高纬度严寒地区高速铁路路基防冻胀设计研究

杨西锋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

高纬度严寒地区高速铁路路基防冻胀设计研究

杨西锋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

为抑制严寒地区高速铁路路基冻胀变形量,满足铺设无砟轨道的要求,充分吸取换填、防水、保温等冻胀防治方法的最新研究成果,通过再创新,形成一种包含有防冻层、隔排水、局部保温的综合防冻胀技术,并应用于哈大高速铁路实际工程中。通过现场试验研究,得出采用该项技术路基冻胀量普遍小于4 mm,防冻胀效果满足设计要求的结论。同时根据哈大线后期路基冻胀进一步深化研究成果,对哈大高速铁路路基冻胀规律进行总结,对路基防冻胀设计中如不冻胀土的判定标准、设计冻深的采用与修正、级配碎石掺水泥用于防治冻胀的优劣等几个问题进行进一步探讨,从实际应用方面提出建议和意见。

严寒地区;高速铁路;路基;防冻胀设计

高速铁路对路基工程的稳定性提出了新的更高要求,路基工程稳定与否是高速铁路能否实现高速、平稳、安全运行的关键[1,2]。区别于以往普通路基工程着重强度设计,高速铁路路基工程在满足强度要求的前提下,变形控制被提高到了极其重要的位置,尤其是铺设无砟轨道的高速铁路,甚至可以认为高速铁路路基设计的核心就是路基控制变形的设计。对高速铁路影响最为严重的变形,是路基竖向变形,一种表现为路基沉降,另一种表现形式为路基面的抬升。本文将针对后一种情况下因冻胀而发生的路基面抬升进行讨论。

在严寒地区,周期性的气温变化,综合雨、雪等自然条件会形成一种特殊的岩土类型——季节性冻土[3]。季节性冻土最显著的特征即其在冬季气温位于0℃以下时体积发生膨胀,这一特性在路基工程上最直接的表现就是在冬季路基面发生抬升,引起铁路轨面不平顺,进而影响列车运行舒适度甚至危及行车安全。这种现象产生的危害对于高速铁路影响尤为严重,因此严寒地区高速铁路路基设计中,路基防冻胀设计显得尤为重要。

冻胀问题的核心,归根结底是负温和水、土关系的问题。工程界有冻胀“三要素”的说法[4],即负温、冻胀敏感性的土和水,普遍认为只要彻底消除冻胀“三要素”中任何一项,均可以完全消除冻胀的影响。但对于铁路这种长、大线形土木工程而言,彻底消除其中哪怕任何一项因素的影响都是几乎不可能实现的,唯有通过综合措施,从3个因素同时入手,区分侧重,才能在可行的前提下,有效控制冻胀变形的发生。

1 概述

哈大高速铁路沈阳至哈尔滨段南起辽宁省省会沈阳市,途径铁岭,吉林省四平市、长春市、松原市,终止于黑龙江省会哈尔滨,线路全长465.446 km,其中路基长102.918 km。路基工程经过的地貌单元有冲洪积平原、低山缓丘和剥蚀平原微丘区。涉及地层岩性有粉质黏土、黏质黄土、砂砾石土、泥岩夹砂岩、安山岩。沿线地下水主要为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。

该段地处中温带亚湿润季风气候区,其气候特点是:四季分明,春季干旱多大风,夏季湿润多降雨,秋季凉爽多早霜,冬季寒冷而漫长。年平均气温4.4～8.4℃,极端最高温度36.1～39.8℃,极端最低温度-39.9～-32.8℃,年平均降雨量481.8～682.7 mm,年平均蒸发量1226.0～1781.5 mm,平均相对湿度62%～65%,最大积雪厚度17～30 cm,最大季节冻土深度137～205 cm。

地处严寒地区,冬季寒冷且漫长、季节性冻深大且范围广、土的冻胀敏感性高且沿线均布、地(表)下水丰富且埋深浅是哈大高速铁路沈哈段区别于其他客运专线最鲜明的特点。由于无砟轨道对路基变形要求近乎苛刻,因此,采取有效措施减小冻胀量,将路基变形控制在无砟轨道允许的调整范围内,是路基防冻胀设计的难点及重点所在。

