结构型式对寒区高铁路基冻结特征影响试验研究

刘 华，牛富俊，牛永红，许 健

（1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055；2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000）

1 引 言

近年来，随着经济社会的不断发展，我国的高等级交通线路工程逐步向寒区延伸，公路、铁路的路基修筑及其在运营期的稳定是保障车辆安全运营的关键之一。在高纬度寒冷地区修筑线路稳定性要求极高的高铁路基，需结合高速铁路无碴轨道路基综合考虑地温发展过程及其独有的变化特征。冻土路基中温度场分布的差异直接影响路基不同部位的物理力学指标，而不同结构的路基由于同环境的热交换面方向和强度的不同而具有显著的差异。

针对寒区路基的热稳定性问题，前人开展了针对性的基础性研究工作和工程实践应用。Kettil等[1]模拟了在高速列车荷载作用下土中的水流和波动方程的耦合关系。O'Neill 和Miller[2]的研究成果提出了刚性冰的概念及证实了冻结缘的存在。Azmatch 等[3]分析了细颗粒土中冰透镜体的生成初始条件及其诱发的冻胀行为。叶阳升等[4-5]对普通铁路路基填料冻胀性进行了详细的分类讨论。朱强等[6]发现了冻胀量沿季节性冻结深度的分布，得到了具有代表性的结论。霍凯成等[7]对路基的冻胀变形机制进行了系统的研究，并提出了有效的冻害整治措施。宋晖[8]对季节性冻土地区路基稳定性进行了大量的数值模拟分析工作。盛岱超等[9-12]通过系统对土体的冻胀敏感性分类研究并开发了PCHeave 程序，提出了一个简洁的循环动载诱发冻胀模型，指出在合适条件下，冰透镜体和冻胀也会出现在粗颗粒土中。李明霞[13]通过调查秦沈客运专线102 座涵洞顶部路基的冻害情况，发现冻胀量多发生在基床表层，属早起早落型，并发现在横断面上南侧冻胀量略低于北侧，提出铺设EPS 保温板能有效减少冻害的发生。李双洋等[14-15]通过建立青藏铁路多年冻土区的路基动力响应模型，分析并预测了路基在不同季节的变形特征。张先军[16]、赵世运等[17]根据哈大高速铁路路基冻胀的测量和普查结果，总结了严寒地区无碴轨道路基冻胀的特点和基本规律。许健等[18-20]利用保温法和换填法原理对路基热稳定性进行了模拟计算，建议了合理的设计参数。

基于早期并无季节冻土区高速铁路路基的实体建设工程，同时这些研究成果多集中在理论研究和普通铁路冻土路基稳定性问题上，对于运营后寒区高铁路基的稳定性研究的成果较少。本文通过对所选取的现场试验段进行监测，对比分析不同路基结构型式对地温场的影响以及其在冻融期内的变形趋势，旨在得出不同冻深区路基的冻结特征分布以及对路基热稳定性的影响，从而评价路基稳定性状况，进一步为今后工程设计、施工和维护提供参考。

2 试验段概况

2.1 试验场地选择

为对比分析不同结构型式路基的冻结特征，课题组从南至北分别在不同的具有代表性的冻结深度区：铁岭市（毛家店断面）、四平市和扶余市（扶余断面）选取了3 组断面（见图1(a)）。其中毛家店断面和扶余断面为对比路堑与路堤结构断面，四平试验段则为分析深挖路堑结构的冻结特征（见图1(b)）。由于哈大高铁线路走向基本为西南偏南至东北偏北，且较多采用高架旱桥的形式，为减小其他因素的影响，所选取的试验断面为深挖路堑段中部断面及其临近路堑进出口处的路堤段，基本信息见表1。试验场地经过地貌单元为冲积平原，地势较为平坦。场地区域涉及地层从上至下主要为：第四系全新统人工填筑粉质黏土、中更新统冲积黏质黄土，下部基岩为白垩系下统泥岩夹砂岩。

图1 哈大客运专线沿线冻深分布及试验场地现场示意图Fig.1 The frozen depth distributions along HDPDL and the field monitoring sections

表1 哈大高铁路基监测断面基础信息Table 1 Geographical information of monitoring sections along the HDPDL

