高速铁路路基温度场及保温措施数值模拟研究

王 永 王功博 钱国玉

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

随着严寒地区高速铁路的大规模建设，季节性冻土路基的冻胀问题已成为严寒地区高速铁路建设必须解决的主要问题之一[1]。目前，所采用的主要防冻胀措施是对路基进行保温处理[2]。国内外一些学者对路基保温措施进行了相关研究：韩铠屹等[3]以哈大客专大连段路基为研究背景，运用有限元软件模拟分析路基温度场在冬季各月份的分布情况及不同年份下路基温度场的变化；邰博文等[4]基于哈齐客运专线泰康试验段的地温与变形监测资料，研究了严寒地区路堤阴阳面的地温和变形差异；许健等[5]运用土壤冻结条件下水热耦合输移的基本方程和数值方法，分析了保温板和保温护道措施对路基温度场的影响规律；陆永港等[6]采用有限元数值仿真方法，分析在路基基床表层采用水泥稳定级配碎石和在路基边坡加设保温护道对路基温度场的影响；ESCH D C[7]通过取样试验，对比分析聚氨酯发泡保温材料和XPS保温板的铺设厚度、导热系数和抗压强度特性，认为XPS保温板具有优越的性能和使用寿命；GANDAHL R[8]和LARSEN L A等[9]研究了公路路基面铺设XPS保温板对路基温度场的影响规律。

聚苯乙烯泡沫塑料(Extruded Polystyrene，简称XPS)保温板因其良好的隔热性以及抗老化性等特点，在国外得到广泛应用并取得了良好效果[5-9]。但是，XPS保温板在高速铁路路基中的应用较少。以张呼铁路低填浅挖路基为背景，结合现场地温监测数据及地质资料，运用ABAQUS有限元软件，模拟不同工况下XPS保温板的路基温度场分布规律。

1 路基模型的建立

铁路路基为线性工程，假设其纵向为无限延伸，土层为均匀分布，路基计算模型可简化为二维平面问题；参考路基的结构形式、横断面尺寸和地层岩性等资料，建立如图1所示的计算模型。

图1 路基计算模型(单位：m)

由图1可知，道砟顶部宽度为8.6 m，基床表层宽度为13.8 m，路基边坡及两侧路堑坡度为1∶1.5。计算区域由4层组成，分别为级配碎石，冻胀不敏感A、B填料，粗砂和粉土地基。在基床表层顶部以下0.3 m处铺设XPS保温板(如图2、表1所示)。

图2 XPS保温板铺设方式(单位：m)

工况保温板厚度/cm保温板垂直线路铺设长度/m保温板铺设方式100—2313.8路基面全幅铺设保温板3513.8路基面全幅铺设保温板4713.8路基面全幅铺设保温板51013.8路基面全幅铺设保温板61513.8路基面全幅铺设保温板71016.8保温板铺设至路基坡脚81019.4保温板铺设至侧沟侧壁91021.4保温板铺设至侧沟底部

2 土体参数及路基温度场的边界条件

在模拟铁路路基温度场时，应综合考虑线路走向、初始条件及边界条件等因素对路基温度场分布的影响[6]。

2.1 边界条件及初始条件

根据现场实测数据，在一年的周期中，日平均地表温度变化曲线与正弦曲线相似。通过拟合计算，做出该断面左路肩、路基中心和右路肩处日平均气温随时间变化曲线(如图3所示)。

根据实测值可拟合出该横断面不同位置的地表温度函数表达式。

图3 地表温度实测值与计算值对比

右路肩：T=8.5+20.5sin((2πtd)/365+π/2-0.92)

路基中心：T=8+12sin((2πtd)/365+π/2-0.92)

左路肩：T=10.5+18sin((2πtd)/365+π/2-0.92)

路基温度场计算模型的初始条件为T=T0，取td=0时作为道砟和路基填料初始温度。

2.2 土体参数

根据室内试验结果及相关参考资料[6]，得到模型中各土层及保温板的热物理参数(其中材料的密度与温度无关)，如表2所示。

表2 计算区域各土层及保温板热物理参数

3 路基温度场的有限元模拟

采用ABAQUS进行低填浅挖路基温度场模拟(热传递类型为非耦合的热响应)，在Abaqus/Standard中完成计算过程。为了减少仿真计算的运算量，提高运算效率，在进行网格划分时，模型上部单元长度采用0.2 m，下部单元长度采用1.0 m，网格控制属性全部采用自由的四边形为主单元，路基模型及网格划分如图4所示。

