XPS保温板在高速铁路路基结构防冻胀措施中的应用

王功博 钱国玉 王 永

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

严寒地区高速铁路季节性冻土问题是世界性难题[1]。如何有效防止路基冻胀，保持季节性冻土路基的稳定性，对维持冻土区线路平顺性以及乘客舒适度具有十分重要的意义。目前，铁路路基防冻胀措施主要有：基床范围内换填非冻胀性填料(控制填料细颗粒含量)、路基防排水(减小基床填料含水量)、设置保温材料(减小有害冻深)等。国内外学者针对季节性冻土路基冻胀机理及冻胀过程中的工程特性进行了很多研究[14]。王曼等采用量纲分析的方法，得出了路基防冻胀设计中XPS保温板的合理厚度[2-3]。辛强对XPS保温板在冻土地区的应用效果及施工工艺进行了分析[4]。黄新文对高速铁路防冻胀措施进行了研究[5-7]。 蔡德钩、余雷等对哈大高速铁路无砟轨道冻胀规律进行总结，并对冻胀土判断标准及设计冻深的应用进行总结归纳[8-13]。此外，GANDAHLR结合含水量分布规律及冻胀特性研究，提出了寒冷地区客运专线路基防冻胀变形观测方法[14]。

以上研究多针对寒区高速铁路路基冻胀特性、冻胀机理及观测方法等，未对高速铁路保温板的防冻胀效果以及基床含水量分布规律进行系统的研究。

1 概述

1.1 工程概况

新建张呼客运专线途经内蒙古自治区及河北省，线路全长286.803 km。设计速度为250 km/h，采用有砟轨道形式。试验工点位于兴和县境内，地势起伏不大，大部分地表被植被覆盖，地质构造不发育。该工点为路堑，基床表层填筑级配碎石，厚0.7 m；其下填筑厚1.0～2.3 m非冻胀性A、B组填料。为测试保温板防冻胀措施对路基冻深及温度场的影响，选取一段路基铺设XPS保温板材料，对其相关性能进行研究。

1.2 XPS保温板性能

XPS(聚苯乙烯挤塑板)保温板具有极低的吸水性(几乎不吸水)、低热导系数、高抗压性、高抗老化性(正常使用几乎无老化分解现象)等优异特性，是一种理想的高速铁路路基冻害防治材料。

图1 XPS保温板现场铺设

1.3 气象特征

全线属中温带气候，该工点年平均气温为5.5 ℃，最冷月平均气温为-13.5 ℃，极端最低气温为-33.8 ℃，年平均降水量为352.6 mm，主要集中于7～9月；平均相对湿度55%，土壤最大冻结深度为191 cm。每年从10月底开始冻结，次年4～5月全部融化，历时长达5～6个月。

1.4 试验段设计情况

选择DK115+373～DK115+603作为试验段，分别换填厚1.0 m、1.8 m、2.3 m的非冻胀性A，B组填料(见图2)，然后按设计要求填筑压实，分别布设地温计及含水量计，测试路基断面温度场、含水量及水分迁移规律。在路肩两侧分别布置冻胀计，用来对比研究各防冻胀措施的效果。

图2 试验段落防冻胀措施设计

2 试验结果分析

2.1 10 cm厚保温板防冻胀效果分析

试验段采用两种路基形式。DK115+373～DK115+453段：在基床表层铺设厚10 cm的 XPS保温板；DK115+453～DK115+603段：采用常规基床结构形式(未铺设保温板)。

由图3可知，DK115+428断面位于保温板区段，其最大冻结深度为0.75 m；DK115+478断面位于未铺设保温板区段，冻结深度为0.98 m。两个断面的最大冻深均出现在2月10日至2月25日之间，铺设保温板的冻结深度较未铺设保温板的冻结深度小0.23 m，说明保温板具有减小路基最大冻深的作用。

图3 保温板防冻胀措施效果比较

路基线路中心的冻胀规律为单向冻结，即随着大气温度的降低，填料的冻结线(零度线)由基床表层向基床底层移动；路基两侧路肩的冻胀规律为双向冻结。由图4可知，路基两侧的最大冻结深度较线路中心大。在路基不同位置铺设保温板都会降低路基最大冻结深度，减少量为0.21～0.42 m，平均值为0.33 m。

