银西高铁甘宁段水泥改良黄土路基冻胀规律及冻胀防治效果评价

江 涛

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

引言

高速铁路在季节冻土区，温度正负交替变化，工程和水文地质条件复杂，由此引发的路基冻胀问题严重影响着高铁建设和安全运营[1]。路基季节性冻胀、融沉带来的不均匀变形会引起轨面不平顺，直接影响列车行驶的舒适度和设计速度目标值的实现[2]，引起轨道不平顺，对高速列车的安全行车不利，其养护维修非常困难。如果冻胀量超过无砟轨道扣件的调低量4 mm，就无法通过调低扣件使钢轨复位[3]，可见，冻胀量超过4 mm之后，对无砟轨道而言就属于有害冻胀[4]。对于寒区有砟轨道客运专线，不同程度的冻胀变形造成列车运行晃动加剧，工务部门整修工作大幅增加[5]。因此，抑制冻胀变形为季节冻土区高铁路基设计的一项重点工作。

银西高铁是《中长期铁路网规划》(2016年版)中“八纵八横”高速铁路主通道之一“包(银)海通道”的重要组成部分。银西高铁甘宁段，线路全长377.78 km，其中，路基段长171.92 km。甘肃和宁夏境内属于中温带亚湿润气候区，昼夜温差大，四季分明。年平均气温8.5～10.5 ℃，年平均降水量178.6～564 mm，年最大降水量848.9 mm，降水量自南向北递减。极端最低气温-25.8 ℃，线路经过区域最大冻结深度从低纬度的34 cm增大到高纬度的109 cm。

路基冻害一直困扰着铁路运营和维护工作[6]，土体的冻胀融化过程实际上是土的水分迁移及液态-固态-液态的三相转化过程[7]。研究表明，负温、水分和土性是冻胀发生的三要素，其中，温度是外因，水分是内因，土质是条件[8-10]。冻胀不仅是土的本身特性，更是土与环境共同作用的结果，除此之外，路基填料中细粒含量较高时，粗颗粒土仍会产生显著冻胀[11]，可见，细颗粒含量能增加冻胀的敏感性[12-15]。

关于黄土的水泥改良土冻胀特性研究，改良土的单轴抗压强度随着冻融循环次数的增加而呈现不同程度的降低，而抗冻性能随着养护龄期的增长有不同程度的提高[16-17]。水泥的加入使得改性土以镶嵌状结构出现，土粒之间通过针状晶体和胶结物连接起来，这种加固作用使得改性土在经历了反复冻融循环之后结构依然稳定，也就具有了较高的强度和较低的渗透性[18]。

高速铁路列车运行速度快，安全性、平稳性、舒适性要求高，路基填料及基础的冻胀变形会影响轨道的平顺性及运营安全。通过全面、准确的冻胀变形监测，掌握路基冻胀的具体变化情况，可为采取合理的防冻胀加强措施及运营维护提供参考依据。

甘肃、宁夏地区均属于寒冷地区，依据Q/CR9230—2016《铁路工程沉降变形观测与评估技术规程》[19]，路基地段应进行冻胀变形监测，目前普遍采用人工监测、自动监测以及轨道动态监测等方式进行联合监测的方法[20-24]。银西高铁甘宁段冻胀监测处于施工期，冻胀变形监测分为人工监测和自动监测，通过冻胀人工监测可掌握全线冻胀分布情况，通过冻胀自动监测可获得路基冻胀的时空规律，通过人工监测和自动监测手段相结合，为冻胀整治处理对策提供科学依据并对路基冻胀防治效果进行评价。

1 工程背景

银西高铁按速度250 km/h标准设计，基床表层厚度无砟轨道段落为0.4 m、有砟轨道段落为0.7 m，填料为级配碎石，无砟轨道和寒冷地区有砟轨道填筑压实后的渗透系数应大于5×10-5m/s。基床底层厚度为2.3 m，里程DK170+118～DK490+300段采用6%水泥改良黄土；DK490+300～DK564+500段采用A、B组填料，冻结深度影响范围填料的细颗粒含量小于5%，且填筑压实后的渗透系数大于5×10-5m/s。基床以下里程DK170+118～DK490+300段采用4%水泥改良黄土，DK490+300～DK564+500段采用A、B组填料和C组碎石、砾石类填料。

银西高铁甘宁段完成了3年冻胀监测，分别为2017年～2018年、2018年～2019年、2019年～2020年，包含人工监测和自动监测，路基冻胀监测范围为里程DK170+118～DK564+500，涵盖甘宁段挖方、高填、半填半挖、低填方以及浅挖低填地段。