图4 路基模型的网格划分

4 计算结果分析

4.1 模型验证

分别在该断面的左路肩、路基中心和右路肩布置地温孔，选取一年周期中3个特征时刻的仿真模拟值与现场实测温度值进行对比分析(如图5所示)。总体上仿真计算结果与现场实测温度值相差不大，二者有相同的变化规律：即路基顶部测点的温度随季节的变化波动幅值较大；随着地温孔深度的增加，下部测点温度波动幅值逐渐减小，并逐渐趋于一个常数值，验证了所建路基温度场计算模型的正确性。

图5 路基不同位置的模拟值与实测值对比

4.2 路基温度场特征分析

选取4个特征时刻对路基温度场进行分析。如图6(a)所示，t=11 d，气温接近于暖季最高温度，路基及地基浅层温度接近于当年最高温度，深层土体温度约为10 ℃。如图6(b)所示，t=120 d，大气温度逐渐降至0 ℃以下，路基及地基浅层土体开始发生冻结，冻结锋面大致位于0 ℃等温线附近。由图6(b)、图6(c)可知，t=120～232 d期间，冻结锋面的位置会随着温度的降低而逐渐下移，直至达到最大冻深，其中左侧(阴面)路肩最大冻深略小于右侧(阳面)路肩。由于道砟具有一定的保温作用，故路基两侧温度等值线略低于路基中心。如图6(d)所示，t=260 d，随着大气温度回升和太阳辐射量增加，路基处于吸热状态，路基土体从冻结层两侧开始发生融化(即双向融化)。

图6 低填浅挖路基典型时刻地温场云图

4.3 保温板厚度对路基温度场的影响

为了确定保温板最优的铺设厚度，根据不同保温板厚度的温度场云图(见图7)做出了最大冻深横向分布曲线(如图8)。由图8可知，保温板厚度增加对路基中心下部影响程度最大，从路基中心到其两侧逐渐减弱。为了保护轨面不受冻胀影响而产生上拱，应重点观察线路左、右线下方的冻深。当保温板厚度小于7 cm，左、右线下方的冻深大于保温板铺设深度，保温板下层面土体存在负温；当保温板厚度为7 cm时，左线冻深位于保温板层面，而右线冻深略低于保温板层面；当保温板厚度为10 cm时，左、右线下方的冻深均位于保温板层面；而当保温板厚度大于10 cm，左、右线及两侧路肩下方的冻深已无明显变化。因此，为了减少不必要的工程成本，保温板的最优厚度应选取为10 cm。

图7 不同保温板厚度路基最大冻深时刻温度场云图

(注：图中红色粗线为保温板铺设深度)图8 不同保温板厚度路基最大冻深横向分布曲线

4.4 不同保温板长度路基温度场分布规律

采用不同保温板长度时，路基达到最大冻深的温度场云图如图9所示。

图9 不同保温板长度路基最大冻深时刻温度场云图

为了选择合理的路基保温板铺设长度，对采用不同保温板长度时的路基最大冻深横向分布曲线进行对比分析，如图10所示。

(注：图中红色粗线为保温板铺设深度)图10 不同保温板铺设长度路基最大冻深横向分布曲线

由图10可知，当保温板铺设长度为13.8 m时，路基整体最大冻深变化幅度最大，其中路基冻结线抬升高度为0.7 m以上；当保温板铺设长度为16.8 m时，左侧路肩的最大冻深已经接近保温板面层；右侧路肩位于阴面，其冻结深度较大，因此最大冻深线并未抬升至保温板面层；当保温板铺设长度为19.4 m时，右侧道砟脚最大冻深位于保温板层面，右侧路肩的最大冻深为0.614 m；随着路基两侧保温板铺设长度增加至21.4 m，右侧路肩的最大冻深已接近保温板层面。

综上所述，当保温板铺设长度为21.4 m(即保温板铺设至侧沟底部)时，路基最大冻结线控制在保温板层面，可以很好地保护路基下部土体，基本消除冻害对轨面的影响。

5 结论

(1)路基温度场模型的仿真计算值与现场实测地温值变化规律相同，验证了所建模型的可靠性和所选参数的合理性。

(2)通过分析4个特征时刻的路基温度场，可以发现路基温度场横向呈不对称层状分布，路基两侧温度等值线略低于路基中心。

(3)保温板厚度增加对路基中心下部土体冻深影响程度最大，从路基中心到两侧逐渐减弱；随着路基两侧保温板铺设长度的增加，路基两侧下部土体冻深逐渐减小，但对路基中心附近土体的冻深影响甚微。

(4)确定了低填浅挖路基保温板最优铺设厚度为10 cm，最佳铺设长度为21.4 m，即路基面全幅铺设且路基两侧的铺设长度延伸至侧沟底部时保温效果最佳。