季节性冻土区铁路路基含水率变化特征研究

王 兴 赵相卿 贾海峰 李 舟 梁恒祥

(1.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730070； 2.青海省冻土与环境工程重点实验室，格尔木 816000)

季节性冻土区路基冻害一直是困扰道路工程建设和运营的核心问题[1-4]，其主要原因是冻胀作用[5]。关于路基土的冻胀问题，有学者提出冻土水分迁移假说，将毛细管的作用导致水分迁移与土体冻胀相联系，认为土体冻胀的关键因素是水分迁移[5-6]。还有研究表明，路基填料中细颗粒含量和黏土矿物对冻胀有着至关重要的影响[7-10]。另外，针对季节性冻土区铁路冻害已有多种工程措施，如注浆、铺盐、换填、土工膜封闭和疏干排水孔等[11-13]，但是对于路基含水率变化特征对冻结深度影响的理论研究相对较少。

对既有铁路路基采用“隔一挖一”、“隔三挖一”换填级配碎石等工程整治措施，可以减少土中细颗粒的比例，有效降低路基的冻胀量，同时提高路基的承载力；设置横向渗沟，可有效降低路基含水率，从而减少路基的冻胀量。通过研究兰新铁路西段路基冻融过程含水率的变化趋势，分析季节性冻土区不同工程措施下路基冻融循环中含水率的变化，探究季节性冻土区铁路路基冻结深度、冻胀变形与含水率的变化规律，可为整治季节性冻土区铁路路基冻害措施提供理论依据。

1 工程概况

兰新铁路西段东起乌西站，西至阿拉山口，是连接乌鲁木齐、石河子、奎屯、精河经济区各城市的交通要道，也是我国西北铁路网的重要组成部分，对整个新疆地区的经济发展具有巨大的推动作用。

兰新铁路西段修建于20世纪80年代，路基填料大多采用粉质黏土(强冻胀)填筑，由于地处季节性冻土区，投入运营以来，路涵(桥)过渡段和一些低填方路基地段出现了严重的冻害，路基冻害及反复冻融导致路基强度降低，严重影响线路正常运营。受列车动荷载和降水的影响，局部地段路基沉降病害加剧，导致轨道结构状态恶化，危及行车安全。

1.1 气候特征

兰新铁路西段气候类型属于温带大陆性干旱气候，冬季漫长寒冷。兰新铁路西段气温变化如图1所示，从1图可以看出，最低气温出现在1月中旬，最高气温出现在7月中旬。 从负温持续时间上来看，日最低温度为负值始于每年的11月，终至来年3月底。2016.12～2017.12负温天数达到159 d，从日最低负积温上看，气温负积温达-1 554～-1 790 ℃·d。

图1 兰新铁路西段气象资料(2016.12—2017.12)

1.2 工程地质特征

兰新线西段地处亚欧大陆腹地的准噶尔内陆盆地西南缘，天山北麓洪积、冲积倾斜平原的中部和上部地带，其地表土层以粉质黏土为主，夹杂少量砾石，厚度大多在2～20 m，局部厚度小于1.0 m[14]。在路基冻害严重区段，取代表性土样进行物理力学试验，土体物理参数如表1所示。

表1 典型工点土样物理参数

路基是否发生冻胀主要取决于路基填料的粒径组成和矿物成分。兰新线既有路基填料多为就地取材，以粉质黏土为主，粉质黏土颗粒粒径小，多呈片状，比表面积大，亲水性强[15]。因此，在冬季容易发生冻胀变形导致的路基沉降，进而影响行车安全。

2 路基病害试验

2.1 试验方案

为了研究兰新铁路西段病害严重区段不同工程措施下路基含水率的变化与冻结深度的影响规律，选取里程K2011+000～K2011+100(工点A)、里程K2011+600～K2011+700(工点B)、里程K2012+200～K2011+300(工点C)，分别采取不同工程措施进行比较：①工点A不采取工程措施；②工点B每隔三孔轨枕盒开挖一个横向渗沟，渗沟采用碎石土夯填，渗沟底部铺设土工布，内侧轨枕头位置挖至路基面下80 cm，简称“隔三挖一”，如图2所示；③工点C每隔一个孔轨枕盒开挖一个横向渗沟，渗沟采用碎石土夯填，渗沟底部铺设土工布，简称“隔一挖一”，如图3所示。