2 冻胀监测方案

2.1 人工监测

路基冻胀变形人工监测断面布置根据地质、水文条件、不同冻结深度及路基结构形式等。冻胀变形监测断面间距不宜大于200 m，地下水发育的路堑地段应适当加密。每个连续路堤冻胀监测区段不应少于2个观测断面；每个连续路堑冻胀监测区段不应少于3个观测断面。

人工冻胀变形监测，每处断面设置3个沉降观测桩，布置于双线路基中心及左右两侧路肩0.9 m处，人工监测典型断面如图1、图2所示。

图1 路堤地段人工监测典型断面

图2 路堑地段人工监测典型断面

2.2 自动监测

冻胀自动监测断面除对典型路基结构形式进行观测，还重点关注地下水发育地段，包括地下水位较高的路堑地段、浸水路堤等，冻胀严重地段应适当加密监测，部分自动监测断面与人工监测断面位置接近以相互验证。冻胀自动监测内容包括基床分层冻胀、冻深和水分等方面。

自动监测点位于路肩砟脚部位，冻胀量采用分层位移传感器进行监测，分别监测基床表层及其以下冻层冻胀变形。如冻深较大，超过1.5 m时，应在深层增设位移传感器；冻深采用温度传感器进行监测，含水率通过水分传感器监测。每个断面布设2个分层位移传感器，对应布设深度为0.7，2 m；布设2个温度传感器，布设深度分别为0.7，2 m；布设3个水分传感器，布设深度分别为0.3，0.9，1.3 m。自动监测典型断面如图3所示。

图3 自动监测典型断面

由于2017年～2018年甘宁段大部分路基本体正在施工，不具备冻胀监测条件，经过现场调研，仅布设2个典型断面；2018年～2019年自动监测断面增设至22个；受现场施工、点位破坏等因素影响，2019年～2020年实测断面为18个，自动监测系统现场布置如图4所示。

图4 自动监测系统现场布置

3 人工监测分析研究

3.1 路基冻胀总体性分析3.1.1 总体评价

2017年～2018年，于2017年11月，2018年1月、3月分别进行了3期监测；2018年～2019年，于2018年10月、11～12月，2019年1～2月、4月分别进行了4期监测；2019年～2020年，于2019年11月，2020年1月、2～3月和4月分别进行了4期监测。

将各期观测的高程差视为这一时间段内路基发生的变形量(1～2期差为第二期观测高程-第一期观测高程，以下同)，正值为冻胀量，负值为回落量。表1为连续3年路基冻胀监测不同量段分布(冻胀高峰)，该冻胀高峰是指某个观测断面在1个冻胀监测年度中观测到的最大冻胀值(最大观测值-冻前观测值)。

表1 连续3年路基冻胀人工监测不同量段分布(冻胀高峰)

从连续3年冻胀高峰数据可以看出，冻胀变形值大于8 mm的分别为0%(2017～2018年)，2.78%(2018～2019年)和0.38%(2019～2020年)，冻胀达到高峰数值有限，且从监测年度来看，2018年～2019年冻胀高峰值相对较多，经冻胀断面排查分析，主要是路基修筑过程中排水不畅导致，随着路基本体修建完成和排水系统完善，2019年～2020年路基冻胀监测对所有路基段落均进行冻胀监测，但冻胀大于8 mm的段落仅为1个。产生冻胀的断面累计达890个，其中，冻胀量0～4 mm的占比88.99%，可见银西高铁甘宁段路基冻胀有限。

表2为连续3年路基冻胀监测不同量段分布(冻胀残留)，该冻胀残留是指在某个观测断面在1个冻胀监测年度结束后冻胀残留值(末期观测值-冻前观测值)。可以看出，经过融化压缩期，冻胀残留值0～4 mm占93.71%，说明路基经过冻融循环后，残余冻胀量较小。冻胀量对比出现负值，初步分析是由于路基本体及地基沉降尚未完全稳定，沉降值大于冻胀值，沉降仍处于变形期。

表2 连续3年路基冻胀人工监测不同量段分布(冻胀残留)

3.1.2 不同路基结构冻胀分析

为进一步分析不同路基结构形式下冻胀发生的规律，对2019年～2020年路基冻胀监测段落全覆盖获得的冻胀高峰数据，按照挖方、高填、半填半挖、低填、浅挖低填5种路基结构形式进行分类统计，如表3所示。

表3 不同路基结构冻胀人工监测分布(冻胀高峰)

