高速铁路路基防冻胀结构设计方法的研究

2013-09-05胡相钰李廷刚程爱君

铁道建筑 2013年4期

关键词：细粒铁道高速铁路

祁辉，胡相钰，李廷刚，程爱君

(1．哈尔滨地铁集团有限公司，黑龙江哈尔滨 150080;2．南昌轨道交通集团有限公司，江西南昌 330000;

3．交通运输部公路科学研究院，北京 100088;4．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

高速铁路路基防冻胀结构设计方法的研究

祁辉1，胡相钰2，李廷刚3，程爱君4

(1．哈尔滨地铁集团有限公司，黑龙江哈尔滨 150080;2．南昌轨道交通集团有限公司，江西南昌 330000;

3．交通运输部公路科学研究院，北京 100088;4．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

冻害是我国北方地区路基常见的病害之一，尤其对于高速铁路，微小冻胀变形将对列车运行的安全性、稳定性带来影响。本文对路基防冻胀结构设计进行了初步探讨，首先论述了路基冻胀机理及影响路基冻胀的主要因素，包括土质、温度、含水量等，在此基础上提出了路基防冻胀结构设计需要考虑冻结指数、土性参数、设计冻深等因素;其次提出了路基防冻胀结构设计方法及设计流程，提出了高速铁路路基冻深计算方法;最后根据该方法进行了路基防冻胀结构设计，并利用有限元仿真计算及现场实测对该路基防冻胀结构设计的合理性进行了验证，实测数据及仿真计算结果验证了该防冻胀结构设计的合理性及该设计方法的有效性。

冻土路基冻胀变形防冻胀结构设计

随着国民经济的快速发展，我国已经修建了大量高速铁路或客运专线，初步形成了以哈大、京广、京沪、郑西为干线的高速铁路网。高速铁路对铁路路基变形控制要求越来越严格，其中无砟轨道要求路基变形控制在15 mm以内。我国是一个冻土大国，全国冻结深度＞0.5 m的冻土区占全国总面积的68.6%，其中季节性冻土占全国面积的46.0%，尤其是我国的东北、西北、华北地区，由于受当地气候、水文、地形地貌以及地质条件的影响，使得许多既有线路基变形十分严重。目前，我国已在东北地区修建了哈大客运专线，在不久的将来还将修建大量的高速铁路、客运专线及城际铁路，为了控制铁路路基的冻胀变形，有必要开展高速铁路路基防冻胀结构设计方法的研究，这对于我国寒区高速铁路建设、指导工程实际及保证工程质量具有十分重要的意义。

1 防冻胀结构设计参数选择

路基是由散体状矿物颗粒、水和气体组成的三相体系，除承受静力荷载和列车振动荷载外，还受自然界各种恶劣气候环境影响，尤其在低温作用下，土体中水分会发生冻结，并发生体积膨胀，当土体中已冻和未冻水总体的增量超过了该土体原来无孔隙水的孔隙体积时，土体就会发生冻胀。

土体的冻胀分为原位冻胀与分凝冻胀:孔隙水原位冻结，引起体积增大9%，但由外界水分补给并在土中迁移到某个位置冻结，则体积将增大1.09倍。分凝冻胀的机理包括两个物理过程:土中水分迁移和成冰作用。因为原位水分冻结引起的冻胀量十分微小，从工程角度可以忽略，所以土体冻胀主要指水分迁移引起的分凝冻胀。

总体来说，土体冻胀必须具备以下条件:具有冻胀敏感性的土;初始水分及外界水分(地下水，大气降水，人为活动引起的水源)的供给;适宜的冻结条件和时间。因此，提出以下参数作为防冻胀结构设计参数:①冻结指数指冻结期间每天负温平均值的累计数;②土性参数包括压实系数、细粒含量、细粒填充率、比表面积等;③设计冻深;④路基含水量。

2 防冻胀结构设计及现场验证

2.1 防冻胀设计

①收集气象资料和工程地质等资料;②填料选择;③设计冻深计算;④设计冻深如＜0.8 m，则选择填筑细粒含量＜5%的粗粒土，如冻深＞0.8 m需进行特殊设计。

防冻胀设计流程图如图1所示。

2.2 填料选择

影响填料冻胀性的土性参数包括细粒含量、细粒填充率、渗透系数、比表面积等，其中细粒含量(粒径＜0.075 mm)是影响土体冻胀的主要因素，图2为填料冻胀特性与细粒含量关系曲线。

图1 寒区客运专线铁路路基防冻胀设计流程

图2 细粒含量与冻胀关系

填料选择步骤如下:①颗分试验，确定填料内细颗粒含量;②渗透试验，确定土的渗透系数;室内试验结果表明，当渗透系数＞1×10－3时，属于弱冻胀性土;③进行击实、比重试验，计算土体的细颗粒含量体积填充率，根据体积填充率进一步验证填料的冻胀性;④根据以上结果，选择合适填料;⑤根据选择填料性质及外界环境，计算路基冻深;⑥对于细粒含量＞3%的填料进行室内冻胀试验，根据试验结果计算路基冻胀变形，满足要求，使用该填料，不满足要求，更换填料或采取防排水措施或保温措施。

2.3 设计冻深计算

冻深一般是指标准冻深，即为在观测场无植被无雪盖的裸露地面上测得的多年平均冻深值。但由于铁路路基填料类型、结构等与地基有较大差异(一般来说，路基结构冻深比标准冻深大)，采用标准冻深推算路基防冻胀设计深度是不合适的，需要计算出实际冻深用于路基的设计。冻深的计算方法目前采用的主要有三种。

1)经验公式法:利用标准冻深乘以相应的修正系数，我国的公路、水利和建工均采用这种方法。

2)Berggren法计算冻深:采用该方法的国家包括德国和法国。

3)改进的Berggren法:此方法可用于多层结构路基的设计

该法求冻结深度中考虑了地基的热力特性、气象条件以及地基条件的影响。式(1)还适用于多层土组成的地基情况。这样，无论对由特性各异的土层构成的地基，还是铺有隔热层的情况，均可求其冻结深度。

2.4 防冻胀结构设计方法的有限元计算

根据以上方法，设计了如下路基结构:路基面宽15 m，坡率1∶1.5，计算范围坡角向外延伸3 m，基床表层包括路肩沥青混凝土、其下为细粒含量＜5%的级配碎石路基(表层为级配碎石，底层为细粒含量＜5%的A、B类土)，并采用有线元数值模拟及现场测试方法对结构进行了验证。

2.4.1 有限元数值模拟

建立土的温度场、水分场及位移变形耦合模型，计算路基在温度变化情况下路基土体内部的温度场、水分场及位移变化，如图3所示。分别计算了降温10 d，50 d，100 d，190 d后，路基体内温度场、水分场及变形场的变化，图4～图6分别为路基温度场、水分场及变形场变化云图。表1为路基冻结锋面及不同位置冻胀量的变化。

图3 路基模型网格划分

图5为路基中水分场变化情况，可以看出随着温度场的变化，冻结锋面以下1.5 m范围内的水分发生少量的迁移。图6为路基中竖向位移场的变化情况，可以看出路基的最大竖向位移主要发生在路肩的位置，而路基中心位置的冻胀并不是最大的。从表1中可以看出，仿真190 d后，温度回升时，路肩上的冻胀量达到了4.0 mm，而路基中心处的冻胀量为3.5 mm，略小于路肩上的冻胀量。