深季节冻土区高速铁路抗冻胀基床结构稳定性研究

2022-06-08亓守臣

铁道科学与工程学报 2022年5期

亓守臣

(中铁十四局集团有限公司，山东济南250101)

冻土是一种温度低于0℃且含有冰的各种岩石和土壤[1]。根据冻土存在时间的长短，将冬季冻结、春季融化的土壤或疏松岩石称为季节性冻土。目前，我国在季节性冻土区已成功修建哈大，哈齐和兰新等高速铁路。高速铁路作为国家重要的战略资源，对全面建设美丽中国意义重大，特别对加快振兴东北老工业基地的经济影响深远。然而，冻害问题始终威胁着我国季节性冻土区高速铁路在冬季的安全运营，每年仍需耗费大量人力、物力进行整治。学者针对季节性冻土区高速铁路存在的冻胀问题，开展了相关研究。邰博文等[2-4]系统研究了深季节冻土区哈齐高速铁路路基工程温度场和变形场的变化特征，并提出了寒区高速铁路路基工程冻胀数值计算模型和有效的抗冻胀措施。NIU等[5-7]通过现场实测数据分析了寒区高速铁路路基冻胀量沿冻结深度的分布规律，得出路基冻胀变形量主要出现在基床底层。LIN等[8]研究了兰新高速铁路路基结构不同层位冻结深度和冻胀变形随时间的变化规律。盛岱超等[9-10]通过室内试验和有限元仿真提出了路基冻胀是由高速列车循环荷载作用下导致地下水位以下饱和地基土中孔隙水“泵送”至冻结线以上，从而引起路基冻胀。张先军等[11-12]结合现场试验研究了寒区高速铁路路基工程冻胀变形的发生、发展和变化规律。YUE等[13-15]还对季节性冻土区铁路路堤采用的常规防冻措施进行了研究，得出以下主要结论：1)保温法，在铁路路堤中添加保温层和保温护道来减少路基与外界大气之间的热交换可以有效控制冻胀；2)改良土，采用细颗粒含量少于5%的填料填筑路基其抗冻胀效果显著；3)水分条件。修建排水沟、渗水沟和渗水盲沟等排水设施，有助于控制路基填料的含水量。宋景振等[16-17]基于青藏铁路和青藏公路的现场试验资料，研究了寒区路基工程阴阳坡的地温和变形差异，得出无论是处于多年冻土区还是季节冻土区的路基工程，由坡向效应产生的横向热差异所带来的路基两侧非均匀的冻融变形，将严重影响冻土路基的整体稳定性。上述研究主要是针对季节性冻土区高速铁路无砟轨道路基产生冻胀的影响因素和路基冻胀变化规律的研究。但关于深季节性冻土区高速铁路抗冻胀基床结构水热力学行为演变的内在机理和抗冻胀效果的研究较少，尤其针对深季节冻土区高铁路基阴阳坡效应的研究更少。这里需要说明的是深季节冻土指季节冻结深度大于1.5 m的土体。鉴于此，本文依托在建的深季节冻土区牡丹江至佳木斯高速铁路工程为研究对象，深入开展寒区高速铁路抗冻胀基床结构整体稳定性研究。

1 试验仪器布设

深季节冻土区牡丹江—佳木斯高速铁路路基工程典型抗冻胀基床结构试验段位于黑龙江省佳木斯市桦南县境内。试验段极端气温-39～38℃。地下水较浅，埋深约6.0 m。天然地面以粉砂土为主，且其最大季节冻土深度230 cm，属典型的深季节性冻土地段。试验段存在阴阳坡(左边坡为阳面，右边坡为阴面)。此外，试验路堤顶宽14 m，高度9 m，边坡坡度为1:1.5。

