某铁路路基冻胀过程实测及“时变覆盖效应”分析

2020-09-13仝睿宋二祥赵志宏于洪钦张爱涛

铁道科学与工程学报 2020年8期

仝睿，宋二祥，赵志宏，于洪钦，张爱涛

仝睿1，宋二祥1，赵志宏1，于洪钦2，张爱涛2

(1. 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京 100084；2. 中国铁路兰州局集团有限公司武威工务段，甘肃武威 733000)

针对兰新铁路武威段的路基冻胀选取典型地段进行冻胀过程的现场实测，包括不同深度处的温度、湿度及冻胀量从秋季到冬季再到春季的变化时程。通过对实测数据的分析，力求弄清该干旱低水位地区铁路路基发生冻胀的水分来源。实测数据及分析表明，由于入冬前路基浅层局部土体有一定体积含水率，浅层冻结之后，减小水分的蒸发；同时在温度梯度作用下，有不可忽略的地下水气向上迁移，加大浅层的冻胀。结合此前业内提出的“锅盖效应”概念，提出“时变覆盖效应”概念，可以解释此种环境下路基内的水分迁移及冻胀。

铁路路基；冻胀；现场实测；时变覆盖效应；体积含水率

季节性冻土区域土的周期性冻胀与融沉变形会对建于其上的工程设施造成危害。高速公路、高速铁路对路基变形非常敏感，路基冻融变形的分析及控制是一个重要研究课题。实际上，我国位于季节性冻土区的铁路多受到不同程度的路基冻融变形的困扰[1−6]。比如，西北地区的兰新铁路，每年冬季都有明显的冻胀变形，每年入冬及开春季节都因冻胀或融沉变形投入大量人力物力进行轨道调平，并限速运行。路基发生冻胀的必要条件除低温因素外，冻结深度范围内水分的存在是另一必不可少的条件。而兰新铁路位于西北干旱地区，地下水位深度较大，毛细水不足以上升到会发生冻结的浅层。例如本文试验所在的兰新铁路武威段，冬季冻结深度在1.5 m到2 m之间，地下水位则深达数米以上，毛细水不足以上升到冻结区域。那么水分到底怎么来的，是一个需要回答的问题。近年来工程界从道面破坏的情况发现，在西北等干旱地区的路基中，虽然地下水位较深，但不透水的道面下方也会出现较多水分的聚集。研究人员推测这种水分聚集主要是由气态水迁移到道面下因低温冷凝而成。李强等[7−8]将该现象形象地称为“锅盖效应”，工程界也有人称其为“覆盖效应”[9−10]。滕继东等[9, 11−12]也对覆盖效应进行了研究，指出路基顶部温度在冰点以下时，路基中水分的向上迁移量才较显著。本课题组此前也对这一现象进行了建模分析[10]，得到相近的结论。但普通铁路路基并不存在一个起到覆盖作用的道面，兰新铁路路基发生冻胀的水分是否与“锅盖效应”有关？正是带着这一类问题，本课题组在兰新铁路武威段选取典型冻胀部位进行路基冻胀过程的现场实测，包括不同深度处的温度、湿度及冻胀量从秋季到冬季再到春季的变化时程。通过对实测数据的分析，揭示发生冻胀的水分来源。实测数据及分析表明，由于入冬前路基浅层局部土体有一定体积含水率，浅层冻结之后会减少水分的蒸发；同时在温度梯度作用下，有不可忽略的地下水气向上迁移，加大浅层的冻胀。针对这一现象，结合此前业内提出的“锅盖效应”概念，提出“时变覆盖效应”概念，可以解释此种环境下路基内的水分迁移及冻胀。

1 实测方案

课题组在兰新铁路武威段411+600区域路堤土层中不同深度处布设温、湿度传感器和冻胀计以获得相应的测试数据。

测试断面处，边坡土体为粉土，顶部50 cm厚度夹杂石子。路基中顶部有约50 cm厚石砟层，石砟层下为60 cm厚粉土层，30 cm黑色粗粒填料层，再往下为240 cm厚粉土。粉土干密度约为1.6 g/cm3，渗透系数为1.5×10−7m/s；粗粒填料干密度为1.9 g/cm3，渗透系数为3×10−4m/s，透水性能与中砂较为接近。边坡土体1.5 m以上土层体积含水率较低，1.5 m以下土层体积含水率较高。路基的体积含水率是1.5 m以上体积含水率较高，1.5 m以下体积含水率较低。地下水位深度在数米以上。土层分布剖面图如图1所示。

