寒区高速铁路路基混凝土基床试验研究

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(1.中国铁道科学研究院，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

我国东北部地区冬季温度低且持续时间长，土壤最大冻结深度超过2.0m，受地表气温季节变化影响，呈周期性冻结和融化，属于典型的季节性冻土环境。

季节性冻土区高速铁路运营过程中面临着抗冻防寒等问题，合理的路基基床防冻胀结构设计是预防路基冻胀的关键。文献[1]分析了哈大高速铁路混凝土基床试验段的冻胀及冻胀变形发展情况，文献[2-5]阐述了哈大高速铁路的冻胀情况及机理。为更好地解决寒区高速铁路路基冻胀问题，我国采取了一系列防冻胀措施[6-9]。京沈客运专线采用的是混凝土基床结构，在基床范围内使用混凝土代替A，B组填料，从根源上减少冻胀的发生。

本文以京沈客运专线辽宁段四标段路堑地段纵向连续的路基混凝土基床为研究对象，通过监测混凝土基床不同部位的路基地温、冻结深度及分层变形，研究路基混凝土基床结构的变形规律，为混凝土基床的结构设计提供依据。

1 工程概况

新建京沈客运专线是国家中长期铁路网规划的“四横四纵”客运专线主骨架京哈客运专线的重要组成部分。线路起自北京站东咽喉，向东北方向经河北省承德市，辽宁省朝阳市、阜新市后接入沈阳铁路枢纽沈阳站。线路全长709 km，正线采用 CRTSⅢ 型板式无砟轨道，设计速度350 km/h。

2 试验方案

选取试验工点为京沈客运专线辽宁段四标段DK347+688—DK347+733处路堑地段纵向连续的2块混凝土基床板，长度分别为11.32，25.00 m，在最大冻结深度内，基床从上至下依次采用0.5 m C35混凝土、1.5 m C20混凝土;混凝土基床以下铺设0.25 m厚碎石垫层；碎石垫层以下铺设0.25 m厚三七灰土垫层。在混凝土基床板的中部及端部伸缩缝处分别安装变形计进行长期变形监测。据勘查资料可知，该地区最大冻结深度在1.35～1.67 m。为充分保障测试结果，设计的地温测试孔深度为4.0 m，分层变形测试深度分别为2.0,2.5,3.75 m，该设计足以保证监测到整个冻结深度范围内的变形情况。地温设计测试深度分别为0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.6，2.0，2.5，3.0，4.0 m。变形计用于测定设计深度范围内的变形量，由于混凝土基床的整体性，在混凝土基床深度范围内未设分段变形计。

3 试验结果

3.1 路基地温监测分析

图1 温度传感器布置示意(单位：m)

DK347+710测试断面温度传感器布置如图1所示，该断面共设置了5个地温测试孔，分别设置在路肩左右侧距基床边缘1 m处和混凝土基床板的左右边缘及基床线间。温度测试时段由2017年1月开始至2017年7月结束，测试时间长达半年，累计监测700余次。DK347+710断面不同深度的地温时程曲线见图2。

图2 DK347+710断面不同位置处地温时程曲线

由图2可知：①1—3月初，基床结构各层温度随深度而增加；3月初—5月初，路基表面温度变化较大，路基表面和监测底面温度较高而基床底面附近温度较低，此阶段基床各层之间的温差较小；5月初—7月，基床结构各层温度随深度而降低；②基床表面浅层温度变化受环境影响较大，越靠近表面温度日变化幅度越大，且环境温度影响逐渐向下传递，随深度增加影响逐渐减小；③基床线间表面温度波动幅度小于基床边缘表面和路肩表面温度波动幅度，这是由于混凝土与路肩填料的导热系数不同所致；④混凝土基床线间深部温度变化要大于基床边缘和路肩处的温度变化，各个温度计监测结果均显示全年温差随深度增加而减小。

3.2 冻结深度监测分析

图3 DK347+710断面冻结深度变化曲线

DK347+710断面处各监测位置的冻结深度变化曲线见图3。由于地温初值采集时间为2017年1月份，此时已经产生冻结深度。影响路基冻结深度的因素主要有大气温度、太阳辐射、冻结时间等。其发展主要受地面气温的影响。可知，在1月11—31日，随着气温下降和每天保持0 ℃以下低温时段的增长，冻结深度增加速率基本上在1.6～3.0 cm/d。增加速率最大的是基床线间，最大值为3.2 cm/d。增加速率最小的是左侧路肩，最小值为1.6 cm/d。基床线间及基床左右边缘增加速率均大于路肩处。2月1—17日冻结深度增加速率减缓，基床线间及基床左右边缘处基本上在0.30 cm/d左右，路肩左右侧冻结深度增加速率基本相同，在0.25 cm/d左右。2月18日—3月底，基床线间及左右边缘冻结深度降低速率较快，而路肩填料处的冻结深度降低速率要小于基床处。对比路肩填料与混凝土基床可知，路肩填料在冻结深度快速发展阶段和回暖阶段的速率均明显小于基床混凝土，这是由于二者的导热系数不同。

DK347+710处左侧路肩、基床左边缘、基床线间、基床右边缘、右侧路肩监测期间的最大冻结深度分别为1.24，1.37，1.69，1.31，1.22 m。

3.3 分层变形分析

分层变形监测时间从2017年1月开始至2018年6月结束，监测频次为每2 h 1次。通过对混凝土基床板不同部位的分层变形长期监测，研究路基基床的变形规律。混凝土基床不同部位各监测深度最大变形见表1。

表1 各监测部位最大变形 mm

由于分层监测初值采集时间是1月份，由传热学理论可知此时混凝土基床板已经产生翘曲变形，且1月中旬左右是基床板翘曲变形幅值阶段，因此变形监测结果中包含温度翘曲变形。不同位置处路基变形时程曲线见图4。可知，混凝土基床中部和伸缩缝的最大变形量不超过2.5 mm，变形幅值在路基允许范围之内(≤5 mm)，不会影响到线路平顺性。

图4 不同位置处路基变形时程曲线

DK347+714断面基床端部不同层位变形曲线见图5。可知，变形主要发生在路基混凝土基床内，而垫层和基床以下变形均在0.5 mm 左右，在测量误差影响范围内。由于监测期间最大冻结深度未超过混凝土基床的厚度，混凝土基床以下未产生冻胀变形，该变形在监测周期内呈周期性变化，与混凝土基床板的温度翘曲变形规律和幅值均相似。

图5 DK347+714断面基床端部不同层位变形曲线

4 结论

1)地温监测时段内，混凝土基床线间的最大冻结深度为1.69 m，两侧路肩处的最大冻结深度为1.24 m，混凝土基床的最大冻结深度大于路肩处填料的最大冻结深度，且均未超过混凝土基床厚度。

2)2017年1月至2018年6月监测时段内混凝土基床变形较小，变形幅值不超过2.5 mm，且混凝土基床以下变形在0.5 mm左右。该变形主要为温度应力引起的混凝土基床板的翘曲变形。

3)采用混凝土基床代替传统A，B组填料的设计能很好地解决路基冻胀引起的线路不平顺问题，满足高速铁路线路平顺性要求，但还需继续监测混凝土基床的性能演变情况。