高原高寒地区高速铁路保温护道路基温度场的分布研究

2020-10-26李元强

甘肃科技纵横 2020年6期

李元强

摘要：高原高寒区分布着广泛的季节性冻土，冬期时该区段高速铁路路基通常会产生比较严重的冻胀病害，为了减小外界低温对路基土体的影响，通过在路基两侧边坡铺筑保温护道对内部土体进行保温。本文以兰新高速铁路为研究对象，调研了冻胀严重路段的冻胀情况，基于气温实测资料建立了温度场的边界条件，并运用ANSYS有限元软件，分析了不同护道高度对路基温度场分布的影响，研究了冬期路基沿断面横向和深度方向的温度变化特征。研究结果表明：保温护道对距离路基中心较远的路肩和护道下方的土体冻胀影响较明显，能够有效缩小路肩部位的冻结深度。研究成果对高速铁路路基冻胀的预防和整治具有一定的指导意义。

关键词：高速铁路;季节性冻土;路基冻胀;保温护道;温度场

中图分类号：[U24] 文献标识码：A

1.前言

季节性冻土相对多年冻土更不稳定，冬期土体冻胀变形，当天气回暖，土体又会发生不同程度的融沉现象，常年保持周期性的冻融循环作用。季节性冻土区的高速铁路尽管施工标准高，但难免在冻胀深度较大的条件下，路基表面仍会产生冻胀变形，引起无砟轨道结构的不平顺，严重情况下会对列车的运行安全产生威胁，增加线路的养护维修费用[1-6]。目前冻土路基主要采用保温的措施来防治冻胀，常见的包括保温护道法和保温板法。铺设保温護道不仅对路基填土起到保温作用，还能防止雨水通过边坡渗入路基土体[7-8]。

温度是路基冻胀的一个关键性因素，当土体温度降低到冰点以下时，内部的水分开始冻结，随着温度继续降低，未冻区的水分含量减少，路基的冻结深度增加[9-10]。因此，温度场的分布反映了土体中水分冻结分布特征，研究不同高度的保温护道对路基温度场影响，对整治路基冻胀病害有重要的指导意义。

2.路基温度场模型的建立

2.1 工程概况

兰新高速铁路门源至浩门区段处于典型的高原高寒地区，线路通过海拔2500m左右的祁连山地段，地层多为洪积粉土、圆砾土和卵石土，路基周围多为耕地。门源地区昼夜温差较大，冬期温度低，持续时间较长，并且受西南暖湿气流的影响，年平均降雨量较大，气候阴湿。祁连山夏季融雪水易在路基一侧形成积水，雨期降水会通过道床板伸缩缝、裂缝、边坡等渗入路基内部，由于路基两侧路基多为耕地，地下水位通常较高。以上地质、气象及水文条件都为该地区的路基冻胀提供了非常有利的条件[11-13]。

2.2 温度场模型

高速铁路线路在很长距离上保持相同断面，故可以视为线性土工构造物，在对路基温度场进行计算时，可以将其简化为平面问题处理。根据兰新高速铁路路基设计图纸和现场勘察资料，路基温度场模型横断面具体尺寸和土质情况如图1所示。

所建路基模型为路堤形式，并对道床板及封闭层结构进行了简化;路基基床表层填料为级配碎石、基床中下层为A、B组合填料;保温护道宽度为2m，填料与路基材料相同;地基沿地表向下取10m，表面为1.5m厚的粉土，下部为8.5m厚的圆砾土。

根据相关参考文献[11-13]，所建路基温度场模型分别在冻结和融化状态下的热分析参数见表1。

2.3 热边界条件

尽管路基表面所受到的外界温度条件较为复杂，但主要以热学中的第一类边界条件为主。根据路基的部位又分为上边界条件、左右边界条件和下边界条件，不考虑路线两侧外界温度的差异。通过对2018年10月至2019年10月门源地区路基周围的气温监测，收集的平均温度通过处理得到的拟合曲线见图2。

根据气温实测数据和附面层原理[14-15]，可得到路基温度场的上边界条件表达式为

（1）

式中：T0为该地区的年平均温度，取1.1℃;

R0为气温年增长量，取0.03℃/a;

A0为附面层底的年地温振幅，取15℃;

为初相位置，取 ;

ΔT为附面层的温度增量，取3℃。

由于地基左右边界距路基边坡有20m的距离，两侧温度变化对路基温度场的影响几乎可以忽略，故取左右边界的温度梯度为零。下边界条件可参考相关文献，门源地区地层温度在天然地表以下10m范围达到了稳定，维持在为10℃。

3.数值模拟结果分析

为了对比不同护道高度对路基温度场的影响，本文分别建立了护道高度为0m、1.5m、4.5m和5m的模型。通过对模型整个冬期的温度场计算，路基不同部位的土体的最大冻深均出现在3月份，图3为2018年3月份时路基不同保温护道高度条件下的温度场分布情况。

由图3可以看出，不同工况下的路基温度场分布大致相同，等温线在路基处向上拱起，呈现出正弦形式，路基表面的温度低于天然地表温度。路基及天然地表由表面向下一定深度的温度梯度比较大，底部的温度比较稳定，沿深度方向变化微小。为了说明护道高度对路基温度场的影响情况，将不同护道高度下路基不同部位的土体冻结深度列出，见表2。

从表2可知，在相同护道高度下，护道处的冻结深度最大，在护道高度5m时达到了3.47m;也反映出路基横向距离路基中心处越远，该部位处冻结深度越大。随着路基保温护道的增高，路基中心处的温度分布基本相同，冻结深度变化较小，可认为护道高度变化对路基中心温度场基本无影响;路肩部位受到护道的保温效果较明显，土体的冻结深度由无护道时的3.15m减小到5m护道下的2.60m，约占不同路基冻深的17.5%;然而并非随着护道高度增加，路基中心两侧的冻结深度就保持减小，计算结果显示，护道处的冻结深度在4.5m处达到了达到了最小，随着护道高度继续增加，冻结深度出现了增长现象。

4 结语

通过处理冻胀地区的气温监测数据确定了路基温度场的边界条件，并运用有限元方法建立了不同护道高度的路基模型，对温度场结果进行了分析，主要研究结论如下：

（1）路基内的等温线呈现出正弦形式，路基表面及天然地表在一定深度范围的温度梯度变化剧烈，地基底部的温度比较稳定。

（2）在护道高度相同时，距离路基中心较远的部位冻结深度相对较大，即护道处的冻结深度相对路基中心和路肩处的冻结深度较大。

（3）伴随着护道高度的增加，路肩部位的冻结深度逐渐减小，对路基中心处的温度影响较小，考虑护道处冻结深度在高度达到4.5m以后，出现了增长，工程中可取路基护道最佳高度为4.5m。

参考文献

[1] 张先军.哈大高速铁路路基冻胀规律及影响因素分析[J].铁道标准设计，2013（07）：8-12.

[2] 史宏章，于春海，楊有海.兰新铁路冻害原因分析及整治措施[J].路基工程，2010（06）：202- 204.

[3] 石刚强，张先军.严寒地区客运专线路基冻胀影响因素及防治技术[J].铁道建筑，2011（06）：93-95.

[4] 江涛.季节性冻土路基的冻胀机理及其防治措施[J].土工基础，2013，27（02）：93-96.

[5] 张玉芝，杜彦良，孙宝臣.季节性冻土地区高速铁路路基冻融变形规律研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2014（012）：2546-2553.

[6] 倪铁山. 季冻区铁路路基冻害原因分析与整治措施研究[D].吉林大学，2009.