季节性冻土区铁路路基冻胀变形特性研究

曹太平

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

近年来，伴随着我国高速铁路建设的快速发展，列车对线路平顺度、安全性的要求显著提高，而铁路路基的稳定性和变形控制是高速铁路路基设计和施工的关键[1]。我国东北、华北、西北等地区广泛分布有季节性冻土，在这些地区修建高速铁路，应着重考虑路基冻胀变形。对季节性冻土区高速铁路路基冻胀变形影响因素、规律及防治措施等问题的研究已取得了很大的进展，如石刚强等通过工程实例观测，分析影响严寒地区铁路客运专线路基冻胀的主要因素，并从地基防冻胀处理、路基防冻胀结构设计、路基排水三个方面提出了具体的防治技术[2-3]。赵润涛等结合哈大客运专线沈大段路基工程设计情况，对季节性冻土区客运专线路基工程防冻胀处理措施进行了说明[4]。赵晓萌采用基于物联网技术的冻胀监测系统及水准测量方法对牡绥铁路路基进行冻胀监测，研究其路基冻胀规律[5]。

沈丹客专起自沈阳南站，经本溪、南芬、通远堡、凤凰城，止于丹东市，正线全长205.704 km，其中，路基段长39.928 km，设计时速250 km。沿线属于湿润-半湿润大陆性气候，冬季漫长寒冷，夏季短促温暖，降雨主要集中在7～8月，春秋多风。按铁路工程分区为寒冷地区，沿线极端最低气温-33.6℃，最冷月平均气温-11.4℃，年平均降水量925.6 mm，土壤最大冻结深度104～149 cm。

为了减小路基的冻胀变形，在设计和施工中采用换填路基材料、改善基床结构、设置防冻胀层、加强地表水与地下水排泄等防冻胀措施。通过建设期(2012～2015年)三个完整冻融周期的冻胀变形监测工作，研究路基冻胀变形发生、发展和变化规律，验证防冻胀措施效果，为其他季节性冻土区高速铁路的设计和施工提供参考。

1 路基防冻胀设计

引起路基发生冻胀的主要影响因素为具冻胀敏感性的土、负温和水。在路基防冻胀设计和施工中，应针对这些影响因素采取防冻胀措施，减小路基冻胀变形[6-7]。

1.1 路基基床填料设计

基床表层采用级配碎石掺5%水泥填筑，厚0.4 m，水泥为P.042.5级普通硅酸盐水泥，碎石填料颗粒粒径d≤0.075 mm。基床底层为A、B组填料，填料细颗粒含量小于5%(最大冻结深度范围)，压实后小于7%；压实后渗透系数不小于5×10-5m/s[8-9]。

1.2 基床换填

(1)短路基段落

短路基(≤60 m)及设置渗沟困难地段采用混凝土基床(C35混凝土浇筑)，厚度不小于土壤最大冻结深度+0.25 m，基床两侧填筑A、B组土。

(2)硬质岩路堑

硬质岩基床地段路基面以下设置0.2 m厚的C35素混凝土封层(用高压水冲洗原地层后进行混凝土浇筑，配置φ12@200面筋)。

(3)非硬质岩路堑

对于非硬质岩地段，基床表层底面至最大冻深范围内换填非冻胀A、B组土。

1.3 排水设计

基床表层排水:轨道底座间及两侧路肩范围设置8 cm厚C30纤维混凝土封水层。对于排水困难地段(如疏导条件差或地下水位高的路堑地段)，可在单侧或两侧设置渗水盲沟。

1.4 防冻胀层施工及检测

为保证路基防冻胀性能，应加强路基防冻胀层的设计、施工、检测工作。防冻胀层填料细颗粒含量、渗透系数必须满足规范要求。填筑前选择代表性地段做压实实验，确定工艺参数。防冻胀层应严格按照代表性实验确定的工艺参数进行施工及检测。

2 冻胀变形监测方案及实施[10-12]

2.1 水准观测断面间距布设原则

采用几何水准测量方式，对选取段落进行路基面冻胀变形观测。观测断面间距一般为50 m，沿线路方向布置，路基连续段落较长且填筑条件较好的地段可放宽至100 m，在路桥、路涵、路隧过渡段及咽喉区等特殊地段进行加密设置。

2.2 水准观测点位置

根据路基填筑情况，每个监测断面布设3个监测点，分别位于路基线路中心及底座板边缘附近，如图1所示。

图1 水准测量观测断面监测点布设

在轨道底座板上，每个观测断面布设4个冻胀观测点，分别位于轨道底座板左右肩上，从左至右分别为1号测点，2号测点，3号测点，4号测点，如图2所示。

图2 底座板冻胀观测点布设

2.3 自动监测元器件布设

在每个观测断面左、右线底座板外缘下布设观测元器件，埋设位置及元器件布置如图3、图4所示。

图3 断面元器件布置示意

图4 冻胀计按照示意

2.4 监测点布置情况

结合沈丹客专现场建设进展及每年的观测情况，在2012年～2015年连续3个冬季，采用人工观测和自动监测相结合的方式，开展了全线路基面冻胀变形观测工作。人工观测断面、自动观测断面及观测点布置数量如表1所示。