单位：cm

根据《冻土地区建筑地基基础设计规范》，测点所在地区标准冻深为1.4 m，故将监测仪器分别布置在0.1，0.4，1.0，1.6，2.5和3.3 m处。需要注意的是，路基中的深度0点是从石砟层下方算起。此外，为方便估计蒸发量，还在同一地段用砖石砌筑承台，布置了大气温湿度计以及风速风向计。为对比路基中间的水分迁移以及边坡上的水分迁移情况，在路基中间和路肩各设置一组测点(图2)。

测点布置剖面、平面图分别见图2和图3。路基中测孔共7个，位于在铁路路堤堤顶，包括在不同深度布设冻胀计的测孔6个与在不同深度布土层温湿度计的测孔1个。路肩上测孔共8个，包括冻胀计测孔6个、土层温湿度计测孔1个与孔压计测孔1个。试验采用无线数据传输的方式进行数据采集，使用太阳能电池组对监测仪器进行供电。

单位：m

图3 测点布置平面图

图3中的测孔编号，B代表基床(Bed)；S代表边坡(Slope)；A代表大气(Atmosphere)；W代表风(wind)；F代表冻胀(Frost heave)；TH代表温度(Tempertaure)和湿度(Humidity)。数字1到6分别对应测量深度3.3，2.5，1.6，1.0，0.4和0.1 m。

本次试验中，冻胀计采用的是一孔一埋的方式，而温湿度计采用的是一孔多埋的方式。冻胀计的一孔一埋示意图如图4所示。一孔多埋的布置方式可以消除土体沿铁轨方向不均匀性的影响，因此温湿度计采用一孔多埋的方式。但冻胀计的上法兰盘宽度为250 mm，若同样使用一孔多埋的布置方式，打孔直径至少为250 mm。考虑到在铁路上打孔时间有限，且对打孔设备高度存在限制，故将冻胀计布设为一孔一埋。冻胀计上法兰盘和底锚盘会随着土层一起移动，中间的连接杆可以上下活动。当冻胀发生时，上法兰盘与底锚盘间距增大，通过中间的连接杆处的电子器件测出间距增大量，即可得到冻胀量大小。不同冻胀计的顶部法兰盘和底部锚盘设置在不同高度，从而测量不同厚度土层的冻胀量。温湿度计一孔多埋示意图如图5所示。最上方2个温湿度计因埋设间距接近温湿度计本身长度，无法竖直埋设，故水平埋设于土中。

图4 冻胀计埋设示意图

图5 温湿度计埋设示意图

在埋设过程中，路基孔内顶部0.5 m范围内土体以及边坡孔内底部2 m到3.3 m深处土体可以观察到较明显的高体积含水率，与刚埋好所有传感器(2017年11月5日)时测得的土体体积含水率数据(图7)相一致。回填过程中，严格按照挖取时的深度，将土体回填。本次试验中所用到的所有监测仪器型号与精度如表1所示。

表1 监测仪器型号精度

2 实测数据及分析

图6是边坡测孔在2018年9月15日不同时刻测得的不同深度处的温度值。从图中可以看出，近地表浅层温度随气温变化而变化，而1 m及以下深度处，温度较为稳定。图7是2017年11月5日路基和边坡上测孔的土体含水情况，边坡的含量在表层较低，深处较高。而路基的体积含水率是表层高，深部低。这与成孔时观察到的情况吻合。这些数据从侧面佐证了监测仪器的有效性。

图6 土体温度日变化图(2018年9月15日，边坡)

图7 土体体积含水率分布图(2017年11月5日)