2 哈大高速铁路沈哈段路基防冻胀设计

路基防冻胀设计的核心是控制路基因冻胀而发生的竖向变形,竖向变形又包括冻胀发生时路基面的抬升和冻胀消除时路基面发生的融化压缩(下沉),从某种意义上讲,融化压缩变形带来的危害性可能更大。因此,防冻胀设计其实包含了防止冻胀和防止融化压缩两个方面的内容,但理论上采取了必要的防冻胀措施后,融化压缩变形也会被抑制,因此习惯上将两个合二为一。受高速铁路动荷载及土壤冻结深度的影响,对于高速铁路路基,变形对线路影响最大的是路基本体部分,确切地说是基床部分,所以哈大高速铁路路基防冻设计主要体现在基床部分的防冻胀设计。

2.1 防冻胀设计结构

在路基基本结构形式的基础上,融入换填、隔排水及局部保温等措施,形成综合性的路基基床防冻胀设计,见图1[5]。

图1 哈大高速铁路路基防冻胀设计结构

图1 分别为高路堤(填方高度大于基床厚度的路堤)、低路堤(填方高度小于基床厚度的路堤)和路堑的防冻结构设计图。图中①～⑥为分层(部)位针对路基基床冻胀采取的专门措施,这些措施综合起来构成哈大高速铁路沈哈段整体防冻胀设计。各层(部)位技术条件说明如下。

①封闭层。为一层不透水层,用以防止路基面表水(雨水、雪水等水流)下渗至基床内部,同时具备足够的强度。

②防冻层。为采用特殊填料换填的土层,换填材料除满足路基力学指标要求外,还必须为非冻胀性土[6]。

③上部隔断层。位于基床表层和底层之间,是路基基床结构中用作阻止水流继续下渗的不透水层。

④防冻胀护道。高路堤设置防冻胀护道用以保护路堤坡脚部位不发生冻胀,保证路堤边坡稳定。

综上可以看出,哈大高速铁路采取了一整套系统的防冻胀措施,综合了换填法、隔排水法和保温法,同时针对冻胀敏感性的土、水分和负温这3个冻胀基本要素共同发生作用。也可以看出,各种措施有所侧重——负温是大的自然环境,现有技术条件下暂时无法大范围改变,所以仅在局部重点部位采取了保温法;非冻胀性填料稀缺且成本高昂,所以将其设置于最易发生冻胀的部位;水分是发生冻胀最基本的因素,也是现有技术条件下最易控制的因素,因此对水分采取了严防死守的办法,通过排、隔、疏等技术手段,基本隔绝了基床与外界水分的交换,使其内部水分始终保持在较低的范围。

2.2 防冻胀效果检验

为了对上述设计的防冻胀效果进行验证,选择在哈大高速铁路长春西站附近路基建立试验段[7]。试验段为高填或深挖路基,最大填方高度6.0 m,最大挖方深度12 m。试验工程位于波状冲积平原,地势较开阔,地形起伏。涉及的地层主要为:第四系中更新统冲积黏质黄土、黏土,下伏白垩系泥岩。其中黏质黄土、黏土为冻胀敏感性土,泥岩具膨胀性。试验区地下水主要为第四系孔隙水和裂隙水,潜水水位埋深0.2～1.5 m,动态变化大,受大气降水补给,因土层渗透系数小,属不透水层或微透水层。土壤最大冻结深度为169 cm。

D3K691+716、+820为路堑监测断面,进行水分和变形监测(+716)。D3K692+840为路堤监测断面,进行变形监测。

图2、图3分别为路堑监测断面路基左、右线中心线下不同深度位置的含水率变化时程曲线,图4为不同深度位置水分迁移对比示意。图中深度以填料为天然地基交界面处为0 m标定。

图2 路堑监测断面路基基床左线中心线下不同深度水分变化对比示意

由图2、图3、图4可以看出,设计中采用的封闭层、隔断层和渗沟等隔排水措施,很好地将大气降水、基床表面水流、地下水和基床隔离开来,有效降低了基床内土体的含水量。同时,这一隔排水体系抑制了路基基床内的水分迁移,减少了基床内水分的补给,使基床内土体的含水量处于一个相对稳定的较低状态。这一点,对于防止路基冻胀是非常有利的。