图2 工点B“隔三挖一”工程措施(单位：cm)

图3 工点C“隔一挖一”工程措施(单位：cm)

2.2 测试元件布设

监测断面示意如图4所示，水分传感器测得的土壤湿度为土体中液态水的体积含水率。湿度测试范围为 0～100%，测试精度为±2%，工作环境为-30 ℃～70 ℃，每12 h记录一次。现场布设如图5所示。

图4 监测断面示意(单位：cm)

图5 水分探头现场布设

3 试验结果分析

3.1 路基的含水率分析

路基试验段施工开始于2016年11月初，结束于11月底，12月3号开始采集数据。各工点含水率变化如图6～图8所示。受兰新铁路线路走向及周边地形与农田灌溉的影响，工点A、B、C不同位置初始含水率略有差异。

图6 未设置工程措施路基含水率

图7 “隔三挖一”工程措施含水率变化

图8 “隔一挖一”工程措施含水率变化

从图6可以看出，工点A路基0.2 m处含水率在2016年12月～2017年2月呈先增大后减小的趋势，这是因为在挖孔埋设水分探头之后，回填填料中掺杂地表积雪，以及回填与周边土体密实度存在差异，积雪融化下渗导致该处含水率值偏大。自2月起，含水率从16%增大到25%，之后开始逐渐下降。原因为寒季(10月～次年4月)外界温度和地温均较低，且降水呈固态形式；暖季(4月～9月)环境温度逐渐升高，地表积雪融化以及降雨下渗导致含水率增大。6月～10月太阳辐射强，地表蒸发作用剧烈，含水率变化幅度大。

受施工和降雪融化入渗的影响，路基0.4 m处含水率逐渐增大。随着寒季环境温度的降低，路基内部水分开始冻结，含水率急剧下降。2月到7月，随着气温的回升，地表积雪融化下渗， 0.4 m处含水率急剧增大，从15%上升到42%；7月开始，受太阳辐射影响，地表蒸发作用强烈，0.2 m处含水率迅速减小， 而0.4 m处影响相对较小，加之此时降雨增多，故含水率变化不大。路基深度0.6 m处含水率在寒季变化最为明显，从27%下降到15%。原因是寒季路基0.6 m处液态水大量冻结，冻结锋面逐渐下移。与此同时，更深土层对温度敏感的滞后性，当0.6 m处开始冻结时，下部土体温度还大于0 ℃，路基0.6 m深度以下的自由水在温度梯度和土水势的作用下向冻结锋面附近不断迁移，从而导致0.8 m和1.0 m处含水率逐渐增大。次年2月中旬，0.6 m深度处含水率达到最低值，此时该位置已全部冻结。与此同时，0.8 m处含水率也逐渐降低并开始冻结。暖季气温逐渐升高，路基冻土融化和地表积雪融化的水在重力作用下下移，当某一深度范围内的土体含水率达到自身持水能力上限时，该处含水率保持不变，多余的水分继续下移，这就是路基1.0 m和1.3 m处4月至10月含水率发生变化的原因。路基深度1.3 m和1.6 m深度一个冻融循环内含水率基本保持不变。

从整体上看，寒季路基0.2 m、0.4 m、0.6 m和0.8 m深度范围内的含水率变化较大，其中0.6 m处含水率变化最大(降低了12%)，0.4 m和0.8 m处的含水率减少了7%和3%。1.6 m处含水率几乎不受环境变化影响。从一个冻融循环来看，2017年12月路基的含水率较2016年12月均有不同程度增加，增加2.3%～5.3%。

工点B路基不同深度含水率变化如图7所示，受施工影响，路基自12月28号重新开始冻结，对于路基内部土体，其温度敏感性随土层深度增加逐渐减小，含水率变化存在明显的滞后特征：0.2 m处含水率于12月28日开始变化，0.4 m和0.6 m深度含水率分别于1月3日、1月15后开始降低。1月3日～1月17日0.4 m深度处含水率从45%迅速减少到30%。0.6m处含水率从25%降低到20%，减少了5%。0.8 m、1.0 m、1.3 m、1.6 m和1.9 m处的含水率在整个寒季基本保持不变。暖季路基自上而下开始解冻，同时地表积雪融化，路基0.2 m、0.4 m处含水率在3月底迅速上升，至4月上旬达到最大。路基0.6 m处含水率增加幅度较小，自3月底到5月中旬达到最大。路基0.8 m处含水率到5月初才开始变化。

