季节性冻土区高速铁路混凝土基床变形研究

崔颖辉

(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)

引言

我国东北、西北及华北地区广泛分布季节性冻土，尤其是东北部地区，环境非常严酷，冬季最低温度在-40 ℃左右，土壤最大冻结深度超过2.0 m，属于典型的季节性冻土环境。严寒季冻区路基存在冻胀问题，路基冻胀会影响铁路的平顺性和乘坐舒适度，严重时将影响行车安全，高速铁路季节性冻土路基防冻胀是最为基础、最为核心的问题。冬季轨道检测结果表明，在已建成的严寒季冻区高速铁路中部分路基地段产生不均匀冻胀，轨道结构的平顺性状态明显劣化。

近年来，为解决季节冻土区高速铁路路基的冻胀问题，研究人员提出了多种路基冻胀防护、监测及整治措施。闫宏业等[1]阐述了哈大高铁的冻胀情况及机理。张玉芝等[2-3]通过一系列现场监测数据及仿真分析，研究了季冻区高铁路基地温场分布规律。蔡德钩等[4]研究路基冻胀的时空特征以及线路平顺性与冻胀发展过程的关系。朱忠林等[5]提出将XPS保温板埋设在路基中，减小路基体在低温下产生的冻胀变形。刘辉[6]总结了季节冻土区高速铁路路基施工过程中的冻胀控制技术。张东卿等[7]从防冻胀、列车荷载影响以及沥青混凝土封闭层耐久性三个方面研究了俄罗斯莫喀高铁防冻胀路基。刘伟平[8]针对高铁出现的路基冻胀现象，提出了一系列的整治措施。以上的工作对寒区高铁特有的冻胀变形监测、防护及整治提供了良好的工作基础。

为解决高寒地区高速铁路路基防冻胀问题，我国采取了一系列防冻胀措施[9-16]，但在处理地下水水位较高或者排水困难的低路堤地段时，因填料基床可能造成地下水或地表水浸泡路基，使路基本体含水量增高，不利于控制路基冻胀。混凝土有高强度、高模量、低压缩性、低渗透性等优点，混凝土基床即在基床范围内使用混凝土代替容易发生冻胀的A、B组填料，从根源上减少冻胀的发生[14,17-18]。但在大体积混凝土基床结构在严寒季冻区使用尚属首次，不可避免地会遇到极端环境温度下结构变形问题，本文拟以哈齐高铁混凝土基床路基地段为研究对象，分析季节性冻土区高铁混凝土基床结构温度-变形特性，应用有限元计算程序ABAQUS建立典型混凝土基床的温度场、应力场分析模型，获取了季节性冻土区混凝土基床结构变形演化规律，分析厚度、长度等关键参数对路基平顺性的影响。

1 工程背景

哈齐高铁全长281.033 km，路基段长度103.5 km，沿线经过扎龙湿地与龙凤湿地，路基排水困难，最冷月平均气温均低于-15 ℃，最大冻结深度哈尔滨2.05 m、肇东1.89 m、大庆2.14 m、泰康2.72 m、齐齐哈尔2.09 m，属严寒地区。对于路基路肩高程距离地下水位高程小于最大冻深+2.0 m，冻胀隐患较大的低路堤段落采用混凝土基床结构，段落累计总长度23.2 km。

参考TB10028—2006《铁路路基支挡结构设计规范》与GB/T50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》，哈齐高铁混凝土基床10.5 m宽范围内浇筑C35素混凝土，表层设置钢筋网，基床厚度不小于最大冻深+0.25 m，混凝土基床每隔20 m设置1道伸缩缝，缝宽0.02 m，缝内填塞木丝板并设置传力杆钢筋。横断面方向混凝土基床表面自路基中心至轨道底座外边缘设2%排水坡，自轨道底座外边缘往线路外侧设4%排水坡，如图1所示。基床两侧采用纤维混凝土封层，厚度不小于8 cm，每20 m设置1道伸缩缝，与混凝土基床伸缩缝错缝布置。

