重载铁路路基冻害的防治措施效果分析

2021-10-14张栋闫啸坤曾帅邓逆涛刘景宇张新冈

铁道建筑 2021年9期

张栋闫啸坤曾帅邓逆涛刘景宇张新冈

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081；2.国能运输技术研究院有限责任公司，北京100080

重载铁路路基的冻害会导致路基结构劣化，变形加剧，基床表层、支承层和轨道板相互脱离，严重威胁线路安全运营［1-5］。我国是世界第三冻土大国，季节性冻土和多年冻土分布面积达到720.6万km²，占国土面积的74.8%，因此重载铁路路基的冻胀病害及整治措施的研究越来越受到关注。国内外学者对冻胀理论的研究表明，必须同时满足3个条件才会发生冻胀：①具有冻胀敏感性土；②路基中含有一定的水分，或者地下水位较高；③外界空气温度低于冰点。因此，对冻胀病害的防治主要从冻胀形成条件入手。在改良土质方面，文献［6-7］发现相比于细颗粒填料，粗颗粒填料可明显降低路基冻胀。文献［8］通过热力耦合理论分析，得出青藏铁路多年冻土区路基排水渠道周围换填非冻胀土可使其稳定性显著提高。在控制水分方面，文献［9］阐明了应用土工膜缓解季冻区铁路路基冻胀的基本原理，并对其缓解路基冻胀的效果做了研究。文献［10］针对高寒区隧道衬砌冻害，提出了新型防水、排水措施。文献［11］分析了含水率对铁路路基冻害的影响，并优化了路基施工方式，有效降低了路基冻胀变形量。在控制温度方面，文献［12-13］分析了以保温板为基础的冻害防治措施的冻胀变形，验证了保温板+沥青混凝土路面+碎石路基组合结构在冻害整治方面的效果。文献［14-16］提出了铺设聚苯乙烯隔热层、掺加粗颗粒填料、提高填料的含盐量等方式，有效地解决了铁路路基冻害问题。

关于重载铁路路基防冻胀措施的研究主要集中于工程应用，在不同措施的防冻胀机理、适用条件和效果对比方面成果较少，还需做进一步研究。不断增长的交通运输量及运输实效性的需求，使得重载铁路路基的要求越来越高。本文以朔黄重载铁路路基冻害段为研究对象，开展单向冻结室内试验，研究应力释放孔的孔深、孔洞率和填充材料弹性模量对路基冻胀变形的影响；建立三维地下水动态渗流模型，分析井点降水法中抽水井布置间距对路基冻胀变形的影响；以冻胀缓解率为指标，对比应力释放孔和井点降水两种措施缓解路基冻胀的效果。研究成果可为今后重载铁路路基冻胀处理提供指导意见。

1 工程条件及填料分析

朔黄（朔州—黄骅）重载铁路为国家Ⅰ级干线双线电气化重载铁路，全长588 km，穿行通过季节性冻土区域，冻害现象严重，冻胀变形量在15～60 mm，呈现出很明显的不均匀性，严重威胁着行车的安全。选取其中某个冻害区域作为研究区域。

1.1 工程条件

研究区域属温带大陆性季风气候，冬季持续时间长且气温较低，平均气温-3.8～-2.1℃，1月份的平均气温最低。据调研，2017年1月的最冷气温约为-14.5℃，月平均气温为-10.5℃。

冻害段覆盖地层自上而下可分为4层，分别为粉土层、粉砂土层、粉质黏土层和泥质灰岩层。其中粉质黏土层的渗透系数较小，视为不透水层。研究区域的平均降雨量约为481.3 mm，呈现出明显的季节特征，主要表现为夏季降雨丰富集中，春秋冬三季降雨相对匮乏。勘察期间地下水位埋深为0.2～0.4 m。冬季过冷的温度和较高的地下水位导致该区域冻害严重。

1.2 填料特性

土样选取自研究区域路基基床的表层、底层以及基底位置，在实验室进行了颗粒分析试验、界限含水率试验、土粒相对密度试验、击实试验以及三轴试验五项基本特性试验。通过基本特性试验得出填料的含水率为18%，最大干密度为1.886 g/cm3，液限为25.2%，塑性指数为8，土粒相对密度为2.753，围压200 kPa、压实系数0.93条件下填料的弹性模量为11.423 MPa，填料属于低液限粉土。

2 应力释放孔缓解路基冻胀效果分析

土体冻胀过程中产生冻胀应力，若消散不及时，会导致路基面产生不均匀冻胀变形。在土体中设置应力释放孔，冻胀应力可以通过释放孔得到释放，避免路基产生冻胀变形。

2.1 试验介绍

试验采用单向冻结试验仪，包含有机玻璃试样筒、冷浴循环机、传感器、数据采集仪等，如图1所示。其中，试样筒规格为直径100 mm、高度150 mm，冷浴控温精度为±0.01℃，位移百分表精度为±0.01 mm。

图1 单向冻结试验仪

制备试验土样时，将土样分五层压实放入试样筒中压实，并在土样中心设置一定孔径的应力释放孔。应力释放孔内的填充材料预先在固定孔径的PVC管内制得，土样压实并制得应力释放孔后，将填充材料放入。橡胶颗粒目前广泛应用于公路工程中，结合沥青材料，具有良好的弹性性能、温度稳定性和抗老化性［17］。本文选取橡胶颗粒为填充材料的骨架材料，同时加入纤维材料与沥青混合增加材料间的黏结。填充材料的弹性模型通过调整各组分之间的配比进行控制。

