严寒地区高速铁路混凝土基床聚氨酯保温特性试验研究

孙英潮

(黑龙江铁路发展集团有限公司， 哈尔滨 150050)

从介观角度分析，季节性冻土是地基土体中的孔隙水受大气热交换作用产生分凝势，导致孔隙水发生相变形成冻结峰面，并且伴随着冻结峰面的涨落过程中土骨架发生膨胀与收缩，最终导致地基土体宏观的冻胀和融沉等病害[1-3]。此种病害在季节性冻土区路基工程中最为常见，是路基翻浆冒泥等病害现象的源泉[4-5]。虽然高速铁路路基普遍采用灰土垫层阻断地下水上升，降低孔隙水分凝势，同时采用粗集料等非冻胀性材料换填路基本体，避免路基冻胀[6-7]。但是来自路基表面与大气热交换作用却是无法避免的，为此高速铁路路基基床采用了各种保温措施[8-9]。

郭超等[10]、Zhang等[11]应用数值模拟分析方法，针对在严寒地区典型天气条件下，高速铁路CRTSⅡ型无砟轨道板、预应力混凝土路面的温度特性，及由温度梯度导致的板端翘曲、结构层间离缝、道床开裂等温度作用病害形成机理进行研究。邰博文等[12]基于对寒区哈(哈尔滨)齐(齐齐哈尔)铁路客运专线泰康试验段路堤的地温与变形监测资料分析，研究了严寒地区路堤阴阳面的地温和变形差异。盛煜等[13]、宋景振等[14]通过对青藏铁路北麓河试验段的地温监测，分析了路基阴阳坡面热状况的差异。丑亚玲等[15]基于青康公路现场地温与变形监测资料，研究了路堤内阴阳坡温度场差异及其对冻土路堤变形与稳定性的影响。马巍等[16]基于现场监测资料，对青藏铁路建设中采用的主动保护冻土的几种路基形式进行了地温和变形分析，发现所有路基的变形均以沉降变形为主，且其变形与其下伏冻土的地温场变化密切相关。温智等[17]基于青藏公路唐南段和青康公路K369段路基地温和变形的现场监测资料，总结出了退化性多年冻土地区路基的两类典型变形——横向不均匀变形和横向均匀变形，并分析了路基地温、变形特征及其相互关系。俞祁浩等[18]、Zhi等[19]认为路基变形和多年冻土人为上限的下降有直接关系。进而，基于室内外试验的研究成果，邰博文等[20]建立了预测多年冻土区路基长期变形的水热力耦合数值模型。

综上所述，中外已开展了大量的多年冻土区路基温度场和变形场差异的研究工作，但对严寒区季节性冻土区客运专线路基基床温度场差异分析的研究颇少，这是因为中国寒区高速铁路刚刚起步，缺乏现场第一手的数据资料。季冻区京沈铁路客运专线采用不同厚度的聚氨酯混凝土基床保温材料进行试验保护季冻土路基基床。京沈客运专线路基修建之后，在朝阳试验段布设详细的地温监测断面，研究了防冻胀措施减小基床温度差异的有效性。

1 试验段工程概况

混凝土基床作为客运专线高速铁路轨道结构的重要持力构件，在温度影响下产生的变形会对行车平顺性和舒适性有影响，当变形得不到控制时甚至影响铁路安全，所以温差变化巨大的严寒区混凝土基床的温差变形不可忽略。因此，为了了解和掌握混凝土基床温度变形规律，优化设计参数，调整其变形幅值和时间，为类似工程设计、施工提供指导，为铁路舒适运营提供保证，开展相关研究工作很有必要。

该试验段位于辽宁省朝阳北站附近，地形平坦，试验工点气温年最低气温为-25.1 ℃，天然地面最大季节冻土深度135 cm，属典型的季节性冻土地段。试验段长300 m，走向为近南北向，不存在明显阴阳坡。试验路路基为标准双线路基路肩宽13.6 m，两侧回填2.5 m宽防冻胀保温护道，路基结构由上至下依次为0.5 m的C35混凝土道床，0.85 m的C25混凝土垫层，0.9 m的级配碎石参5%水泥的基层，0.25 m三七灰土垫层。地下水埋深4.20～4.40 m，水位季节性变幅约2.0 m。

