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高寒冻融区高速铁路路堑工程温度场特性分析

2021-10-14亓守臣

铁道建筑 2021年9期
关键词:路堑基床冻土

亓守臣

中铁十四局集团有限公司,济南250101

每年季节性冻土经历的冻融循环作用将引起路基内部水分场、温度场和位移场的变化和重分布,导致路基承载力下降,产生冻胀融沉、翻浆冒泥、基床土体松散、局部沉陷等病害。这些病害将严重影响行车质量,甚至威胁行车安全。国内自20世纪50年代末开始研究季节性冻土的冻胀,经过半个多世纪,在冻胀量、冻胀机理等方面取得了很大进展,得出了季节性冻土标准冻结深度的确定方法[1],提出了季节性冻土的工程分类方法[2-5],探索了冻胀量沿冻结深度的分布。叶阳升等[6]对铁路路基填料防冻胀特性进行了全面的研究,建议在冻土区设置路基防冻层,并提出了防冻层填料细粒土含量的限值。上述研究大多是针对季节性冻土区普通铁路的。普通铁路行车速度慢,对变形限值较宽松,发生冻害时可以利用行车间隔进行维修养护。但是,目前我国高速铁路进入跨越式发展阶段,对路基的沉降变形限制非常严格,要求路基工后沉降不超过15 mm,过渡段沉降差不大于5 mm,纵向不平顺不大于1/1 000,轨道高低不平顺不超过2 mm(20 m弦长)。

在季节性冻土区,除了工后沉降的影响,季节性冻土的冻胀变形也对高速行驶的列车形成威胁。聂志红等[7]通过室内试验研究了细颗粒含量、孔隙率和含水率对级配碎石冻胀的影响规律,得出三者对级配碎石冻胀影响程度的大小关系为:细颗粒含量<孔隙率<含水率。邰博文等[8-11]通过现场原位试验揭示了寒区高速铁路路基中的温度、含水率与冻胀变形随时空演变的内在机理。田亚护等[12]采用有限元方法对季节性冻土区既有铁路和新建客运专线无砟轨道路基设置隔热层后的路基温度场进行了对比分析,认为新建路基在路面铺设保温隔热材料后保温效果良好。赵国堂[13]将轨道不平顺和无砟轨道结构伤损控制所对应的冻胀波长与峰值结合起来,提出了寒区高速铁路无砟轨道路基冻胀管理标准的确定方法。

上述研究主要是针对季节性冻土区普通铁路、高速铁路路基产生冻胀的影响因素和冻胀变化规律的研究,但关于深季节性冻土区高速铁路路堑工程温度场演变特性的研究成果较少。因此,本文依托我国首条高寒深季节性冻土区牡丹江—佳木斯高速铁路工程,深入研究寒区高速铁路路堑工程的温度场,为确保寒区高速铁路的长期安全运营提供技术支持。

1 试验设置

为了研究高寒深季节性冻土区级配碎石和粗粒土作为基床填料时路堑工程温度场的变化特性,选取高寒冻土区牡佳高速铁路桦南段DK234+200(1#)和DK234+250(2#)为典型路堑试验断面,监测仪器布置如图1所示。

图1 典型路堑试验段断面监测仪器布置示意

牡佳高速铁路桦南段典型路堑工程温度场动态测试系统由5个8.5 m长的热敏电阻串(图1中蓝色线所示)组成,用于监控路堑断面不同位置的温度,热敏电阻的精度为±0.05℃。热敏电阻串分别放置在8.5 m长的钢管内,以防止水侵蚀失效。根据钻探资料,沿线天然地面的最大季节冻结深度为2.3 m。所有监测数据均使用全自动数据采集仪收集,每月读取10次。为保证数据的可靠性,数据采集系统放置在40 cm×40 cm×60 cm特制钢箱内,由太阳能供电装置持续供电。

2 试验分析

2.1 冻融过程分析

两个试验断面的路堑中心(级配碎石和粗粒土)和天然坡顶(粉土)冻结深度随时间和空间的变化曲线见图2。可知:路堑中心的初始冻结时间和初始融化时间均晚于天然坡顶的初始冻结时间和融化时间。造成这种差异的主要原因是:①路堑填料的颗粒粒径大于天然坡顶粉土,导热系数比天然坡顶粉土的大,导致路堑的冻结深度大于天然坡顶;②根据现场钻孔资料可知,路堑填料的初始含水率小于天然坡顶粉土,而土的冻结深度与含水率的平方根成反比,这将导致路堑内部冻结深度大于天然坡顶。同时,路堑中心的冻结周期较短,且其冻结深度大于天然坡顶,这意味着路堑中心的冻结速率大于天然坡顶。

图2 不同试验断面冻结深度随时空的变化曲线

两个路堑断面在3月中旬(最大季节冻结深度时刻)的冻融界面见图3。可知,1#路堑左侧边坡的最大冻结深度大于右侧边坡。主要原因是该试验段在寒季的主风向为西北风(即从路堑右侧边坡吹向左侧边坡),这将导致左侧边坡吸收更多的冷量;加之线路走向角为西南向,线路存在显著的阴阳坡现象,这将导致路堑左侧边坡的日照量小于右侧边坡。对于深季节性冻土区的构筑物,无论是天然地面还是路基工程,冻结过程均为地表向下的单向冻结,而融化过程则是由地表向下和由最大冻结深度向上的双向融化,但融化过程主要以由地表向下融化为主。