典型抗冻胀基床结构水热力学监测系统于2019年8月安装完成。使用5根8.5 m长的热敏电阻串监测路基不同位置和深度(左右坡脚、左右坡顶和路基中心)的温度，温度传感器的精度为±0.05℃。热敏电阻串被放置在一根8.5 m长的钢管中，以防止因水侵蚀而失效。利用水分传感器对基床填料表层和底层的含水量进行监测。利用变形传感器记录基床表层的垂直变形，变形传感器1号用于测量基床不同位置的总变形，其精度为±0.1 mm。水分和变形传感器分别安装在左右路肩和路基中心。所有监测数据由2台采集仪收集，每月采集10次。施工结束后，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。试验断面天然地面的最大季节冻结深度为2.3 m。深季节冻土区典型抗冻胀路基结构试验仪器布设位置如图1所示。

2 地温特征

2.1 地温随深度变化

图2给出了深季节冻土区抗冻胀路基结构地温沿深度的变化特征。由图2可知，在深季节冻土区任意测点位置处的地温在地表至最大季节冻结深度范围内(季节冻融层)变化剧烈，且随土层深度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。最大冻结深度以下，地温随深度的增加其变化幅度逐渐变小。由此可以说明在一定深度以下，地温近似处于稳定状态。此外，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，对于深季节冻土区的路基工程而言，其季节性冻融层的时空发展过程、温度状况和厚度是采取抗冻胀措施的关键。因此，在深季节冻土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。具体的工程措施如：铺设吸热沥青层或沥青混凝土层等来减小路基的最大冻结深度。

此外，天然坡脚的最大季节冻结深度小于右路肩和路基中心的最大季节冻结深度，分析其主要原因是：1)路基填料采用粗粒土和级配碎石填筑，其填料粒径远大于天然坡脚的粉砂土。这将导致路基本体填料的导热系数远大于天然坡脚填土的导热系数，进而使得路基本体在冬季有更多的冷量传入路基本体，最终导致路基本体的冻结深度大于天然坡脚的冻结深度。2)根据现场钻探资料得知路基本体填料的初始含水量远小于天然坡脚填土的初始含水量。由于土体的冻结深度与含水量的平方根成反比，所以含水量越小，土体的冻结深度越大。

2.2 地温随时间变化

图3给出了深季节冻土区抗冻胀路基工程不同测点在不同深度处地温随时间的变化曲线。由图3可知，在季节冻融层范围内(地表以下3.1 m深度范围内)，在气温下降至0℃阶段，任意测点不同深度处的地温均随外界气温的降低均逐渐减小。同时，季节冻融层深度范围内，不同深度处地温的最小值随土层深度的增大依次滞后，且季节冻融层范围内土体温度在冬季存在一定的负温现象；与此同时，在气温上升阶段，不同深度处地温的最大值随土层深度的增大也依次滞后。在季节冻融层以下(距地表3.1 m深度以下)，任意测点处的不同深度处的地温均大于0℃。无论是降温阶段还是升温阶段，任意测点近地表的温度均随外界气温的增大而逐渐增大，即近地表温度与外界气温的变化存在线性正相关性。而深部土体的温度与外界气温的变化无明显的线性相关性。由此说明，近地表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的变化呈现滞后现象。其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。此外，不同深度处的地温在全年均呈现正弦变化规律，且不同深度处地温的变化幅度随深度的增大而逐渐减小，并在一定深度处地温变化在全年趋于一条直线，说明此深度处土体处于热稳定状态。

图3 深季节冻土区抗冻胀路基不同深度处地温随时间的变化Fig.3 Variation of ground temperature with time at different depths of anti-frost subgrade in deep seasonally frozen soil regions

2.3 冻结深度附近热通量变化

路堤下冻土的温度变化主要受地中热流与地表热交换的影响，在研究寒区路堤温度场的变化时，需计算进入冻土层的热流密度。因此，本节以最大季节冻结深度附近1 m范围内的土层作为热流密度的计算区域，其计算区域的热流密度为：