选取2017年11月11日到2019年5月14日这段时间内的实测数据进行分析。这时间段包含了2年内明显的冻胀与融沉过程。实测路基内的冻胀量变化如图8所示。

路基中4号与6号冻胀计存在问题，为了便于对比分析，未列出其测量数据。其余4个冻胀计测得冻胀量较为接近，都在每年12月初冻胀开始发展，次年4月份冻胀完全消散。冻胀的发生时间和消散时间基本一致。同时，可以观察到2018年7月到8月的铁路路基平整工作对冻胀计偏差值产生的影响。第1次冻胀过程中，1号冻胀计测得的最大冻胀量为40 mm，其余3个测得的最大冻胀量都在35 mm左右。第2次冻胀过程中，1号和2号冻胀计测得的最大冻胀量为40 mm，3号冻胀计测得的最大冻胀量为37 mm，5号冻胀计测得的冻胀量为35 mm。考虑到冻胀计的埋设方式，该数据说明路基中的土层冻胀集中在0.4 m到1.6 m的范围内。1号冻胀计与2号冻胀计都包含所有的冻胀土层，但第1年测量值存在约5 mm的差异，这很可能是由于埋设过程对土层产生扰动引起的。

图8 路基冻胀量测量值

图9 边坡冻胀量测量值

实测的边坡冻胀量变化如图9所示。边坡中3号与6号冻胀计的测量值较预测情况偏大，其余4个冻胀计测量值较符合预期。同时，边坡中冻胀发生与回落的时间与路基中冻胀发生回落的时间基本吻合。可以发现，边坡上的冻胀量明显小于路基。这是因为路基顶部存在石砟层，对水分蒸发起到一定阻碍作用，导致路基顶部体积含水率高于边坡顶部，进而在冬季冻胀量较大。

路基中测得的体积含水率变化情况如图10所示。

图10 路基土体体积含水率测量值

B-TH-6号传感器在冻胀期间测得的含水率变化情况符合冻胀模型中“冬季顶部未冻水结冰，未冻水含量降低，春季融沉导致顶部未冻水含量集聚增加”的规律。由B-TH-6号冻胀计监测数据可以看出，冬季土体顶部未冻水含量下降，结合土体蒸发速率的经验公式[13]，可以推断此时土体顶部蒸发速率降低。此外，B-TH-6号传感器冬季测得最低未冻水含量为23.7%，对应温度为−2.4 ℃。基于土体内冰含量与未冻水含量的关系公式[14]，可以得到此时冰和水所折算的总含水率约为60%，远大于冻胀前的40%，考虑到土体顶部还有因冻胀生成的冰透镜体，土体顶部的水分含量应当更高。考察春季冻结融化后的含水率数据同样可以发现，B-TH-6号传感器测得的含水率出现了显著增加，测量值达到了55%，接近饱和状态，远大于冻胀前的40%。而在冻胀期间，测点所在的山丹地区总降水量为16 mm (数据来源：天气后报www.tianqihoubao. com)。使用本课题组建立的土体水热迁移模型对于降水的影响进行分析，土体初始体积含水率以及温度分布根据2017年11月11日路基内实测值进行选取，顶部降水根据气象网站上的降水日期，设定为对应时间内的狄利赫里边界条件进行模拟分析，并模拟了顶部无降水的情况以进行对比。根据模拟得到的结果，16 mm降水量带来的土体体积含水率增大量最大为1.4%。也就是说，去除降水的影响后，土体顶部依然存在明显的体积含水率增加。由此可见，冻胀开始后，水分从下向上迁移，土体顶部出现水分集聚现象。

路基中存在的这种水分迁移的现象，应该是因为“时变覆盖效应”的影响。“时变覆盖效应”的表现，与引言部分介绍的有道面覆盖的公路路基中的“覆盖效应”不尽相同。在路基浅层土体冻结之前，一般铁路路基表层并非完全不透水不透气，而是存在一定的蒸发量，表现为弱覆盖或不覆盖的特性。而当浅层因雨季降雨等而有一定残留水分时，冬季随冻结发展，路基表层蒸发量逐渐降低，由不覆盖逐渐变为弱覆盖，甚至强覆盖，进而促进路基内水分向上迁移。这种顶部透气透水条件随时间变化从而影响路基内水分迁移状况的现象，我们称之为“时变覆盖效应”。而路基内观测到的土体蒸发速率降低与顶部出现水分集聚现象，都佐证了测点处铁路路基内“时变覆盖效应”的存在。

由于目前对冻胀作用的机理还没有形成统一全面的认识，对“时变覆盖效应”的研究还有待进一步深入。本课题组此前针对“时变覆盖效应”进行了建模分析，已被《工程力学》杂志录用[15]。在兰新铁路武威段观测到的“时变覆盖效应”现象，对于“时变覆盖效应”的进一步研究分析具有重要参考价值。