图3 路堑断面在最大季节冻结深度时刻的温度(单位:℃)

2.2 地温沿深度变化

深季节性冻土区两个路堑中心在全季节内地温沿深度的一般变化特征见图4。可知:①在深季节性冻土区地表至最大季节冻结深度范围内,地温变化剧烈,且随深度的增大,地温变化的幅度逐渐减小。这一范围内的土层将直接影响土体水分迁移的方向和强度。②最大季节冻结深度到年地温变化深度范围内,地温随深度的增加其变化幅度逐渐变小。由此可以预估在年变化深度以下,地温基本不随时间变化,仅与外界长期气候的变化有关。③深季节性冻土区的路堑工程还存在季节冻结层,寒冷季节从地表向下冻结,暖季从地表和最大季节冻结深度发生双向融化。

图4 深季节性冻土区路堑中心在全季节内地温沿深度的一般变化特征

季节冻结层的地温在0℃上下波动,这种波动将对土体内部的一系列物理力学状态、相变潜热的释放和吸收以及冰的离析产生重要影响。因此,对于深季节性冻土区路基工程的抗冻胀防治措施的研究,其季节性冻融层的时空发展过程、温度状况和厚度是关键。因此,在这类地区,可以通过增加进入基床表面热量或减少路基内部热量扩散的角度来减小最大季节冻结深度和冻胀变形。具体的保温吸热措施如:在基床表层铺设保温材料(吸热沥青层或沥青混凝土层)来抬高基床结构的最大季节冻结深度,进而控制路基工程的峰值冻胀。

2.3 地温随时间变化

两个深季节性冻土区路堑中心不同深度处地温随时间的变化曲线见图5。其中,气温趋势线是气温的拟合值。可知:①在气温下降至0℃阶段,两个路堑中心不同深度处的地温均随外界气温的降低而逐渐减小,当外界气温在1月下旬达到最小值时,近地表的温度(距地表1 m深度内)达到全年最小值。②在外界气温升高至0℃时,近地表的温度随外界气温的增大而逐渐增大,而此阶段深部土体的温度仍处于减温阶段。由此说明,近地表的地温受外界气温的影响较显著,而深部土体的地温受外界气温的影响较弱,且深部土层地温的变化相对于气温变化呈滞后现象。主要原因是外界气温对不同土层地温的影响随土层深度的增大而逐渐减弱。③外界气温升高至0℃以上时,路堑中心不同深度处的地温与外界气温的变化趋势一致。

图5 深季节性冻土区路堑中心不同深度处地温随时间的变化曲线

不同深度处的地温在全年均呈正弦趋势,且不同深度处地温的变化幅度随深度的增大而逐渐减小。在一定深度处地温变化趋于一条直线,说明此深度的土体处于热稳定状态。

3 数值模拟

3.1 几何模型及物理参数

路堑工程的计算模型如图6所示。在实际的线性工程问题中,路堑在纵向上被认为是无限长的。因此,使用二维平面坐标系建立数值模型。根据牡佳高速铁路桦南段路堑工程现场试验段,路堑计算模型尺寸为:路堑的深度约为8 m,基床宽度为10 m,坡度为1∶1.5。70 cm厚级配碎石铺设于基床表层,粗粒土换填层铺设于级配碎石层以下,厚2.4 m。在数值计算中,路堑中心基础深度设置在10 m,左右坡顶的计算宽度设置为3 m。采用三角形单元网格细划。各土层物理参数见表1,其中,ρ土体的密度;Cf和Cu分别为土体在冻结和融化状态下的体积热容;λf和λu分别为土体在冻结和融化状态下的导数系数。

图6 寒区典型路堑工程计算模型

表1 不同土层的物理特性

3.2 数学方程

在冻土路堑工程温度场计算中,应考虑不同介质(土、水、空气和冰)的热传导和冰水相变,而忽略热对流等影响。未冻水含量被认为是温度的函数。本文仅考虑采用显热容法计算冻土路堑工程的温度场,计算式为

式中:C为土体的有效体积热容;T为土体的温度;t为时间;λ为土体的有效导热系数。

假设含水介质的相变发生在温度T+ΔT(ΔT为相变区的温度误差)内。在建立等效体积热容后,分析温度差对有效体积热容的影响。假设介质的体积热容和导热系数是可以独立于温度而确定的变量。因此,C和λ计算式为

3.3 模拟过程与模型验证

路堑的水分边界被确定为无补水条件。根据现场监测结果,将路堑工程模型底部的热边界条件设定为7℃。根据土体边界层理论和实测温度数据,设置温度上边界条件。通过对地表以下0.3 m地温的现场实测,得到计算所需的参数。温度计算式为