式中：q为土体热流密度，W/m2；λ为土体导热系数，粗粒土在冻融状态下取1.9 W/(m∙K)；粉砂土在融化状态取1.474 W/(m∙K)，冻结状态取1.824 W/(m∙K)；TD1和TD2分别表示地表以下D1与D2深度处地温；ΔZ为土层厚度，取1.0 m。

根据1 a的地温实测数据，计算路堤中心和天然坡脚下最大季节冻结深度附近土层的热流密度(正值代表吸热，负值代表放热)，如图4所示。由图4可知，路堤和坡脚在暖季均表现为吸热状态，在冷季均表现为放热状态。

图4 最大冻结深度附近土体的热流密度Fig.4 Heat flux density of maximum soil near frost depth

地面下总的热通量为：

式中：Q为总的热通量，MJ/m2；t为时间，d。

利用式(2)计算得到路堤工程在冻结深度附近土层从2020年1月1日至2020年12月30日期间总的热量收支Q。路堤的热通量为3.875 MJ/m2；坡脚的热通量为-0.675 MJ/m2。由此可知，路堤下部冻结深度附近土层的热量收支整体表现为吸热状态。相比路堤，天然坡脚的吸热量为负值，其原因是路堤作为拱形三向受热，进而使得路堤本体的储热和吸热量较大。

3 水分特征

为了分析深季节性冻土区抗冻胀基床结构层内地温和未冻水在冻融作用下的变化特征。图5给出了深季节冻土区抗冻胀基床结构层(基床表层和基床底层)内温度和水分的变化曲线。由图5可知，当基床表层温度降低至0℃阶段，对应土层内的未冻水含量呈现小幅下降趋势。同时，基床底层土体中的未冻水含量也随土体温度的减低而呈现轻微减小。分析其主要原因是随不同土层温度的降低，下部未冻结土层中的液态水开始向上部冻结层发生轻微迁移，进而导致基床表层和底层内的含水量减小。当基床表层土体温度降至负温以下时，相应土层内的未冻含水量呈现急剧下降趋势。其原因是在这个过程中填充于基床表层填料内的大量液态水在短期负温作用下变为固态冰。而此阶段基床底层土体内的未冻水含量仍随土体温度的降低呈现轻微减小。当基床表层温度降低至最小值时，对应土层内的未冻水含量呈现缓慢下降或保持稳定。其主要原因是由于对应土层已处于完全冻结状态，土体降温仅导致少量液态水发生相变。

图5 深季节冻土区抗冻胀基床结构层温度和水分的变化曲线Fig.5 Variation curve of temperature and moisture of anti-frost subgrade bed layer in deep seasonal frozen soil area

随基床表层土体温度的升高，相应土层内的未冻水含量略有轻微增加，其主要原因是基床表层土体仍处于负温状态，即冻土升温引起的冰水相变量较小。与此同时，基床底层仍处于正温状态，但其对应土层内的未冻水含量却发生缓慢降低，说明基床底层内的未冻水持续向上部冻结层迁移。当基床表层和底层的温度接近0℃时，相应土层内的未冻水含量迅速增加，且基床表层和底层内的未冻水含量大于其对应土层内的初始含水量。分析其主要原因如下：1)此时相应土层中的固态冰已接近融化温度，大量的固态冰迅速融化成液态水；2)冻土层中的水分在冻结缘附近积聚，土层进入正温度后，对应深度处的含水量显著增加。此外，随外界气温的持续升高，基床表层和底层内的温度不断升高，相应土层内的含水量缓慢减小并趋于初始值。其主要原因是土层内的固态冰已全部融化为液态水，随着地温的升高。此外，值得注意的是在非冻结期未冻水含量波动较剧烈，其主要原因是水分传感器在非冻结期对外界气温和地温的微小变化较敏感。