2.2 试验内容、条件、仪器布设及数据采集

为分析不同结构型式对路基热状况的影响变化，对于地温监测主要针对设置在填筑路基中路肩处的地温。同时为了对比分析冻融期路基的变形同地温的响应关系，在临近地温监测位置布设分层变形测量设备，监测路肩表面向下5 m 范围内的温度和路基填料层（包括基床表层0.1 m 厚纤维混凝土层、0.4 m 厚级配碎石、1.0 m 厚防冻层及其下1.3 m范围内各层填料）的冻融期变形量值（探头及监测、传输系统布设方式见图2）。

图2 哈大客运专线长期监测系统布设示意图Fig.2 Long-term monitoring system in HDPDL's roadbed

试验用温度探头由中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室自行研制，测温精度为0.02℃，数据采集使用CampellCR3000数据采集仪，采集频率为1 次/h。变形测量设备采用YH40110（量程为100 mm）型高精度冻胀计，同时采用上海天沐公司生产的NS-WY02 型位移计以备校正，该两种仪器据精度较高，使用环境温度为-40～80 ℃。测量数据经温度修正后能满足路基冻胀-融沉变形监测的精度要求。

3 地温场分布特征

3.1 毛家店试验场地地温分布规律

图3为毛家店试验段面路基基床内不同时刻处不同深度的地温变化对比图。由于毛家店地处相对较浅冻结深度区（气象资料统计天然场地多年平均最大冻结深度为125 cm），在3月份地温分布图中（见图3(a)），地表地温已返回至正温，但其下仍存在大约厚为2 m 左右的冻结夹层，此层冻结土体在4月平均地温分布图（见图3(b)）中完全消失。同时可见，在冻融期内，路堑和路堤两种结构型式的活动层地温近乎一致，但其下的地温却是路堑地温略高于路堤地温。

3.2 四平试验场地地温分布规律

图4为四平试验段面路基基床内不同时刻处不同深度的地温变化对比图。由于四平地处相对居中冻结深度区（气象资料统计天然场地多年平均最大冻结深度为145 cm），在3月份地温分布图中（见图4(a)），浅层地表地温已返回至正温，但其下仍存在大约厚为2.5 m 左右的冻结夹层，且地温较低，具有较高的冻结强度。此层冻结土体在4月平均地温分布图（见图4(b)）中减小至地下1～2 m 深度，同时该层地温在-0.5～0 ℃之间，属于高温冻结土体，物理力学性质极不稳定。由于该试验断面均处在深挖路堑段内，监测断面相距仅为50 m，在冻融期内地温变化过程无显著差别。

图3 毛家店试验场地冻结-融解期地温分布特征(右路肩)Fig.3 Ground temperature distribution characteristics of Maojiadian test field in freezing-thawing period(right shoulder)

图4 四平试验场地冻结-融解期地温分布特征(左路肩)Fig.4 Ground temperature distribution characteristics of Siping test field in freezing-thawing period(left shoulder)

3.3 扶余试验场地地温分布规律

图5为扶余试验段面路基基床内不同时刻处不同深度的地温变化对比图。由于扶余地处相对较深的冻结深度区（气象资料统计天然场地多年平均最大冻结深度为192 cm），在3月份地温分布图中（见图5(a)），浅层地表地温仍表现为负温，其下存在厚为2.5～3.0 m 左右的冻结层，且地温相对极低，具有较高的冻结强度。此层冻结土体在4月平均地温分布图（见图5(b)）中减小至地下1～3m 深，同时该层地温在-1～0 ℃之间，属于高温冻结土体，物理力学性质极不稳定。同时可见，在冻融期内，路堑和路堤两种结构型式的活动层地温亦表现出路堑地温高于路堤地温的特点，这种差值在同一深度处约为1～2.5 ℃左右，这种趋势随着深度的增加而逐渐减小。

图5 扶余试验场地冻结-融解期地温分布特征(左路肩)Fig.5 Ground temperature distribution characteristics of Fuyu test field in freezing-thawing period(left shoulder)

纵向对比3 个试验段同一时刻的地温分布特征，可以发现，由南至北，冻结深度逐渐增大，地温逐渐降低，冻结存续时间逐渐延长，达到最大冻深的时刻逐步推后，同时完全融透的时刻亦逐步推后。且随着纬度的增加，活动层中路堑段与路堤段的地温差异也随之增大。在4月份融化期内，四平以北的地区在路面下会出现一个高温冻结夹层，该夹层物理力学性质不稳定，需着重考虑该时段该区域内路基的稳定性问题。