从整体上看，寒季路基0.2 m、0.4 m和0.6 m深度范围内的含水率变化较大，其中，0.4 m处含水率变化最大，降低了17%；0.6 m和0.8 m处的含水率减少了5%和12%，含水率受温度影响变化的最大位置和最大深度分别位于在路基0.4 m和0.6 m处。2017年12月路基的含水率与2016年12月持平。

相较于工点A，工点B路基0.2 m、0.4 m和0.6 m处含水率受温度影响较明显。当环境温度开始上升时，工点A路基 0.2 m、0.4 m和0.6 m处含水率的从开始变化到达到最大值大约持续了45 d，而工点B持续了30 d，同时含水率-时间变化曲线斜率较大，含水率增加较快。

工点C路基含水率变化如图8所示，从图8可以看出，12月初～3月底，路基0.2 m、0.4 m和0.6 m处含水率的变化最为明显，其中0.2 m处含水率减少了10%，0.4 m和0.6 m处含水率分别减少了20%、17%。而0.8 m处的含水率在2月至3月间出现了小幅增加。5月～10月，路基0.8 m、1.0 m、1.3 m、1.6 m和1.9 m处的含水率均逐渐减小，降低幅度约5%。采取的工程措施：每隔一个轨枕盒开挖一个横向渗沟，渗沟采用碎石夯填，渗沟底部设倾角，铺设土工布，减少了路基填料中细颗粒的比例，粗颗粒的粒间空隙大，自由水在列车荷载的作用下可以有效排出路基内部水分。

相较于工点B，工点C路基0.2 m、0.4 m和0.6 m处含水率受温度影响更加明显。当环境温度开始上升，路基 0.2 m、0.4 m和0.6 m含水率的增长更加迅速。

整体上看，寒季路基含水率受温度影响变化的最大位置和最大深度分别位于路基0.4 m和0.6 m处。

3.2 路基的变形分析

路基的病害整治的目的是消除不均匀变形，保证线路的平顺性。在进行含水率监测的同时，对路基变形也进行了监测，路基的变形曲线如图9所示。

图9 路基的冻胀变形过程

从图9可以看出，不同的工程措施对路基的冻胀变形影响差异较大，与未设置工程措施相比，“隔一挖一”、“隔三挖一”工程措施可以有效减少路基的冻胀变形。未设置工程措施的路基冻胀量最大为20.1 mm，“隔三挖一”工程措施的冻胀量最大为9.0 mm，“隔一挖一”工程措施的冻胀量最大为5.2 mm。

4 结论

(1)在未设置工程措施的工点A，寒季路基0.2 m、0.4 m、0.6 m和0.8 m深度处的含水率变化较大，其中受温度影响变化的最大位置在路基深度0.6 m处，最大深度在路基深度0.8 m处；受温度影响，暖季含水率最大的位置在路基深度0.6 m处，最大深度在路基深度1.0 m处(一年的含水率变化在2%以内)。一个冻融循环结束后，整体含水率呈上升趋势，增加了2.3%～5.3%。

(2)在“隔三挖一”工程措施的工点B，寒季0.4 m处含水率变化最大(减少了20%)，含水率受温度影响变化量最大位置和最大深度分别位于路基0.4 m和0.6 m处。经过一个冻融循环，整体含水率基本保持不变，与未设置工程措施的工点A 比较，“隔三挖一”的工程措施可以降低路基含水率。

(3)在“隔一挖一”工程措施的工点C，寒季0.4 m处含水率降低了15%，含水率受温度影响变化的最大位置和最大深度分别位于在路基0.4 m和0.6 m处。经过一个冻融循环，整体含水率有所下降，减小了5%左右，故“隔一挖一”的工程措施降低路基含水率的效果最优。

(4)综合分析三处工点含水率受温度影响变化量最大位置和最大深度，兰新铁路路基病害整治措施应着重关注路基0.8 m以上路基本体的颗粒组成和含水率。与未设置工程措施相比，“隔一挖一”、“隔三挖一”工程措施可以有效减少路基的冻胀变形。 “隔三挖一”工程措施的冻胀量减少约50%，“隔一挖一”工程措施的冻胀量减少约75%。