从冻胀量分布来看，当冻胀量<4 mm时，挖方所占比例为60.55%，高填为20.68%，半填半挖为9.81%，低填为7.46%，浅挖低填为1.49%，排序为挖方>高填>半填半挖>低填>浅挖低填；当冻胀量为4～8 mm时，挖方所占比例为67.65%，高填为23.53%，半填半挖为5.88%，低填为2.94%，无浅挖低填，排序为挖方>高填>半填半挖>低填>浅挖低填；当冻胀量>8 mm时，全部分布在高填段落。以上说明，路基冻胀同路基结构存在一定关系，冻胀主要发生在挖方段落，这说明挖方段落更易积水，积水受冻结后产生一定程度的冻胀，随着气温的降低，水分子不断向冻结区迁移和聚集，进一步加剧了冻胀的发生。

从冻胀残留值来看，经过1个冻融循环期后，冻胀残留值主要分布在±4 mm内，其占比达到了95.31%，路基冻胀基本恢复到冻结前的水平。从不同路基结构所占比例来看，冻胀残留值>4 mm时，挖方为80%，占比最高，这与冻胀高峰所揭示的规律相似，不同路基结构人工监测冻胀残留值分布表如表4所示。

表4 不同路基结构冻胀人工监测分布(冻胀残留)

3.2 水泥改良黄土冻胀分析

银西高铁甘宁段里程DK170+118～DK490+300基床底层及以下采用水泥改良黄土填筑(基床底层6%水泥改良黄土，基床以下4%水泥改良黄土)，水泥改良黄土填筑段落里程长，其冻胀规律尚不清楚，且目前高铁改良土路基冻胀数据缺乏数据研究，为确保银西铁路甘宁段顺利建设和安全运营，有必要针对水泥改良黄土加强冻胀观测，以便及时发现和规避风险，并将水泥改良黄土冻胀对工程的可能影响降至最低点。

本次研究选取银西高铁正线水泥改良黄土填筑段落5个冻胀观测断面，分别代表深挖、高填、半填半挖、低填、浅挖5类典型工况，同时低填和浅挖断面地下水位较高，其地下水对改良黄土冻胀的影响更具有一定代表意义，其冻胀观测代表性断面如图5所示。

在冻胀观测断面分层设置冻胀观测标识，分别在左路肩、路基中心、右路肩位置，并在其0.7 m(基床表层底)、2.2 m或3 m(基床底层底)，8.4 m(基床以下底部)深度埋设，如表5所示。

对以上5个典型路基断面，通过2018年～2019年、2019年～2020年连续两年的水泥改良黄土冻胀观测，其观测数据如表6所示。

表6 水泥改良黄土冻胀分层观测成果

表6观测数据为同一断面同一位置，基床底层(6%水泥改良黄土)或基床以下(4%水泥改良黄土)该层的冻胀值，平均冻胀量0.15 mm，冻胀值较小，说明路基冻胀主要发生在基床表层级配碎石。基床底层和基床以下的水泥改良黄土填料冻胀值很小，未观测到明显冻胀，这是由于黄土经水泥改良后，改良土本身较好的隔水性有效避免了细粒土遇水冻胀，这对今后寒区高铁使用水泥改良黄土填料具有借鉴意义，但由于寒区水泥改良黄土应用有限和观测数量较少，建议对不同水泥掺入比、不同含水率的水泥改良黄土冻胀性能进一步进行深入研究。

4 自动监测分析研究

4.1 路基冻胀总体性分析4.1.1 总体评价

通过2018年～2019年和2019年～2020年连续两年监测断面样本值统计分析，冻胀量主要分布在0～2 mm，其比例在90%以上，大于2 mm的冻胀值发生很少，最大值为20.89 mm，里程为DK302+747，表7为银西高铁甘宁段自动监测断面冻胀统计。

表7 自动监测断面冻胀统计

从表7可以看出，银西高铁甘宁段自动监测在对典型路基结构形式、地下水发育地段等部分重点监测的背景下，除较少断面受汇水影响冻胀值较大外，冻胀值总体维持在较小范围内，揭示了防冻胀设计达到了预期目的，路基冻胀基本处于可控状态。

4.1.2 不同路基结构冻胀分析

冻胀自动监测断面对挖方、高填、半填半挖、低填4种典型路基结构形式进行观测，表8为不同路基结构自动监测冻胀峰值统计。

表8 不同路基结构冻胀自动监测分布(冻胀峰值)