由图6(a)可以发现在冻融期内，同一深度处路堑与路堤的地温差值也呈现出较为明显的特征：在1.0 m 深度处，靠北部的扶余断面地温差值在1 ℃上下波动，在翌年的春融期内降低为0 ℃外，其余均为路堑地温高于路堤地温；而靠南部的毛家店断面地温差值则在0 ℃上下波动，除去2月份路堑温度高于路堤外，其余时刻温差近乎为0 ℃。图6(b)揭示了更深处地温差值变化，在2.5 m 深度处，毛家店断面最大冻结线并未达到，地温差值在整个冻融期内比较平稳的在0 ℃上下变化。但在扶余断面的冻深线大于2.5 m，由于深层地温随地表温度波动有一个迟滞的效应，其峰值出现在翌年的3月底4月初，为2 ℃左右，随后降低。由图6 可以清晰地看到，路堑的地温高于路堤的地温，而北部地区的差异较南部地区的差异更为明显。

图6 毛家店和扶余试验段不同深度处路堑-路堤地温差值Fig.6 Temperature differences at different depths of cutting and embankment in Maojiadian and Fuyu test sections

4 冻融期路基变形特征

针对寒区高铁路基严格的变形要求，选取位置相近的路堤和路堑断面，以对比分析其在冻融期内路基变形和冻结锋面发展曲线的关系。

图7为毛家店试验断面的路基变形量值同地温发展曲线的对比关系。由图可见，在整个冻融期内，有两个突变的时间段：（1）在冻结初期，地表浅层夜间冻结，白天消融，地表变形在较低的量值下呈现出反复变化的形态，随后随着冻结指数逐渐累计，冻结状态逐步稳定，冻胀变形量在短时间内呈直线上升的趋势。对比图7(a)、7(b)发现，路堑段变形值在5 mm 左右稳定，路堤段在3 mm 稳定；（2）在翌年的3月份，地表地温白天呈现出正温，夜晚地表浅层继续回冻，此时冻结深度达到最大，而地表变形则呈现出在波动的状态下继续上升，其幅值约在2～3 mm 之间，其后随着融化的稳定，变形值迅速减小，当冻结夹层完全消失后，变形值仍存留1 mm 左右的量值，随后逐步消失。

图7 毛家店试验场地冻结-融解期变形与冻结/融化深度分布特征Fig.7 Variations of deformation and freezing/thawing depth in freezing-thawing period at Maojiadian test section

图8为扶余试验断面的路基变形量值同地温发展曲线的对比关系。由图可见，在整个冻融期内，亦存在有两个突变的时间段，其出现时间和波动情况同毛家店断面，不同之处在于波动幅度的大小。但值得注意的是路堑段在翌年的1月底2月初呈现一个台阶式上升，幅值约在4 mm 左右，此时该处的冻结深度已达到2 m。

纵向对比毛家店断面和扶余断面的变形趋势，可以发现，路堑断面的变形量大于路堤断面，且在翌年春融期，扶余断面的短时波动存续时间要远少于毛家店断面，对比冻结深度和融化深度的发展趋势，扶余地处毛家店以北近300 km，融化进度较为稳定，昼融夜冻的情况只存在与很短的时间内，因此其变形波动呈现出小而稳定的态势。

图8 扶余试验场地冻结-融解期变形与冻结/融化深度分布特征Fig.8 Variations of deformation and freezing/thawing depth in freezing-thawing period at Fuyu test section

现仅考虑分析冻融期内路基总变形量的变化，对比分析7 个断面的冻深变化速率与变形量值之间的变化关系。冻深变化速率直接由冻结指数、土层热阻和土冻结时的相变影响所综合体现。冻深变化速率可定义为

式中：Vf为冻深变化速率；Hf（t ）为某时刻确定的冻结深度；Hf（t+1）为下一时刻的冻结深度。

图9 试验场地冻结-融解期变形与冻结/融化速率对比关系Fig.9 Comparisons between deformation and freezing/thawing rate in freezing thawing period in test field