图1 哈齐高铁混凝土基床方案标准断面示意

京沈高铁沿用了混凝土基床结构，并对结构进行了优化，见图2。路堤地段无砟轨道正线路基基床总厚度为2.7 m，基床范围内依次为C35混凝土，C20混凝土，级配碎石掺5%水泥，A、B组填料。C35混凝土厚0.5 m，C20混凝土厚度为最大冻结深度0.5 m，级配碎石掺5%水泥厚度为设计冻深——最大冻结深度。

图2 京沈高铁混凝土基床方案标准断面示意(单位：m)

混凝土基床顺线路方向每10 m设置伸缩缝，与轨道底板伸缩缝错缝布置，缝宽20 mm，于两布一膜顶面位置伸缩缝设置中埋式止水带，并搭接于两布一膜之上，其上采用聚乙烯板(厚20 mm)、聚乙烯棒(直径22 mm)及聚氨酯封堵，其中聚氨酯填塞深度不小于14 mm。

2 三维建模及边界条件

本文使用顺序耦合热应力分析对混凝土基床开展仿真分析，此类方法适用于应力、应变场的产生是由温度场的存在造成的，且温度求解的过程与应力的状态无关，即应力、应变场依赖温度的变化而产生，而温度并不依赖于位移。该分析时需要两个步骤，首先进行热传导的分析，第二步将温度场的计算结果导入热应力分析。

对于温度应力场的计算，包括3个主要步骤：

(1)计算混凝土基床温度场；

(2)定义混凝土基床温度场计算结果为预定义场；

(3)将上述预定义场导入应力分析模型，进行温度加载。

计算混凝土基床温度应力场时，混凝土基床的初始应力状态为自重应力，整体初始温度取为6 ℃。在数值模型中考虑基床横断面为y方向的对称约束；纵断面约束条件考虑为沿x方向的对称约束；底面的约束条件是沿z方向的垂直约束。图3为数值模型概况，图4为现场实测温度时程曲线，加载在模型表面。表1、表2分别为数值模型所需的材料计算参数及混凝土线膨胀系数。

图3 混凝土基床数值模型概况

图4 基床表层温度拟合曲线

表1 材料计算参数

表2 混凝土线膨胀系数 m/℃·10-6

3 计算结果分析

通过ABAQUS有限元软件对高铁混凝土路基温度-应力场进行数值模拟，模型计算以天为时间单位。由数据实际监测频率，每天为一个荷载时间段，全年划分为365个时间段来进行模拟计算，计算精度达到0.1 ℃。根据现场温度监测数据及实际情况，以2014年8月2日的路基温度场为初始温度场。模型上边界条件采用试验断面的现场温度，左右边界为绝热。下边界条件依据有关文献及实际温度监测数据，可知该地区天然地面以下10 m处竖向热交换甚微，地温基本不变，年平均地温6 ℃。为了全面验证混凝土基床的适用性，计算分析不同长度、线膨胀系数在冬、夏两季温度梯度下，混凝土基床不同位置的变形规律。

以20 m长混凝土基床为例，在8月份时混凝土基床施工完毕，基床整体竖向变形为0 mm，经过施加温度边界条件，到第二年6月份时，混凝土基床表面竖向变形分布如图5所示，在混凝土基床边缘距初始位置约有0.5 mm的竖向变形，中点距初始位置约有0.2 mm竖向变形，最大变形差为0.3 mm，整体呈两端低中间拱的拱形；到第二年11月份时，混凝土基床表面竖向变形分布如图6所示，在混凝土基床边缘距初始位置约有向上0.5 mm的竖向变形，中点距初始位置约有1.5 mm竖向变形，最大变形差为2.0 mm，整体呈两端翘曲的抛物线形。