从表8可以看出，当冻胀量<4 mm时，2018年～2019年挖方所占比例为38.09%，高填为23.81%，半填半挖为4.76%，低填为33.34%，排序为挖方>低填>高填>半填半挖；2019年～2020年挖方所占比例为33.33%，高填为16.66%，半填半挖为5.56%，低填为44.45%，排序为低填>挖方>高填>半填半挖；当冻胀量为4～8 mm时，连续2年4种断面形式都没有分布；当冻胀量>8 mm时，分布在挖方段落。以上再次说明，路基冻胀同路基结构存在一定的关系，冻胀主要发生在挖方和低填段落，这与人工监测数据分析结果相似，设计时需做好路堑和低路堤段落的防冻胀设计，其中地下水发育地段更需重点关注，同时做好排水设计和施工。

从2个冻融循环期的冻胀残留值来看，冻胀残留值主要分布在±4 mm内，其占比达到100%，路基冻胀恢复到冻结前的水平。从不同路基结构所占比例来看，挖方和低填占比较高，这与冻胀高峰所揭示的规律相似。不同路基结构自动监测冻胀残留值分布如表9所示。

表9 路基结构冻胀自动监测分布(冻胀残留)

4.1.3 基床分层冻胀分析

通过2018年～2019年和2019年～2020年连续2年对各个自动监测断面2个分层位移传感器获得的冻胀量和占比，如表10、表11分析可知，基床表层冻胀量占总冻胀量的平均占比达75.6%，说明表层冻胀明显，需重点做好基床表层的防冻胀设计。

表10 基床各层冻胀量及占比(2018年～2019年)

表11 基床各层冻胀量及占比(2019年～2020年)

4.2 水泥改良黄土冻胀分析4.2.1 冻结深度分析

以里程DK435+565断面为例，2018年11月下旬，路基本体出现负温，冻深处于初期滞留期，持续时间约1周，12月5日冻深发展加快，至2019年1月24日，冻深达最大值1.13 m，此后随着气温升高，冻深逐渐回落，3月5日回落为零，该断面冻深变化时程曲线如图6所示。

图6 DK435+565冻深变化时程曲线

从DK435+565冻深变化时程曲线可以看出，冻结和解冻主要受当地气温影响，2018年～2019年该断面冻结时间约105 d，最大冻结深度未能超过路基基床深度，说明路基填料对冻胀的发生起到重要作用。

图7、图8分别为2018年～2019年和2019年～2020年连续2年的最大冻深分析曲线，2018年～2019年91%的断面最大冻深大于0.7 m，冻深峰值为1.47 m；2019年～2020年仅有17%的断面最大冻深大于0.7 m，冻深峰值为0.83 m，由此初步判断2018年～2019年相对更加寒冷。

图7 2018年～2019年最大冻深分析

图8 2019年～2020年最大冻深分析

从连续2年的观测来看，随着银西高铁甘宁段里程的增加，最大冻深值与纬度的关联特点不显著，没有完全呈现最大冻深值随纬度增加而增加的特点。

4.2.2 冻胀变形时程分析

通过2018年～2019年和2019年～2020年连续2年对里程DK347+010两个分层位移传感器(深度0.7 m和2.0 m处)获得的冻胀变形时程曲线分析可知，每年11月底至12月初，路基本体出现冻胀；12月中下旬，随着气温的进一步降低冻胀快速增大；至1月中旬，冻深进入高峰平台期，持续时间2个月，在此期间出现冻胀高峰，此后随着气温升高，3月开始解冻，冻胀值快速回落，至4月回落到冻胀前水平，该断面连续2年的冻胀变形时程曲线分别如图9、图10所示。

图9 DK347+010冻胀变形时程曲线(2018年～2019年)

图10 DK347+010冻胀变形时程曲线(2019年～2020年)

4.2.3 温度与冻胀关系分析

通过2018年～2019年和2019年～2020年连续2年对DK347+010两个分层位移传感器(深度0.7 m和2.0 m处)和两个分层温度传感器(深度0.7 m和2.0 m处)获得的冻胀量与温度对比曲线分析可知，每年入冬，气温逐渐降低，11月底至12月初，路基本体出现负温，此阶段路基发生冻胀，12月底气温加速降低，冻胀同时也加速发展，然后气温逐渐缓慢回升，随着3月初路基本体温度由负转正，路基冻胀值下降较快，至4月回落到冻胀前水平。该断面连续2年的冻胀量与温度对比曲线分别如图11、图12所示。

图11 DK347+010冻胀量与温度对比曲线(2018年～2019年)

图12 DK347+010冻胀量与温度对比曲线(2019年～2020年)