图9为3 处试验场地路基总变形量值同地温发展曲线的对比关系。由图可见，当冻深变化速率处在由正值转为负值的区间时，此时的冻胀变形容易产生强烈波动，变形量值波动幅度同冻深变化速率波动幅度成相关的趋势。由图9(a)可见，毛家店试验场地在翌年的春融期内，路堤段的突变值在2 mm左右。同时由图9(b)可以发现，在四平试验段的路堑段春融期内，冻深变化速率出现在较为稳定的负值区，因此，变形量呈减小的趋势变化，并未产生向上的突变。而对比图9(c)可以发现，路堑段的第2 个突变段时（1月底2月初），冻深变化速率在0 上下波动，而此时变形产生了台阶式上升，同比同时路堤段的冻深变化速率一直处在正值区间变化，因此，并未出现预想到的台阶式上升。而在春融期内，路堑段冻深变化速率剧烈波动，此时产生了第3 个突变式上升，路堤段的冻深变化速率却在负值区内变化，变形并未发生向上的变化。

5 讨 论

线路中路基冻结深度分布和冻融变形的变化主要受气温和路基填料、结构以及工程地质水文地质条件的影响。由南到北，最大冻结深度的数值逐步增大，且到达时刻逐步延迟，冻结夹层完全消失的时间也随之愈晚。由现场实测数据分析可得，很明显路基土体在经历冻融循环的过程中，在同一条件下路堑地温高于路堤地温，而且这种差异随着纬度增加而增加。这种差异性的影响在堑-堤过渡段或半挖半填路段会放大，即极可能在近路堑出入口的路堤段存续有一定厚度的高温冻结夹层，而进入路堑一定的距离后，该冻结夹层消失，受列车荷载作用下冻土路基各个方向的结构刚度产生变化，其动力响应结果会因此产生较大的变化。为解决此类问题，在近路堑出入口的路堤边坡处设置保温板或保温护道之类的工程设施，降低因路基结构不同而引起的热交换差异，或者将过渡段延长以减小冻结夹层沿线路的变化梯度。

但在冻融期内路堑变形却大于路堤变形，这表明在同一条件下，冻结深度越大并不意味着冻胀变形量越大，结构型式同路基冻胀变形分布相关。同时基床表层的变形量占据了大部分总体变形量，且其代表性的变形发展曲线呈现出明显的两个阶越式特征。第1 个在冻结初期，冻深在0～50 cm 范围内发展时，冻胀量发展迅速，呈现一个台阶状突变，其后随着冻结指数增大而基本稳定。而在春融期，由于冻深变化速率在0 上下反复波动，使得冻胀量产生突变，其值甚至可和整个冻结期的冻胀量同处一个数量级。同时发现这种波动越小，冻胀变形量越稳定，即稳定升温，变形阶越强度减弱。

而在同一地区，如果路堤一侧为相对阳侧的话，那么同侧的路堑段即为相对阴侧，反之亦然。在路堤相对吸收的“冷量”较多的一侧，路堑相对吸收的“冷量”即较少，这样堤-堑过渡段的地温场分布向空间一侧扭曲，同时造成应力场的不规则分布，在双轨的定向动力荷载下，这样的效果会放大。因此，在堤-堑过渡段对线路走向以及阴阳坡热效应的问题必须得慎重考虑。

可以推断，半挖半填段路基的热状况亦不同于这两种结构型式的路基，在堑-堤过渡段路基纵向断面会出现较为明显的温度梯度，而在半挖半填段，路基横向则会出现较为明显的温度梯度，这种情况尤其在春融期内所带来的影响不容忽略。

6 结 论

（1）路堤断面的最大冻结深度要大于临近的路堑断面的最大冻结深度，其差值向北逐步增大；其冻结夹层厚度也呈现出路堤段大于路堑段，其冻结夹层消失时间亦向北逐渐延后。

（2）相反的是，同一地区路堑段的最大变形却较路堤段的要大2～5 mm，这种差值越向北越明显。冻深在0～50 cm 范围内发展时，冻胀量发展迅速。

（3）在春融期，由于气温在0 ℃上下剧烈波动时，会引起剧烈的冻胀变形而产生台阶式冻胀的现象，甚至会出现瞬时冻胀变形大于冻结期最大冻胀变形的情形。

（4）当冻深变化速率处在由正值转为负值的区间时，此时的冻胀变形容易产生强烈波动，变形量值波动幅度同冻深变化速率波动幅度成相关的趋势。

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