6]赵洪勇,闫宏业,张千里,等.季节性冻土区路基基床粗颗粒土填料冻胀特性研究[J].铁道建筑，2014,54(7):92-94.

[7]张喜发，杨凤学，冷毅飞，等.冻土试验与冻害调查[M].北京：科学出版社，2013.

[8]潘卫东，余绍水，贾海峰,等.青藏铁路沿线多年冻土区地温场变化规律[J].冰川冻土,2002,24(6):774-779.

[9]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，2010,50(7):104-107.

[10]张向民,高亮,崔日新.青藏铁路多年冻土区无缝线路监测技术研究[J].铁道建筑，2016,56(4):114-117.

[11]张玉芝,杜彦良，孙宝臣.季节性冻土地区高速铁路路基地温分布规律研究[J].岩石力学与工程学报,2014,33(6):1286-1296.

[12]李广信,张丙印.土力学[M].北京：清华大学出版社,2014.