图5为路堑和路堤监测断面总体冻胀变形(竖向抬高)随温度变化图。路堤总体冻胀量约1.0 mm,路堑总体冻胀量约6.0 mm(这一数值在后期整治后下降至4.0 mm左右),均处于允许的范围内,说明防冻胀设计达到了预期目标,是有效的。

3 哈大高速铁路路基冻胀后期深化研究

图3 路堑监测断面路基基床右线中心线下不同深度水分变化对比示意

图4 路堑监测断面左右中心线下不同深度位置水分迁移对比示意

图5 监测断面总体冻胀变形(竖向抬高)随温度变化

在哈大高速铁路建成并正式通车后,针对哈大高速铁路路基冻胀相关问题开展了一系列进一步深化研究[8,9],采取了多种研究手段,使用了包括现场典型断面自动监测、全线路基人工水准测量等监测方法,同时对多种冻胀处防治技术也进行了现场试验研究。在深化研究过程中,就沈哈段路基冻胀情况而言,表现出以下规律。

(1)沈哈段路基自每年10月下旬开始发生冻胀,至12月初冻胀基本完成,12月至来年3月为冻胀稳定期,这一时期路基冻胀变形稳定。3月至5月,为融化压缩期,这一时间段内路基整体发生融化压缩变形,表现为高程回落,为冻胀的反向过程,回落幅度与冻胀基本一致,回落后路基基本恢复至冻胀前的状态。5月至10月为路基稳定期。沈哈段路基总体冻胀量(回落量)85%以上小于8 mm,平均冻胀量(回落量)约5 mm,说明沈哈段路基冻胀量普遍位于较低水平,处于可控状态。

(2)路堤、路堑两种路基形式冻胀量情况对比,路堤冻胀量(回落量)≤8 mm占80%以上,平均冻胀量(回落量)5.7 mm;路堑最大冻胀量(回落量)≤8 mm占65%以上,平均冻胀量(回落量)7.4 mm,同时＞8 mm所占比较较高。说明路堑冻胀情况要大于路堤,同时冻胀量(回落量)极值均位于路堑。低路堤冻胀情况与高路堤基本一致。

(3)路桥、路涵过渡段由于采用了特殊的改性填料(级配碎石掺水泥),冻胀量(回落量)较小,≤8 mm占90%以上,平均冻胀量(回落量)3.4 mm。

(4)路基冻胀量与是否位于底座伸缩缝处存在一定的对应关系。路基受无砟轨道底座板伸缩缝封闭不良影响,路基面表水下渗,对冻胀形成了水分补给,加剧了该处路基冻胀发生,造成对应于伸缩缝处路基的冻胀量大于不对应处路基冻胀量。

(5)路基基床部分由3个结构层组成,分别为基床表层(级配碎石)、防冻层(非冻胀性A、B组填料)及其下部分(普通A、B组填料或改良土)。把沿线各自动监测断面基床中各层填料对总冻胀量的贡献的百分数取平均,则基床表层级配碎石层中发生的冻胀量约占总冻胀量的70%,防冻层中的冻胀量约占20%,而其下范围土层只占10%。由此可见,冻胀量主要是由基床表层级配碎石层冻胀完成的。

哈大高速铁路路基冻胀量处于可控的区间内,出现个别冻胀量较大的区段,水是引发其最直接的因素。无论是有利于水分汇集的路堑,或是容易受水分侵扰的基床表层,无一不是最直接面对水的侵袭。因此,在现有技术条件下,尽可能减小水对路基的影响,应该是防冻胀设计的核心思想。

后期冻胀深化研究过程中,工程设计人员或长期从事冻土研究的专家,就哈大高速铁路路基冻胀的一些关键问题有过多次深入的讨论。通过这些讨论,对严寒地区深季节性冻土有了更清晰的理解,对于该地区路基防冻胀设计也有了更深入的认识。