4.2.4 含水率与冻胀关系分析

通过2018年～2019年和2019年～2020年连续2年对DK347+010两个分层位移传感器(深度0.7 m和2.0 m处)和两个分层水分传感器(深度0.3 m和0.9 m处)获得的冻胀量与含水率对比曲线分析可知，0.3 m处含水率波动较大，在5%～35%幅值内变化，0.9 m处含水率相对稳定。这是由于基床表层受外部温度影响最大，同时采用级配碎石填筑，最先发生冻胀，而基床深度处受外部温度影响有限，同时由于采用水泥改良黄土填筑，其含水率变化很小。该断面连续2年的冻胀量与含水率对比曲线如图13、图14所示。

图13 DK347+010冻胀量与含水率对比曲线(2018年～2019年)

图14 DK347+010冻胀量与含水率对比曲线(2019年～2020年)

随着12月底和1月初冻胀的快速发展，0.3 m处含水率也快速下降，0.9 m处含水率缓慢下降，在其后的两个多月内，随着冻胀处于高峰平台期，含水率也变化较小，2月底随着路基本体的解冻，0.3 m处含水率快速回升，0.9 m处含水率缓慢回升。这说明随着气温的降低，基床表层赋存的部分液态水转化为冻结水，含水率下降的同时发生冻胀，次年2月底随着气温的回升，基床表层冻结水重新恢复为液态水，冻胀值减小。由此可以得出，基床表层级配碎石最易发生冻胀现象，这与级配碎石本身粗颗粒保水性差，同时受外界降雨、汇水、蒸发影响大有直接关系，由于基床底层及以下水泥改良黄土填料冻胀值较小，路基冻胀主要发生在基床表层，需重点做好基床表层级配碎石的防冻胀设计。

两次冻融循环周期后，0.9 m处含水率比初始值略有增加，这说明土体深部和周围介质中的水分，受到冻结透镜体影响，发生了水分向冻结区域迁移现象，加剧了冻胀发生。

5 冻胀防治效果评价

银西高铁甘宁段在设计之初就高度重视路基防冻胀综合体系的建立，采用设置封闭层、隔断层、填料防冻、完善排水的一整套防冻胀工程措施。路基防冻胀设计坚持以填料防冻胀为主、多种措施相配合的综合防冻胀思路，基床表层应选用透水性好、细颗粒少的级配碎石；路堑和低路堤基床表层和换填底部应设置隔水层，防止水分在路基本体上下迁移；同时需完善排水系统，防止积水和汇水产生冻胀。针对保温、防水、土的联动治理，从冻胀监测数据来看，银西高铁甘宁段路基防冻胀取得了较好的效果。

2018年～2019年排查出的11个冻胀断面，经过分析研究，其冻胀原因主要是现场汇水或排水不畅，经过现场逐断面对路基排水沟和侧沟、护肩及电缆槽泄水孔等路基排水设施进行检查并确保排水顺畅。2019年～2020年复查时，11个断面的冻胀值均小于8 mm，说明监测数据较为准确，这为路基铺轨和2020年底银西高铁全线按计划开通运营提供了重要保障。

由于银西高铁甘宁段路基基床底层及以下大范围采用水泥改良黄土，因此，冻胀监测针对在建高铁项目水泥改良黄土的冻胀特性进行了分析研究，通过观测发现，基床底层和基床以下的水泥改良黄土填料冻胀值很小，未观测到明显冻胀。

6 结论

通过连续3年对银西高铁甘宁段路基冻胀进行人工监测和自动监测的分析研究，得出以下结论。

(1)从冻胀监测数据来看，冻胀主要发生在挖方和低填段落，从人工监测数据分析和自动监测数据揭示，经过冻融循环期，冻胀残留值主要分布在±4 mm内，解冻后路基恢复到冻结前水平，银西高铁甘宁段路基防冻胀设计和施工取得了预期效果。

(2)通过对水泥改良黄土的冻胀监测发现，基床底层和基床以下的水泥改良黄土填料冻胀值很小，无明显冻胀。

(3)根据冻深变化时程曲线可以看出，银西高铁甘宁段冻结和解冻主要受当地气温影响，最大冻结深度未超过路基基床深度，说明路基填料对冻胀的发生起到决定性作用，由于基床底层及以下水泥改良黄土填料冻胀值较小，路基冻胀主要发生在基床表层，需重点做好基床表层级配碎石的防冻胀设计。

(4)通过冻胀断面分析，银西高铁甘宁段冻胀原因主要是现场汇水或排水不畅，通过整治，原有路基冻胀断面不再冻胀，确保了银西高铁按时开通和安全运营。

(5)路基防冻胀设计应坚持填料防冻胀为主、多种措施相配合的综合防冻胀思路，基床表层应选用透水性好、细颗粒少的级配碎石，路堑和低路堤基床表层和换填底部应设置隔水层防止水分在路基本体上下迁移，同时需完善排水系统，防止积水和汇水产生冻胀。