表1 每年观测断面及观测点布置

3 建设期监测结果分析

3.1 路基冻胀变形随时间变化特征

在季节性冻土区，路基土体温度随大气温度的变化而改变，即冬季温度降到0℃以下后，最大冻结深度范围内土体发生冻胀变形[13]，影响线路安全。图5为沈丹客专建设期路基代表性监测断面(DK33+000)完整冻融周期(2014～2015年)的监测数据。

图5 冻胀规律示意

由图5可知，路基冻胀变形大致可分为5个阶段:第一阶段为冻胀波动阶段；第二阶段为冻胀快速发展阶段；第三阶段为冻胀变形稳定阶段，冻胀变形趋于平稳；第四阶段为波动融沉阶段(气温回升，冻胀呈现一定的波动)；第五阶段为变形稳定阶段，即随着气温的逐渐回升，冻层消失，冻胀回落到最小[14-15]。

12月份以前，随着气温的变化，冻胀变形具有一定的波动；12月中旬以后，随着零度以下时间的持续增长，冻深稳步增加，到次年2月中旬监测断面的冻深值达到最大；3月初气温逐渐变暖，冻深也随之减小，冻胀变形明显减小(进入融沉阶段)；3月底以后，各测点地温全面进入0℃以上，冻层消失。

一般来说，冻胀变形在12月下旬已经进入稳定期，而冻深仍在逐渐发展(在次年的1月中旬基本稳定，2月中旬达到最大值)。说明冻深达到一定的深度后，冻深的变化对冻胀变形的影响减小，且冻胀变形稳定期的时间要比冻深稳定期的时间要长。

3.2 路基冻胀变形人工观测数据分析

三年的水准监测数据对比如图6及表2。

图6 建设期全线路基面最大变形情况

表2 全线路基面冻胀变形统计对比_

由图6和表2可知:2012～2015年，冻胀变形小于4 mm的观测点占各年全部测点的比例从56.5%上升至99.52%；变形量位于4～8 mm之间的测点占各年全部测点的比例从25.6%降至0.45%；变形量位于8～12 mm之间的测点占各年全部测点的比例从12.7%降至0.02%；变形量大于12 mm观测点占各年全部观测点的比例从5.2%降到0。由此可知，随着施工中防冻胀措施的应用，全线路基冻胀变形得到了较大改善，小冻胀(2014～2015年变形量小于4 mm的观测点占全部测点的99.52%)沿线均布，大冻胀仅为个别现象。

2012年冬季各监测点冻胀量小于4 mm的比例为56.5%。对冻胀量大于8 mm的路段，进行了补强处理。经分析发现，导致冻胀量较大的主要原因为2012年冬季沿线各地区气温较往年低，路基填筑预压土清理不干净，外界水渗入路基本体等。2013年采取了清除预压土，控制填料细颗粒含量等措施，全线监测点冻胀量小于4 mm的比例也提高至78.06%。2014年冬季，路基表面封闭层及底座板施工基本完成，进一步减少了渗入路基本体的水量，其最大冻胀量也逐渐减小。说明随着路基防冻胀措施的逐步完善，路基冻胀变形得到有效的控制。

3.3 路基冻胀变形自动监测情况分析

2013～2014年，选择了沈丹线三个冻深区域(1.49 m、1.38 m、1.04 m)6段路基共6个监测断面进行分层冻胀监测，2014年～2015年，在2013～2014年的基础上新增了8个冻胀监测断面，根据监测结果，选取以下两个典型观测断面进行分析。

(1)DK39+250断面

该断面冻深及冻胀变形随时间的变化情况如图7所示(最大冻胀变形为0.48 mm)。2014年12月初开始，冻胀变形快速增长，2014年12月下旬至2014年3月上旬冻胀变形呈现波动变化，3月中旬冻胀变形快速回落。2015年2月15日～16日冻深达到最大值。

图7 DK39+250断面冻胀计冻胀及冻深随时间的发展情况

(2)DK196+190断面

图8 DK196+190断面冻胀计冻胀及冻深随时间的发展情况

该断面冻深及冻胀变形随时间的变化情况如图8所示(最大冻胀变形为1.57 mm)。12月20日开始产生冻胀变形，2014年12月20日～2015年1月10日为快速增长期，2015年1月10日～2015年3月22日为冻胀变形稳定期，2015年3月22日至2015年3月末为快速回落期，稳定期冻胀变形主要集中在0.5～1.1 m深度范围内，2015年2月15日～16日冻深达到最大值。2014～2015年度冻深及冻胀变形随时间的发展趋势与2013～2014年度基本相同。

4 结论

(1)影响路基冻胀的主要因素有:填料细颗粒含量、水和温度。防冻胀的措施有:控制细颗粒含量、级配碎石掺水泥、纤维混凝土全封闭等。

(2)路基冻胀具有一定的内在规律，其发展变化过程可划分为冻胀初始波动、冻胀快速发展、低速稳定持续发展、波动融沉、融沉稳定5个阶段。