3.1 关于非冻胀性土

根据我国现行《铁路特殊路基设计规范》(TB10035—2006)规定:“粒径小于0.075 mm的细颗粒含量小于15%、平均冻胀率η≤1且级配良好的碎(卵、砾)石土及砾、粗、中砂”为不冻胀土。这里所定义的不冻胀土,仅适用于普速铁路。对于变形要求苛刻的高速铁路而言,平均冻胀率η≤1的要求显然宽泛了一些。现场试验研究表明,对于高速铁路,粗颗粒土中细颗粒含量不大于5%才是满足不冻胀土的下限标准,见图6[7,10]。但满足该条件的天然填料显然很稀缺,因此在实际工程中,这一标准需要设计人员进行权衡修正使用。

图6 粗颗粒土中细颗粒含量与冻胀率关系曲线

3.2 关于设计冻结深度

铁路行业传统上以当地最大冻结深度作为设计中使用的冻结深度。最大冻深来源于当地气象部门统计年限或建站以来年度土壤最大冻结深度的最大值。考虑到气象部门监测冻结深度时的设定条件(远离市区、空旷场地、土壤),简单地使用这个数值用于高速铁路设计显然会出现偏差。铁路是长大线形工程,冻结深度受外部环境、路基形式(路堤路堑)、涉及的土层等影响很大。在哈大高速铁路现场监测中,在基床部位(采用粗颗粒土填筑)实际观测到的冻结深度大约是当地最大冻结深度的1.6倍,某些特殊地段,如涵洞过渡段处,这一比例甚至达到2.0倍以上。因此,在路基防冻胀设计中,对于冻结深度要有充分的认识,设计工作中应该根据工程类型、土壤条件、路基形式等进行修正。

3.3 关于基床表层下部铺设的隔断层。

路基冻胀量主要是由基床表层级配碎石层冻胀完成的。这一规律至少透露出3个方面的含义。

(1)颠覆了级配碎石不会发生冻胀的固有认识。冻胀问题,是负温条件下水土关系的问题。从严格意义上讲,不存在完全的不冻胀土和冻胀土,在饱水条件下,级配碎石也会发生很严重的冻胀,而在完全没有水的前提下,黏性土也不会发生冻胀。因此,在理解不冻胀土或冻胀土时,需要注意其适应条件。

(2)基础冻胀理论直观的体现[11]。基础冻胀理论指出,冻结深度范围内发生的冻胀,主要是由其上部(从接触负温环境的面向下算起)2/3的厚度完成的,而且冻胀量沿深度不是线性均布,而是呈曲线急剧降低的趋势。之所以会有这样的规律,是因为土体上部受负温影响最大,同时冻结自上而下进行时,不断有水分向冻结锋面迁移,加剧了冻胀的产生,这一现象在哈大高速铁路路基冻胀现象中得到了最直观的体现。了解这一规律,有助于指导设计人员将最有效的防冻胀措施使用在最有效的位置。

(3)隔断层是有益的还是适得其反?哈大高速铁路路基所表现出的冻胀量向基床表层级配碎石过度集中的现象,除了是基础冻胀理论的体现外,同时引起了关于基床表层底部设置隔断层是有益的还是适得其反的讨论。一种观点认为,隔断层的存在阻断了水分向下渗流的通道,人为地将水分汇集至最有益于冻胀的基床表层,起到了“雪上加霜”的作用,进一步恶化了冻胀条件,产生了额外的冻胀量。如果不存在隔断层,则水分就可以下渗至产生冻胀较小的部位,从而产生较小的冻胀。另外一种观点认为隔断层是有益的,理由是虽然目前看起来基床表层冻胀量比较突出,但原因一方面是因为基床表层处于冻胀最敏感的部位,另一方面级配碎石中含水量较高不是因为隔断层的存在,而是设置于路基面的封闭层封缝失效导致较多的水流从路基面下渗,同时路基横向亦排水不理想。假如不设置隔断层,水流继续下渗,则可能在路基更深的内部引发更大同时更不易处理的冻胀量。

