铁路路基冻害防治保温技术研究

闫宏业，蔡德钩，张千里，朱忠林，刘莉

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081; 3.中建铁路建设有限公司，北京 100053)

铁路路基冻害防治保温技术研究

闫宏业1，2，蔡德钩1，2，张千里1，2，朱忠林1，2，刘莉3

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081; 3.中建铁路建设有限公司，北京 100053)

通过理论分析和现场试验等方法开展了路基冻害防治保温技术的研究。分析了保温材料应用于季节性冻土重载路基的适用性，模拟了不同保温板厚度条件下路堤和路堑温度场的分布特征，提出了消除冻害所需的保温材料及其厚度，形成了保温板的施工工艺流程。现场试验结果表明，试验地段的冻害得到了有效治理。

重载铁路 冻害防治 保温材料

我国冻土分布广泛，许多铁路不可避免地穿越了冻土地区。受气候、水文和地质条件的影响，每年冬季和春季都会发生冻胀和融沉变形，造成路基冻害，给行车安全带来一定的影响。为保证铁路列车安全、畅通地运行，研究提出切实可行的路基保温技术成为当务之急。

本文采用XPS作为隔热防冻材料，开展了朔黄重载铁路路基冻害整治的试验研究。项目组结合某现场工点，对不同保温板厚度条件下路基和路堑的保温措施进行了理论和试验研究，提出了铁路路基保温板施工技术，得到了有益结论。

1 保温材料性能分析

冻土路基内加铺保温材料主要有聚苯乙烯泡沫(EPS)板、聚氨酯泡沫(PU)板和聚苯乙烯挤塑(XPS)板。EPS，PU作为隔热防冻材料，已在铁路、公路的冻害防治中得到广泛的应用，而XPS在交通领域的应用则较晚。与前两者相比，XPS具有较突出的耐久性、吸水率和抗压性，是非常理想的重载路基冻害整治材料。

1.1 耐久性

XPS因其稳定的化学结构和物理结构而具有超常的耐久性能。从图1的曲线可以看出，其保温性能随时间的变化很小，即使使用2年之后其保温性能仍能保持在开始时的80%以上。

1.2 吸水率

由于聚苯乙烯挤塑板具有紧密的闭孔式蜂窝结构，而分子结构本身亦不吸水，因此聚苯乙烯挤塑板具有极佳的抗水、防潮和防渗透性能。如表1所示，XPS的吸水率较EPS和PU低很多。

图1 XPS热阻值随时间变化曲线

表1 几种材料冻融循环后吸水率%

1.3 抗压性

目前重载铁路开行列车轴重达到25 t，根据现场实测结果统计，路基动应力最大值可表示为σ(kPa) =4P，P为轴重。按照这个结果，25 t轴重条件下，路基动应力最大值达到100 kPa。远期若开行27和30 t轴重列车，路基动应力最大值将分别达到108和120 kPa。而XPS保温板抗压强度高达550 kPa，且其长期蠕变极小，20年内也不超过1%。因此，在重载条件下，XPS保温板的耐久性是非常出色的。

2 保温技术理论分析

2.1 计算参数的确定

本次冻土路基温度场的分析采用大型有限元软件ANSYS进行。采用的计算参数如表2和表3所示。

表2 各部分热物理计算参数

表3 基床填料、地基土计算参数

根据项目组2011年在神池南站所做的路基检测试验，基床范围内土性基本上为粉土或粉质黏土，且含水量偏大，基本上都达到或超过20%。根据相关资料提供的亚黏土的热物参数，分析影响亚黏土比热容和导热系数的因素，以土的干密度和含水量为参变量，对导热系数k、比热容C进行回归分析，得到式(1)至式(4)

式中:κf为冻结土的导热系数;κu为未冻土的导热系数;Cf为冻结土的比热容;Cu为未冻土的比热容;pd为土的干密度，取1 900 kg/m3;w为土的含水率，基床底层和地基土都取为20%。

由以上几式可得到冻结区和未冻结区的导热系数及比热容，在相变区间可进行线性插值。由于本次计算采用显热容法，即将相变潜热含到比热容里，则有下式

收集工点大气温度资料，得到2011年7月1日到2012年7月1日的日平均气温的拟合曲线，作为外界温度荷载施加于路基表面及边坡上，见式(6)和图2。

图2 朔州地区气温变化曲线

本次计算模型两侧为绝热条件。根据相关资料，一般地面以下10 m地温波动很小，其值为地表气温的年平均值，对于现场工点地区，地下深部温度取为5.4℃。本次计算时间为1年，共365 d。

本次仿真共计算路堤和路堑两种结构形式，分别对重载线路一侧进行保温，保温板的厚度分别为3，5，7，10，15 cm。图3至图4分别为路堤计算模型和路堑计算模型。

图3 路堤计算模型(保温板厚10 cm)

图4 路堑计算模型(保温板厚10 cm)