制备的土样压实系数为0.93，初始含水率为20.7%，试验开始前将土样置于低温室内，在环境温度1℃条件下恒温稳定，排除外界环境温度对土样的干扰。由于冻害区域的冬季平均气温-3.8～-2.1℃，因此模型冷端（土样顶端）温度选取-3.0℃。冻结试验开始时，暖端（土样底端）温度保持不变，冷端温度设置为-3.0℃，72 h后试验停止。

2.2 结果分析

采用冻胀变形量和冻胀率评价分析土样的冻胀程度，其中冻胀率定义为冻结时间内冻胀变形量与冻结深度的比值。依据GB 50324—2014《冻土工程地质勘察规范》，冻胀率小于1%视为不冻胀，冻胀率大于1%小于3.5%视为弱冻胀，冻胀率大于3.5%小于6%视为冻胀。孔洞率为应力释放孔截面积与土样截面积的比值，即［（πr2）/（πR2）］×100%，其中r为孔洞的半径，R为土样的半径。

孔深100 mm、填充材料弹性模量3.0 MPa条件下土样冻胀变形量和冻胀率随孔洞率的变化曲线见图2。可得：①合理的应力释放孔布置可明显缓解冻胀。②冻胀变形量和冻胀率随孔洞率的增大而减小。③孔洞率越大，土样冻结过程中可收缩变形的空间越大。当孔洞率为1.5%～3.5%时，对土柱冻胀的缓解效果更为明显；当孔洞率高于3.3%后，土柱基本不发生冻胀。

图2 冻胀变形量和冻胀率随孔洞率变化曲线

孔洞率4.0%、填充材料弹性模量3.0 MPa条件下土样冻胀变形量和冻胀率随应力释放孔深度的变化曲线见图3。可得：冻胀变形量和冻胀率随孔深的增大先减小后增大。当孔深小于冻结深度时，随孔深的增大，冻胀缓解效果越来越好；当孔深大于冻结深度时，孔深的变化对冻胀缓解效果影响不大，说明将孔深控制在冻结深度左右能够最大效率地发挥应力释放孔的工作效能。

图3 冻胀变形量和冻胀率随应力释放孔深度变化曲线

孔洞率4.0%、孔深100 mm条件下土样冻胀变形量随填充材料弹性模量的变化曲线见图4。可得：随弹性模量的增加，冻胀变形量增大，增大速率呈现慢-快-慢的趋势。当弹性模量接近土样本身的弹性模量时，土样的冻胀变形较为明显，应力释放孔几乎没有缓解冻胀的效果；当弹性模量约为土样本身弹性模量的1/4～1/2时，缓解冻胀现象的效果比较明显。可见，较小的弹性模量可以明显缓解土样的冻胀变形。

图4 冻胀变形量随填充材料弹性模量变化曲线

3 井点降水法缓解路基冻胀效果分析

在地下水位较高、土体颗粒粒径较小的冻土地区，路基在聚冰作用与毛细作用联合作用下产生显著的冻胀，井点降水法可通过快速降低地下水位使土中毛细带降至路基冻结深度以下，避免地下水和毛细水对路基的影响，抑制路基冻胀。

3.1 模型建立

采用Visual MODFLOW Flex软件建立研究区域的地下水动态渗流模型，如图5所示。模型高度和地下水位高度采用相对高度，以模型底面为参考，高度定为0。模型长600 m，宽200 m，由上至下划分为四层，各层厚度和材料属性按照勘察结果进行构建，模型最高处高度为60.0 m，最低处高度为43.6 m。

图5 地下水动态渗流模型（单位：m）

抽水井采用潜水完整井，沿线路方向按一定间隔布置于路基侧沟外侧，距侧沟0.7 m，抽水速率为800 m3/d，如图6所示。沿线路方向的抽水井布置间距（以下简称布置间距）不同，会导致地下水降落曲线不同，进而产生不同的地下水位变化和路基冻胀缓解效果。依据GB 50202—2018《建筑地基基础工程施工质量验收规范》，井点降水系统布置时，间距为20～40 m。因此选取了21、24、27、30、33、36、39、42、45 m九个布置间距。

图6 模型中抽水井（单位：m）

利用地下水动态渗流模型计算出不同工况下的地下水位，并按照第1.2节中检测的填料属性建立水热力耦合模型，将地下水位数据导入耦合模型，计算出不同地下水位工况下的路基冻胀情况，分析井点降水法缓解路基冻胀的效果。

3.2 结果分析

选取研究区域冻胀严重位置开展地下水位观测，进而研究井点降水法的降水效果和缓解冻胀效果。地下水位随抽水时间的变化曲线见图7。可得：井点降水法中合理的抽水井布置可取得显著的降水效果；地下水位下降可分为急降、缓降和稳定三个过程；随着布置间距的减小，地下水位的下降高度和下降速率增大，且增大幅度增加。抽水结束后，布置间距24、30、36 m的地下水位分别下降了4.16、3.03、2.43 m。相比于布置间距24 m，布置间距30、36 m的地下水位下降高度分别减小了27.2%和41.6%。

图7 地下水位高度随抽水时间的变化曲线

路基冻胀变形量随布置间距的变化曲线见图8。可得：井点降水法中合理的抽水井布置间距可明显缓解路基冻胀；冻胀变形量随布置间距的增大而增大，增大速率呈慢-快-慢的特点。当布置间距小于24 m时，地下水位降低至安全高度，路基不发生冻胀；布置间距在24～33 m时缓解冻胀现象的效果比较明显；当布置间距继续增大至45 m时，路基冻胀较为明显，井点降水法对冻胀现象几乎没有缓解效果。