从哈大高速铁路路基防冻胀的设计思想来讲,对于基床内的水分采取的是“疏堵结合、多重保障”的思想。路基面设计的封闭层,理论上已经能够将路基面表水阻断并通过横坡排至本体外。隔断层更多是“有备无患”的考虑,假设万一有水流下渗,隔断层能够阻止其进一步下渗,同时通过横坡沿砂垫层排除。之所以会出现级配碎石内水分汇集的现象,原因有三:上部封闭层封闭效果不理想、路基横坡施工不理想、两侧护肩泄水孔排水效果不理想。认识到这些,可以对后续防冻胀设计或冻胀整治有所启示。

3.4 关于级配碎石掺水泥的冻胀特性问题

路涵、路堑过渡段以及个别特殊地段,路基填料采用了掺加不同比例水泥的级配碎石。现场监测发现这些段落的冻胀量远远小于其他段落,基于此,关于级配碎石掺水泥的冻胀特性及是否可以大面积推广使用的问题成为焦点。

级配碎石掺水泥作为路基填料可以理解为是一种改性的填料,因为它从本质上已经不等同于传统意义上的填料,具备素混凝土的某些特征。从实验室得到的数据看,该材料不但具有良好的抗冻性能,其耐久性也能得到保证。但是普遍的观点认为,在实际工程中大面积使用该材料,裂缝问题无法解决,另外经历多次冻融循环后,材料可能会粉化,到时其强度、密实度、甚至抗冻性都会大打折扣。

公路行业也有类似的材料,称为水泥稳定碎石,在公路路面基层中广泛使用。公路和铁路使用该材料的部位是有所区别的,公路是在沥青路面以下,相当于外部多了一层保护,但铁路工程中,级配碎石掺水泥往往使用在基床表层,直接接触环境和承受列车荷载影响。因此在使用该材料用于防治冻胀时,应注意其局限性。

4 结语

路基防冻胀设计是一个系统的设计工程,除了路基本体,边坡、排水、支挡、接口等附属工程也是设计应该重视的方面。就目前看,防冻胀设计的基本方法,无外乎针对冻胀“三要素”而衍生出的换填法、隔排水法和保温法三种[12]。在工程应用中,只通过一种方法彻底解决冻胀问题几乎是不可能实现的,因此需将这三种方法有机结合,并根据工程实际有所侧重,以期达到技术可行、经济合理的目标。

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[4] 徐学祖,何平,张健明.土体冻结和冻胀研究的新进展[J].冰川冻土,1997,19(3):280-283.

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Design Research on Subgrade Anti-frost for High-speed Railway in High Latitude and Severe Cold Region

YANG Xi-feng
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

To control frost heave deformation of high-speed railway subgrade in high latitude and severe cold region so as to meet the requirement of laying ballastless track,this research drew lessons from the latest research achievements in frost heave control methods such as soil replacement,water proofing,heat retaining and so on;carried out secondary innovation;and developed a new comprehensive frost heave control technology,including anti-frost layer,water proofing and drainage measure,as well as local heat-retaining measure.And then this technology was used in the Harbin-Dalian High-speed Railway (HDHSR).Then through field experiment and research,this paper draws the conclusion that by the use of this technology,all of the frost heaves of subgrades can be generally less than 4 mm,and the frost heave control effect can meet the design requirements.Moreover,this paper summarized the frost heave processes and trends of the subgrades of the HDHSR according to the further research results about the frost heave phenomenon after acceptance of the HDHSR.In addition,this paper deeply discussed relevant issues,including the identification criteria of non-frost-heave soil,the adoption and modification of design frost depth,the advantage and disadvantage of frost heave control method of graded crushed stones mixing with cement,etc.Finally,this paper made some suggestions from the perspective of practical application.

severe cold region;high-speed railway;subgrade;anti-frost design

U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.002

1004-2954(2014)08-0006-06

2013-11-15;

2013-11-22

铁道部科技研究开发计划项目(2006G011-B-3),铁道部科技研究开发计划项目(Z2012-062)

杨西锋(1976—),男,高级工程师,1999年毕业于西南交通大学水文地质与工程地质专业,工学学士,E-mail:Headyxf@163.com。