2.2 仿真模型的验证

为解决铁路的冻害问题，项目组进行了现场试验。在道砟以下铺设了厚度为5 cm的XPS保温板，见图5。对路基中不同深度的温度进行了长期监测，在该种保温措施条件下，神池南站路基在冬季最大冻深为40 cm左右。根据调查资料，未做任何整治措施时，冻深在1.0～1.3 m，说明XPS保温板的铺设大大降低了冻深，对重载铁路的冻害防治效果较为显著。

图5 现场温度仪埋设及监测站

对保证仿真计算的准确性，本次计算首先对现场相同工况条件下的路基进行仿真，计算结果与实测曲线进行对比，以确定计算模型的合理性。图6和图7分别为不同深度处仿真结果与测试结果的对比，从图中可知，仿真结果与测试结果较为接近，说明本计算模型合理。

图6 保温板下表面仿真结果与测试结果对比

2.3 典型计算结果

本次计算了路堤和路堑两种结构形式，每种结构形式分别对重载一侧进行了保温，保温板的厚度分别为3，5，7，10及15 cm。图8为不同保温板厚度时路堤中温度场分布图。

分析可知，保温一侧以下温度场在冬季高于未保温另一侧，说明保温板起到了保温的作用，且随着保温板厚度的增加，保温一侧的下方温度呈现增大的趋势，说明保温板厚度的增加可降低冻深。

图7 保温板下1.2 m仿真结果与测试结果对比

2.4 计算结果分析

重点观察外轨下方的冻深，在监测时间内，其最大冻深基本上在3月11日前后出现，因此提取3月11日不同位置和深度处的温度，得到路基对称中心、内侧钢轨下方、外侧钢轨下方及砟角处沿深度的温度曲线。表4为各工况条件下不同位置的冻深统计表。从表中可以看出，保温板厚度对钢轨下方影响较大，对路基对称中心和砟角处冻深影响则较小。在不保温条件下，外轨下方冻深达到1.3 m左右;当保温板厚度为3 cm时，外轨下方的冻深为70 cm左右;当保温板厚度为5 cm时，外轨下方的冻深约为40 cm左右;当保温板厚度＞7 cm后，路基中冻深基本上为0。说明保温板对重载铁路路基的冻害防治有显著的作用，可明显降低冻深。

表4 不同工况条件下不同位置的冻深m

3 保温板施工技术

项目组在整条线路冻害最为严重的地段进行了现场试验，选取了50 m单线路基作为冻害整治区段，在道砟以下铺设了厚度为5 cm的XPS保温板。

其施工工艺流程如下:

1)移除道砟(图9)，修整路基面，形成4%排水坡。

2)铺5 cm厚砂垫层。

3)在砂垫层上拼铺挤塑板XPS(图10)，满铺后紧密接缝，不出现较大错台。

图10 铺设砂垫层及保温板

4)铺设排水板。

5)在排水板上铺设保护垫层。

6)回填道砟，恢复线路。

4 结论

本文通过理论分析和现场试验，对不同结构形式的路基在不同保温措施条件下的保温效果进行了对比分析，得到如下结论:

1)对于重载铁路冻害的防治，XPS保温性能较EPS，PU更具有优势，是较理想的保温材料。

2)根据计算结果，在相同保温措施及温度荷载条件下，路堤冻深与路堑接近，但略大于路堑。

3)对于试验工点条件，采用XPS保温板可有效解决重载铁路路基的冻害问题。当XPS保温板的厚度达到7 cm时，钢轨下方基本上没有负温;当厚度达到10 cm时，可完全消除冻害。

4)采用XPS板对重载铁路路基进行保温时，可采用移除道砟、铺设砂垫层及保温板、铺设排水板、铺设保护垫层、恢复路基的施工工艺流程进行操作。

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Study on railway subgrade's prevention of frost damage and warm-keeping technology

YAN Hongye1，2，CAIDegou1，2，ZHANG Qianli1，2，ZHU Zhonglin1，2，LIU Li3
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China; 3.China State Construction Railway Corp.，Ltd.，Beijing 100053，China)

By theoretical analysis and in-situ test，railway subgrade's prevention of frost damage and warm-keeping technology were studied in this paper.Adaptability of warm-keeping materials was studied，as they are applied to the subgrade of heavy haul railway in seasonal frozen soil areas.Temperature distributions at embankment and cutting of the lines were simulated as insulation boards of different thickness are used.The preferable warm-keeping material and its suggested thickness were proposed.Construction procedure of insulation board was put forward.In-situ test result showed that subgrade frost damage was treated effectively.

Heavy haul railway;Frost damage prevention;Warm-keeping material

U216.41+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.12

1003-1995(2015)01-0051-05

(责任审编 赵其文)

2014-10-01;

2014-11-05

铁道部科技研究开发计划项目(Z2012-062，2012G009-B，2012G012-A);中国铁路总公司科研试验任务(Z2013-038);铁道科学技术研究发展中心科研项目(J2014G003);中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2013G009-G);中国铁道科学研究院基金项目(2013YJ032)

闫宏业(1981—)，男，河北定州人，助理研究员，硕士。