4 变形特征

为了分析全冻融周期内深季节性冻土区抗冻胀基床结构水热力学行为演变的一般特征和内在机理。图6给出了路基中心和右路肩基床表层温度、未冻水含量和冻胀变形随时间的变化曲线。由图6可知，在初始冻结期，当基床表层土体温度下降至0℃期间，对应土层内的未冻水含量呈现相应的小幅下降趋势。其主要原因是随土层温度降低，下部未冻结土层中的液态水开始向上部冻结层迁移。相应土层产生轻微冻胀或无明显冻胀。此后，随外界气温的持续降低，基床表层内土体的地温从零度降低至一定值时，此时存在于土颗粒孔隙间的大量液态水变成固体冰，土层的冻胀变形也随地温和未冻结水含量的降低而快速增大。此阶段冻胀持续时间大约为15 d左右，基床表层的冻胀主要发生在这一阶段，并在该时期冻胀速率达到最大值。当基床表层地温持续降低至最小值时，基床表层中的未冻水含量保持相对稳定。其主要原因是浅层土壤已完全处于冻结状态，由冻结土层温度降低引起的冰水相变的含水量相对较小，该阶段冻胀变形基本保持稳定或缓慢增加。随基床表层土体温度的升高，相应土层内的未冻水含量略有轻微增加。其主要原因是基床表层土体仍处于负温状态，即冻土内部温度升高引起的冰水相变量较小，此阶段路基冻胀持续缓慢增大或基本稳定。当基床表层土体地温升高至0℃附近时，冻结层中的大量固态冰在短期内转为液态水，此时的未冻水含量大于初始含水量。在昼夜温差较大的情况下基床表层易产生峰值冻胀。最后，随地温的持续升高，相应土层内的含水量迅速恢复到初始值并保持基本稳定，路基融沉在冻结层完全解冻后的10 d内消失。

图6 深季节冻土区抗冻胀基床表层温度、未冻水和冻胀随时间的变化曲线Fig.6 Variation curves of temperature，unfrozen water and frost heave with time of anti-frost subgrade bed surface in deep seasonally frozen soil region

值得注意的是在基床表层土体融化初期，路基易产生峰值冻胀和翻浆冒泥。其主要原因如下：1)基床表层土体解冻后水分向下渗透。在下层土体仍处于冻结状态的情况下，其透水性较差，导致冻融交界面处含水量增加。当融化的基床表层土壤在低温环境中再次被冻结时，产生大量冻胀。2)基床表层土体的融化将导致顶层土的有效应力降低，从而导致基床表层土的反弹。因此，深季节冻土区的高速列车应在冻结初期和冻融交替季节减速行驶，确保其安全性。同时，建议在修建寒区高速铁路时应做好基床表层的隔水防渗，比如采用以下措施：在基床表层铺设隔水材料，防水土工布和防水高性能沥青等。此外，当基床表层土体已处于完全正温状态时，路基的冻胀变形并未完全消失，即路基冻胀的结束时间滞后于冻结层的完全消失时间。分析其主要原因是：1)冻结层内孔隙冰的有效融化时间较长。2)路基作为一个拱形，其基床底层的融化沉降变形不能立刻反映到基床表层。

5 阴阳坡效应

5.1 阴阳坡特征

为研究寒区高速铁路抗冻胀路基结构内阴阳路肩不同深度土层地温的动态变化特征，取位于左右路肩以下不同对应深度处的温度变化情况为研究对象。图7分别给出了左、右路肩下0.5，3.1，4.5与8.5 m深度处地温随时间的变化曲线。图中深度均自基床表面处算起。因此，0.5 m与8.3 m深度可分别代表路基结构的冻融层与非冻结层。由图7可知，在冻融层内左右路肩的地温均随气温的降低而逐渐减小，而非冻结土层内任意深度处左右路肩的地温与外界气温的变化呈现线性负相关的变化关系，即随外界气温的降低左右路肩的地温呈现增大趋势。同时，不论外界气温处于升温还是降温阶段，抗冻胀路基工程在季节冻融层或非冻结层内其左路肩的地温均大于右路肩的地温，其原因是右路肩处于阴坡一侧，接收的太阳辐射能较阳坡少，导致右路肩的吸热量相对较左路肩少。