图5 6月份混凝土基床竖向变形分布曲线

图6 11月份混凝土基床竖向变形分布曲线

图7、图8为典型暖季、寒季混凝土基床整体变形形态。从图7可以看出，在夏季混凝土基床沿线路方向，以分割的混凝土基床为单元，形成连续的上拱线性，但因基床在暖季施工，所以变形量较小，不足以引起轨道不平顺问题。从图8可以看出，在冬季同样以分割的混凝土基床为单元，形成连续的两端翘曲中部下沉的抛物线形，由于大体积混凝土的温度变形问题，导致波峰与波谷间存在2 mm左右甚至更大的位移差，对轨道平顺性有一定的影响。

图7 夏季6月5日竖向位移场

图8 冬季11月5日竖向位移场

3.1 10，20 m长混凝土基床典型形态分析

混凝土基床长度是影响其在温度应力下变形的重要参数之一，图9～图11为10 m长和20 m长混凝土基床随时间变化的基床中心、边缘以及两者之差的时程曲线。从图9可以看出，基床中心在1月份和12月份竖向变形最大，偏离原基准位置分别接近-2.0 mm和-4.0 mm，夏季发生向上拱胀，分别达到0.5 mm和2.0 mm左右；从图10可以看出，基床边缘在冬季两端翘曲，冬季翘曲量分别为0.5 mm和0.75 mm，夏季竖向变形较小，均在0.25 mm以内；从图11可以看出，基床中心与边缘竖向变形差在冬季时达到最大，10，20 m长变形差分别为2.5 mm和4.8 mm，在夏季变形差可达1.0 mm和2.2 mm，在春秋两季4，5月份以及9，10月份变形差最小。混凝土基床长度越长则变形差越大，缩小混凝土基床长度能够减少其变形幅度。

图9 基床中心竖向位移时程曲线对比

图10 基床边缘竖向位移时程曲线对比

图11 基床中心点与边缘竖向位移之差时程曲线对比

3.2 不同温度荷载对基床竖向变形的影响

混凝土基床的环境温度是影响其变形的另一个重要参数，图12～图14为10 m长混凝土基床在大庆和沈阳温度环境下随时间变化的基床中心、边缘以及两者之差的时程曲线。从图12可以看出，与大庆对比，沈阳气温环境下混凝土基床中心1月份和12月份变形量较小，均在0.5 mm以内，夏季上拱量在0.2 mm以内；从图13可以看出，在沈阳气温环境下，基床边缘竖向位移冬季翘曲量也较小，均在0.2 mm以内；在沈阳气温环境下，基床中心与边缘竖向变形差也均在0.5 mm以内，对高铁线路平顺性影响较小。对比可知，气温环境对混凝土基床的变形影响极大，10 m长混凝土基床在沈阳气温环境下变形差仅在0.5 mm以内。

图12 基床中心竖向位移时程曲线对比

图13 基床边缘竖向位移时程曲线对比

图14 基床中心点与边缘竖向位移之差时程曲线对比

4 结论

通过数值模拟获取了季节性冻土区混凝土基床结构随温度变化规律，并对混凝土基床长度、混凝土基床所处环境气温对其变形特性的影响进行了分析，得出以下结论。

(1)在季节性冻土区环境下，由于其大体积混凝土结构的温度梯度影响，造成了混凝土基床结构冬季两端翘曲中部凹陷，夏季两端下沉中部凸起的现象。

(2)混凝土基床长度是影响其在温度应力下变形的重要参数之一，10 m和20 m长混凝土基床中心与边缘竖向变形差可达2.5 mm和4.8 mm，混凝土基床长度越长则变形差越大，缩小混凝土基床长度能够减少其变形幅度。

(3)环境温度对混凝土基床变形影响较大，在沈阳气温环境下，10 m长混凝土基床在沈阳气温环境下变形差仅在0.5 mm以内，对高铁平顺性影响较小。

混凝土基床是一种新型的高速铁路路基防冻胀结构，对其的适用性研究尚属起步阶段，今后应进一步加大混凝土基床对轨道结构的平顺性影响的研究。