试验段设3个地温监测段落，每个监测段落含5块混凝土基床，在中间位置的混凝土基床布设监测仪器，一组对角点及中心点共3个点保温层上表面布设温度传感器，在路基表面以下根据混凝土基床厚度间距0.2 m布设温度传感器。各监测段中间位置的混凝土基床布设一条静力水准仪测线，每条测线在基床外CPⅢ点处设基准点，5个测点分别在基床边缘角点、中点及中心点，图1为路基监测仪器布置示意图。

图1 保温试验段监测仪器铺设示意图

2 保温措施效果

2.1 保温措施布置方案

选取京沈客运专线300 m路基混凝土基床范围进行保温措施对比分析段落，其中200 m采用基床保温措施，100 m作为无保温措施的对比段落，具体试验方案见表1。保温措施采用气凝胶毡，聚氨酯两种材料进行试验。聚氨酯材料厚度分别采用5 cm、3 cm，每段长度50 m，分别在线间及两侧路肩铺设。线间混凝土基床裸露表面全部铺设，路肩铺设范围为底座板边缘处至电缆槽内侧边缘处。

表1 地温监测方案

为确保保温层铺设后线路运行安全，保温层上部采用混凝土预制砖块压实保温层，保温层下部铺设碎石垫层，施工现场如图2所示。

图2 保温板施工断面图

2.2 地温监测结果

每日地温监测数据取一天中气温最低的时段5:00—7:00监测值进行长期数据分析。

2.2.1 无保温措施

DK414+415路堤段混凝土基床厚度为1.5 m，未采用任何保温措施。

由图3线间地温监测结果可知，地基最大冻深约为1.7 m，出现在2月中下旬。混凝土基床表面与底面最大负温差出现在1月中下旬，为-15 ℃，3月中旬后混凝土基床表面开始为正温，混凝土表面与底面最大正温差出现在6月中下旬，为11.5 ℃。

图3 无保温措施路堤段(线间)地温时程曲线图

图4 无保温措施路堤段(阳坡)地温时程曲线图

由图4阳坡地温监测结果可知，最大冻深约为1.3 m，出现在2月中下旬。混凝土表面与底面最大负温差出现在1月中下旬，为-13 ℃，3月中旬后混凝土基床表面开始为正温，混凝土表面与底面最大正温差出现在6月上旬，为10 ℃。

由图5阴坡地温监测结果可知，最大冻深约为1.9 m，出现在2月中下旬。混凝土表面与底面最大负温差出现在1月中下旬，为-17.3 ℃，3月中旬后混凝土基床表面开始为正温，混凝土表面与底面最大正温差出现在6月上旬，为9 ℃。

图5 无保温措施路堤段(阴坡)地温时程曲线图

该处路堤受日照影响明显，阴阳坡最大冻深出现时间基本都在2月下旬，但冻结深度相差了0.6 m，而且混凝土基床表面与底面的温度差也有所区别，阳坡面负温差较小(-13 ℃)正温差较大(10 ℃)，阴坡面负温差较大(-17 ℃)，而正温差较小(9 ℃)。

2.2.2 5 cm聚氨酯保温板

DK414+365路堤段混凝土基床厚度为1.5 m，采用5 cm聚氨酯保温板覆盖措施。

图6 5 cm保温板覆盖路堤段(线间)地温时程曲线图

由图6线间地温监测结果可知，保温板上表面温度与混凝土基床上表面温度有明显差异，说明保温板隔热效果良好，铺设2个月后，在1月中旬混凝土基床表面才开始出现负温，保温层上、下表面在1月下旬出现最大可达-24 ℃负温差。基床最大冻深约为0.7 m，出现在2月中下旬。混凝土表面与底面最大负温差出现在1月中下旬，为-6 ℃，3月中旬后混凝土基床表面开始为正温，混凝土表面与底面最大正温差出现在6月中下旬，为6 ℃。

阳坡地温由于传感器故障，缺失了1—4月的数据，因此未列出。

由图7阴坡地温监测结果可知，由于保温层上部覆盖了混凝土砖块，外界环境温度与保温层上表面温度有些许差异，但并不明显其变化趋势基本相同。而由于保温隔热效果，保温层上表面与混凝土基床上表面温度有显著差异，受铺设时间与阴面日照较少的影响，保温层铺设1个月后混凝土基床上表面已在0 ℃左右，保温层上下表面在1月下旬出现最大负温差，可达-14 ℃。基床最大冻深出现在2月中下旬，达到1.1 m。