图7 左、右路肩下0.5，3.1，4.5与8.5 m深度处地温随时间的变化曲线Fig.7 Variation curves of ground temperature with time at the depth of 0.5,3.1,4.5 and 8.5 m under the left and right shoulders

为了进一步说明抗冻胀路基工程的横向热稳定性。图8给出了左(阳)右(阴)肩不同对应深度处的温差。由图8可知，路基修筑后冻结层范围内(基床表面以下3.1 m深度范围内)阴阳肩不同对应深度处的温差在大多数时间大于0℃，仅存在短期温差呈现负值。分析其主要原因是雪盖对边坡土体的保温作用。由于冷季在主风向的作用下右侧边坡(阴坡)的积雪覆盖厚度较左侧边坡(阳坡)大，进而导致右边坡(阴坡)下土体的地温较左边坡(阳坡)下高。故出现季节冻结层范围内左右肩的温差在冷季出现负值。同时，非冻结层深度范围内(距基床表面3.1 m深度以下)阴阳肩不同对应深度处的温差均大于0℃，即阳肩温度大于阴肩。此外，在气温下降阶段，路基冻融层内阴阳肩的温差均随外界气温的降低而减小；在外界气温升高阶段，冻融层内左右路肩的温差随外界气温的增大而逐渐增大。相反，在气温下降阶段，路基非冻结层内阴阳肩的温差并未随外界气温的降低而减小，相反呈现升温趋势；在外界气温升高阶段，非冻结层内阴阳肩的温差随外界气温的增大而逐渐减小。由此说明，路基不同深度处阴阳肩温差的峰值随土层深度的增大而呈现滞后现象。同时，不同深度处阴阳路肩的温差随时间推移呈现正弦规律变化，且阴阳肩不同对应深度处的温差并未随时间的延续和深度的增大而消失。由此说明，路基走向与主风向对阴阳肩温差的影响占主导地位。

图8 左右肩不同对应深度处的温差Fig.8 Temperature difference at different corresponding depths of left and right shoulders

5.2 阴阳坡效应机理

寒区线路走向决定了路基工程边坡的走向。阴阳坡的太阳辐射和吸热差异将导致路基两侧边坡的热边界条件不同，从而导致路基工程整体温度场、水分场和变形场的横向非对称性。图9给出了寒区路基工程阴阳效应的一般形式。由图9可知，在深季节冻土区修建路基工程后，路基阳坡的最大季节冻结深度较浅，而阴坡的最大季节冻结深度较深，两侧边坡不同的最大季节冻结深度将导致路基水分场在横向上存在显著差异，进一步引起深季节冻土区路基工程在冬季产生非均匀冻胀变形，造成路基工程横向不稳定，严重影响高速列车的安全运营。

图9 深季节性冻土区路基工程阴阳坡效应的一般形式Fig.9 General form of sunny-shady slope effect of subgrade engineering in deep seasonally frozen soil region

以往的研究资料表明，当寒区路基工程的走向角为0°时(即线路走向角为东西向)，路基的坡向效应最强。当线路走向角为90°时(即线路走向角为南北向)，阴阳坡效应最弱。同时，在任意月份，随线路走向角的增大，阳阴坡效应逐渐减弱。此外，线路的主风向将使路基迎风坡内更多的热量在风的驱动下被带走，进而导致路基迎风坡内的储热量较背风坡小，最终使得迎风坡的地温较背风坡的地温低。由此说明主风向的风力大小将直接影响路基阴阳坡效应的强弱。因此，为减少阴阳坡效应对路基工程横向稳定性的影响，建议线路的设计方向为东西向。在走向角无法避免大于0°的情况下，应采取合理的工程措施，尽量减少阴阳坡效应对路基横向稳定性的影响，如在阳坡铺设块碎石层、遮阳板或保温护道等。