图11 边坡体积含水率测量值

边坡中测得的含水率变化情况如图11所示。从图11中可以看出，边坡中1.0 m以下处体积含水率与路基中同深度处相比较，变化更为明显。0.1 m深与0.4 m深处的含水率变化符合冻胀模型中“冬季未冻水含量降低，春季融沉未冻水含量增加”的规律。

路基中测得的温度变化如图12所示。

图12 路基温度测量值

图12中，5号和6号传感器接近路基土体顶部，其温度低于0 ℃的时间段基本与路基中的冻胀发展时间一致。同时，由浅到深，可以观察到明显的温度改变的滞后现象，与理论模型中土体的温度变化规律相一致。

边坡中测得的温度变化如图13所示。

图13 边坡温度测量值

图13中，6号传感器测得的边坡顶部的温度变化与空气中的温度变化较为接近，顶部温度降到0 ℃以下的时间段与边坡上的冻胀发展时间基本相符。同样，由浅到深，可以观察到明显的温度改变的滞后现象。而且边坡上因为没有石砟层的覆盖保护，与路基中的温度相比，高温时温度更高，低温时温度更低。

从温度数据也可以看出，边坡冬季冻胀深度在1.0 m到1.6 m之间，路基中顶部存在石砟覆盖层，冻胀深度在0.6 m到1.0 m之间。测得的冻胀深度与规范中给出的1.4 m的标准冻深相吻合。

从总体的数据分析可以看出，土体中存在“时变覆盖效应”现象。随着冬季气温降低，土体冻结发展，路基表层蒸发量逐渐降低，由不覆盖逐渐变为弱覆盖，甚至强覆盖，进而促进路基内水分向上迁移。向上迁移的水分导致顶部冻胀进一步发展。这种“时变覆盖效应”导致的水分自下而上的迁移补充，是土体冻胀的主要原因之一。

3 结论

1) 在铁路路基中，冬季顶部水分逐渐冻结，进而形成冰透镜体，成为覆盖层。这一过程会改变顶部覆盖条件，导致路基顶部水分集聚，进而加大土体冻胀。这种顶部覆盖条件随时间变化的现象，称为“时变覆盖效应”。

2) 现场实测表明，“时变覆盖效应”可以导致高达40 mm的冻胀量，会产生明显的工程危害。

3) 与铁路边坡相比，铁路路基堤顶因石砟层的存在，本身顶部体积含水率更高，冬季冻胀量更大，受到“时变覆盖效应”的危害更为严重。

4) 路基中，春季融沉时，体积含水率会增大到接近饱和状态。边坡中则未观测到此现象。

“时变覆盖效应”会造成很大的工程危害，其现场实测涉及温度、湿度、冻胀量等多个物理量，土体的不均匀性还会对数据分析产生影响。本文通过现场实测，证明了铁路路基等不覆盖土体存在顶部蒸发边界条件变化的现象，并对“时变覆盖效应”下的土体内水分、温度、冻胀量变化数据进行了分析。对“时变覆盖效应”的有效防治措施，有待结合室内试验数据以及数值模拟模型进行进一步的研究分析。

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Measurement of frost heave process of a railway subgrade and analysis of “time-varying canopy effect”

TONG Rui1, SONG Erxiang1, ZHAO Zhihong1, YU Hongqin2, ZHANG Aitao2

(1. Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of the State Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Wuwei Works Section of China Railway Lanzhou Bureau Group Co., Ltd, Wuwei 733000, China)

Field measurements of frost heave process in Wuwei section of Lan-Xin Railway were carried out, including the variation of temperature, humidity and frost heave amount at different depths from autumn to winter and then to spring. Through the analysis of the measured data, the attempt was made to find out the water source of frost heave of Railway Subgrade in this arid and low water level area. The measured data and analysis show that the evaporation of water decreases due to the water content in the shallow part of the subgrade freeze before winter, and the upward migration of groundwater vapor cannot be neglected under the action of temperature gradient, which increases the frost heave in the shallow layer. In combination with the concept of “canopy effect” put forward by previous studies, the concept of “time-varying canopy effect” was put forward, which can explain the moisture migration and frost heaving in the subgrade under this environment.

railway subgrade; frost heave; field measurement; time-varying canopy effect; water content