图7 5 cm保温板覆盖路堤段(阴坡)地温时程曲线图

混凝土表面与底面最大负温差出现在1月中下旬，为-7.2 ℃，3月中旬后混凝土基床表面开始为正温，混凝土表面与底面最大正温差出现在6月上旬，为7 ℃。

由以上监测结果可知：该处路堤在覆盖5 cm保温板后，由于保温隔热作用热交换明显降低，最大冻结深度较未铺设保温措施的相邻断面减少了约1.0 m。虽然铺设了保温层，但仍受到了日照影响，阴坡与线间位置最大冻深出现时间基本都在2月下旬，但冻结深度相差了0.4 m，但混凝土基床表面与底面的温度差区别较小，线间负温差(-6 ℃)正温差(6 ℃)与阴坡面负温差(-7 ℃)正温差(7 ℃)区别不大。

2.2.3 3 cm聚氨酯板保温措施

DK414+315为路堤段，混凝土基床厚度为1.5 m，采用3 cm聚氨酯保温板覆盖措施。图8为线间地温监测结果，由图可见，保温板上表面温度与混凝土基床上表面温度有明显差异，在混凝土基床表面覆盖保温板较好的隔绝了外部冷量的进入，铺设一个半月后，在1月1日混凝土基床表面才开始出现负温，保温层上下表面在1月下旬出现最大负温差，可达-21 ℃。基床最大冻深约为1.1 m，出现在2月中下旬。

图8 3 cm保温板覆盖路堤段(线间)地温时程曲线图

混凝土表面与底面最大负温差出现在1月中下旬，为-7 ℃，3月中旬后混凝土基床表面开始为正温，混凝土表面与底面最大正温差出现在6月中下旬，为7 ℃。

图9为阳坡地温监测结果，由于保温隔热效果，且受日照较多，铺设55 d后，在1月10日混凝土基床表面才开始出现负温，保温层上下表面在1月下旬出现最大负温差，可达-23 ℃。基床最大冻深约为0.7 m，出现在2月中下旬。

混凝土表面与底面最大负温差出现在1月中下旬，为-6 ℃，3月中旬后混凝土基床表面开始为正温，混凝土表面与底面最大正温差出现在6月中下旬，为7 ℃。

图9 3 cm保温板覆盖路堤段(阳坡)地温时程曲线图

图10为阴坡地温监测结果，由于保温层上部覆盖了混凝土砖块，外界环境温度与保温层上表面温度有些许差异，但并不明显其变化趋势基本相同。而由于保温隔热效果，保温层上表面与混凝土基床上表面温度有显著差异，受铺设时间与阴面日照较少的影响，在铺设保温层25 d后混凝土基床上表面已在0 ℃左右，保温层上下表面在1月下旬出现最大负温差，可达-21 ℃。基床最大冻深出现在2月中下旬，达到1.5 m。

图10 3 cm保温板覆盖路堤段(阴坡)地温时程曲线图

混凝土表面与底面最大负温差出现在1月中下旬，为-8 ℃，3月中旬后混凝土基床表面开始为正温，混凝土表面与底面最大正温差出现在6月上旬，为8 ℃。

该处路堤在覆盖3 cm保温板后，外界冷量进入有所降低，最大冻结深度较未铺设保温措施的相邻断面减少了约0.5 m左右。铺设了保温层后仍受到了日照影响，阴坡与线间位置最大冻深出现时间基本都在2月下旬，但冻结深度相差了0.8 m，但混凝土基床表面与底面的温度差区别较小，线间负温差(-7 ℃)正温差(7 ℃)与阴坡面负温差(-8 ℃)正温差(8 ℃)区别不大。

3 结论与建议

1)未铺设保温措施时，路堤背阴面混凝土基床上下表面最大负温差可达-17 ℃，正温差可达 9 ℃，而铺设保温板后，延滞了外界冷量进入混凝土基床的时间，有效缩小了基床上下表面的温度差，铺设5 cm厚聚氨酯保温板路堤背阴面混凝土基床上下表面最大负温差缩小至-7 ℃，正温差为7 ℃。

2)几种措施最大冻深出现时间均在2月中下旬，未铺设保温措施时，路堤最大冻结深度可达 1.9 m，而铺设5 cm厚聚氨酯保温板路堤背阴面最大冻深减少至1.1 m，保温效果明显。

3)日照对路堤不同位置冻结深度与基床上下表面最大温差都有一定影响，无论是否铺设保温措施，向阳面最大冻深均较浅，且基床上下表面最大温差绝对值较小，背阴面最大冻深较深，而基床上下表面最大温差绝对值较大。