图4 保温板防冻胀措施对冻深影响

图5为设置保温板断面地温与气温的关系曲线，由图5可见，10 cm厚保温板上部(0.3 m处)温度随外界气温变化明显，在2017年12月中旬，保温板上部温度降至0 ℃以下，至2018年1月下旬外界气温达到最低值(-27 ℃)时，10 cm厚保温板上部温度降至-3.2 ℃，而保温板下部(0.5 m处)温度在2月中旬才达到最低值(-1.7 ℃)。至3月下旬，随外界气温逐渐回升，保温板上部温度迅速升高，而由于隔热保温效果，保温板下部温度升高速率较缓。保温板的上下部分在同一时期存在较明显的温度差，且随气温的变化规律也不相同。

图5 DK115+428设保温板断面地温与气温关系

图6为未设置保温板断面地温与气温的关系曲线，由图6可见，在距基床表层顶部0.3 m处，温度随外界气温变化明显，在2017年12月中旬，深0.3 m处温度降至0 ℃以下，至2018年1月下旬外界气温达到最低值(-27 ℃)，0.3 m处温度降至-3.6 ℃，0.5 m处温度在2月中旬才达到最低(-4.6 ℃)。至3月下旬，随外界气温逐渐回升，上下部温度变化规律趋于相同。从整体变化来看，无保温板设置时，上部(0.3 m处)与下部(0.5 m处)的地温值及变化规律基本一致。

图6 DK115+478未设保温板断面地温与气温关系

图7为铺设10 cm厚保温板与未铺设保温板下部温度及二者之间的差值变化情况，2017 年11月中旬开始，外界气温持续下降，保温板下部温度均逐渐降低，但在 12 月初之前，二者温度差值明显增大，说明在此阶段，未铺设保温板下部区域降温速率更快；而在12月初至2月初温度达到最低值的阶段，二者温差基本保持在 3℃左右，说明在此阶段设置保温板对控制最低温度有一定作用，而后随气温逐渐升高，保温板下部温度逐渐上升且二者之间差值逐渐减小。通过相同位置的温度变化可知，铺设保温板可有效阻止热量在路基垂直方向的传递。

图7 保温板上下温差与冻深关系

2.2 含水量监测

图8～图10为不同防排水效果下不同深度含水量的变化监测结果。分别为铺设保温板、铺设排水板以及未设防排水措施三种情况。图8～图10可知，基床底层含水量较基床表层大，且随着深度的增加而逐渐增大，基本呈线性趋势。同一断面的不同位置(左路肩、线路中心、右路肩)含水量分布相差不大。

图8 铺设保温板不同深度含水量变化

图9 铺设排水板不同深度含水量变化

图10 未设保温板及排水板路基不同深度含水量变化

图11为不同防排水效果下不同深度含水量变化监测结果。从图11中可以看出，含水量分布随着深度的增加而逐渐增大，呈线性趋势。由于该工点为路堑，地层为泥岩，透水性差，且该段未设置盲沟，使得基床底层水未能及时排除，导致排水板的隔排水效果不明显。

图11 不同排水措施不同深度含水量变化

图12为路基最大冻深范围内含水量与路基冻胀量之间的关系，从图12中可以看出，随着气温的降低，基床范围内自由水逐渐变成冰，路基开始发生冻胀。当路基冻胀量达到最大时，基床范围内的含水量也基本趋于稳定。2018年3月下旬后，随着气温的回升，基床范围内冰开始融解，基床含水量逐渐增大，而冻胀量随之减小。

图12 不同排水措施不同深度含水量变化

3 结论

(1)路基同一断面不同位置(左路肩、左线中心、线路中心、右线中心、右路肩)的最大冻结深度有所不同，由于左、右路肩与空气的接触面较大。故两侧路肩冻结深度较路基中心大，此外，冻结深度也受阳坡、阴坡影响。

(2)路基断面含水量随着深度的增加而逐渐增大，呈线性趋势。

(3)在路基铺设保温板可降低路基最大冻结深度，说明保温板可有效阻止热量在路基垂直方向上的传导。

(4)路基基床表层铺设保温板可有效降低路基的最大冻结深度，从而减少路基冻胀。同时，在保温板上铺设毛细排水板可防止基床表层水渗透至基床底层。