式中:T1为年均地温;εi为地温的振幅;φ为地温的相位。

在第一类热边界条件下,且没有路堑工程的情况时,土壤的温度场可以用路堑的上热边界作为天然地表的热边界,按照式(4)计算50年稳定后的温度场作为天然地基的初始温度。考虑路堑工程,根据式(4)添加路堑的上部热边界条件。边界层底部的温度被视为路堑基床温度场模拟的上边界条件,见表2。

表2 路堑温度场的上边界条件

根据路堑工程数值模拟结果,0℃作为确定季节冻融深度的基准。路堑断面在3月中旬和7月中旬路堑断面的温度场分布见图7。路堑中心冻融深度的计算值和实测值见图8。可知,模拟所得冻融深度的发展趋势可较好地反映实际冻融深度。二者均在3月下旬达到最大季节冻结深度,误差控制在0.3 m以内。路堑中心的季节冻结过程从11月持续到次年4月。模拟所得冻结层的完全消失时间比实测值滞后约8 d。其原因可能是实测值存在离散性。计算值与实测值存在一定的偏差是合理的。

图7 路堑断面在3月中旬和7月中旬的温度场分布

图8 路堑中心冻融深度的计算值和实测值

4 地温场影响因素

4.1 积雪覆盖

牡佳高速铁路沿线佳木斯市近10年的积雪覆盖深度、地表温度和最大季节冻结深度的实测值见图9。可知,积雪深度与地表温度或最大季节冻结深度之间存在显著的对应关系。积雪覆盖厚度越大,地表温度越高,土体的最大季节冻结深度越浅。

图9 佳木斯市近10年的积雪深度、地表温度和最大季节冻结深度

在深季节性冻土地区,高速铁路基床表面的积雪会对基床起到保温作用,有利于降低路基的最大季节冻结深度。但由于春融季节融雪水的渗入,基床表层含水率将大幅增加。当昼夜温差较大,下层土仍处于负温状态时,基床表层极易产生峰值冻胀或翻浆冒泥病害。为保证深季节性冻土地区高速铁路路基的长期服役性能,建议在基床表层采取隔水防渗措施,主要包括防水土工布、防渗材料或防水密封沥青层。

4.2 寒区边坡失稳

春季边坡开始融化,表层土中的孔隙水不能及时排出,达到饱和或过饱和状态。边坡土体的抗剪强度降低,边坡在自重作用下发生失稳坍塌。影响寒区路堑边坡工程失稳的主要因素为:①边坡土的类型。在冻融循环条件下,细粒土边坡较粗粒土边坡更容易发生失稳滑塌。其原因是细粒土孔隙比小,吸湿性强,毛细性强。②边坡形状特征。边坡的几何形状直接影响边坡的稳定性。坡度越大,稳定性越差。一般来说,冻土区阳坡的滑动概率较大,这是由于夏季日照时间较长,融沉深度较深,冬季积水较多。③气候环境。气候环境主要以降雨、降雪和季节气温变化的形式影响冻土边坡的稳定性。降水量的增加导致地下水位上升,地下水渗流发生变化,土壤饱和程度增加;冬季融雪后入渗量增加,透水性增加。季节性气温变化主要影响冻土的渗透性、密实度、含水率、力学性能。④边坡植被。植被的根系可以保护坡面,防止水土流失。植被丰富地区的边坡稳定性较好,植被破坏区边坡稳定性较差。

此外,在寒区处理冻土边坡工程灾害时,应注重工程重要性的分类,进而认识冻土边坡病害的主要成因和冻土边坡本身的特点。寒区边坡工程采取防治措施时应遵循以下原则:①根据工程类型和主要病害对症选择,综合考虑排水与挡土墙相结合等多种因素。②采取工程措施与生态措施相结合的方法。坡面种植植被可以通过植物根系调节土壤水分含量。根系与土壤形成的复合体不仅可以提高边坡土壤的力学性质,提高冻土边坡的稳定性,而且还可以减少地表水土流失,美化环境。

5 结论

1)路堑中心土体的初始冻结时间和融化时间均晚于天然坡顶。路堑中心的冻结速率大于天然坡顶的冻结速率。路堑中心的冻结深度大于天然坡顶的冻结深度。路堑工程的冻结过程主要为自上向下的单向冻结,而融化过程分别为自上向下和从下向上的双向融化。

2)季节冻融层的时空发展过程、温度状况和厚度是深季节性冻土区路基工程冻融灾害预防的关键。通过增加进入基床热量或减少基床体内热量扩散的角度可以达到减小冻结深度的目的。具体措施如:在基床表层铺设防渗吸热材料(沥青混凝土封闭层)来抬高基床的最大季节冻结深度。

3)在深季节性冻土地区,高速铁路基床表面的积雪会对基床起到保温作用,有利于降低基床的最大冻结深度。但春融季节融雪水的入渗将导致基床表层含水率大幅增加。

4)寒区边坡的失稳主要发生在边坡的冻融交界面处。影响寒区路堑边坡失稳的主要因素为边坡土性、边坡形状特征、气候环境、边坡植被。为确保寒区边坡工程的稳定性,在采取防治措施时应遵循工程措施与生态措施相结合的方法。

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