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主管:住房和城乡建设部

主办:中国勘察设计协会

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高速铁路不同于路基结构防冻胀试验研究

张振河

中国铁路总公司科技研究开发项目(Z2013-038;2014G003-A);铁道第三勘察设计院集团有限公司科技开发课题(721418,821414)资助

 

高速铁路不同路基结构防冻胀试验研究

Anti-frost Heave Study of High Speed Railway Subgrade with Different Structure

张振河

哈齐铁路客运专线有限责任公司

 

摘要:为减小季节性冻土区路基冻胀对高速铁路无砟轨道平顺度的影响,采用对不同封闭型式的路基结构进行降雨条件下路基渗流模拟,分析路基土体内压力水头与含水量变化情况。数值模拟结果显示,路基表层无封闭型式能够在降雨时及时排出路基表面水量,基床底层顶面的排水板有效阻隔了地表水进入基床底层,降低了降雨入渗对底座板下部基床含水量的影响。在两种不同封闭型式的路基试验段,选择代表性断面埋设位移传感器与温度传感器,监测路基冻胀变形与冻结深度。现场监测结果表明,当路基主要为浅层冻胀,地下水对路基本体含水量影响较小的情况下,路基表层无封闭型式的冻胀量较小。

In order to reduce the influence of subgrade frost heaving on high-speed railway unballasted track smoothness in seasonal frozen soil region, using different closed structure subgrade to conduct percolation model simulation under the condition of rainfall , and analysed the pressure head and water content changes of subgrade. The model simulation test results indicated that, non-closed structure discharged the groundwater of rainfall in time, the drainage plate at the top of the bottom bed layer resisted the infiltration into subgrade effectively, this structure reduced the influence of water content in bottom bed with rainfall infiltration. The deformation sensors and temperature sensors were embedded in representative test section of different closed structure to monitor the frost heaving deformation and freezing depth. The experiment results show that when the frost heave occurred at shallow depth and the under groundwater had less influence on subgrade water content, the subgrade frost heave deformation was smaller with non-closed structure.

 

关键词:高速铁路;路基;冻胀;渗排模拟

High speed railwaySubgradeFrost heaveInfiltration drainage simulation

 

引言

 

东北地区属于寒冷、严寒地区,冻结深度差异大、工程地质条件变化大。在这样的气候条件下修建无砟轨道,路基防冻胀问题是路基设计的重点也是难点[1]~[3]。路基冻胀量通过减少填料细颗粒、上堵雨水、下疏地下水等措施能够得到有效控制。目前,东北地区高速铁路采取了多种路基结构型式,但各种方案还不完善,尚未形成系统的高寒地区高速铁路路基防冻胀方法和控制标准。

哈齐客专沿线气候条件与水文地质条件恶劣,极低的温度、丰富的降雨与地下水直接导致了路基冻胀[4]~[8]。为了进一步确保哈齐线运营安全,加强路基疏排效果,降低冻胀影响,采取不同的上堵下疏路基结构型式,建立现场试验段,并结合数值模拟分析路基疏排情况,对不同方案的防冻胀效果进行评价。

 

1.路基试验段设计

 

哈齐客专上堵下疏路基试验段采用Ⅰ型无砟轨道结构,本次试验采用两种路基结构型式,路基表层封闭型式与路基表层无封闭型式,试验段位于黑龙江省大庆市附近,当地近10年内气象资料如表1所示。

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如图1所示,路基表层封闭型式为:采用纤维混凝土对路基表层进行封闭,防止地表水直接进入路基本体,基床表面填筑0.4m厚级配碎石掺5%水泥,基床底层顶面以下填筑2.3m A、B组非冻胀土,基床以下填筑碎石,阻隔毛细上升水并加强路基本体内水分的疏排。

 


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图1  路基表层封闭型式断面图

 

如图2所示,路基表层无封闭型式,即没有对表面进行封闭,而是采用排水板对基床底层顶面进行封闭,基床表层则采用透水措施,铺设0.4m厚渗透性级配碎石,基床以下与路基表层封闭型式相同,填筑碎石加强基床水分的疏排。


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图2  路基表层无封闭型式断面图

 

2.不同路基结构型式疏排模拟研究

 

为对比降雨后不同类型排疏渗基床的路基渗流情况,采用HYDRUS模型模拟降雨不同时间后,路基土体内压力水头、含水量的变化情况。

 

2.1 计算模型及参数

选取典型剖面作为断面,适当简化断面,分析模型如图3、图4所示,填料主要水力学参数见表2。

 

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注:粉质黏土、AB组土及渗水性级配碎石参数根据现场渗水试验确定,纤维混凝土参数根据GB-50164《混凝土质量控制标准》中按最低混凝土抗渗等级确定。

模型初始条件与边界条件如下:

(1)地下水水位采用定水头边界,距模型底面3m,假设潜水面不随降雨变化;

(2)路基表面纤维混凝土、排水板及底部混凝土阀板的渗透系数非常小,假设为不透水边界,即总流量为零;

(3)降雨量采用定流量边界(75mm/d),假设降雨量不变;

(4)排水沟位置采用渗出面边界。

1)稳态分析

在给定水位线与水力学参数(见表2)情况下,根据边界条件,计算出路基断面初始状态的体积含水量分布情况。

由图5可见,初始状态下,路基断面模型顶部压力水头为-7.3m,模型底部压力水头为3m,不同封闭型式区别不大。


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由图6可见,初始状态下,路基断面模型体积含水量由上向下递增,地下水水位线附近梯度增加,等值线有起伏,表层纤维混凝土、两布一膜与底部混凝土阀板等隔水材料含水量最低,为3.7%,水位线以上土体及路基填料呈非饱和状态,水位线以下土体饱和,含水量为38.9%。

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2)降雨期间瞬态分析

开始降雨后,路基两侧保温护道顶部压力水头随降雨入渗而持续升高,路基表层封闭型式由于表面直接排水,使得降雨在保温护道顶面坡脚处小范围汇集,而无封闭型式降雨自路基顶面入渗,在基床底层顶面沿排水板向路基两侧缓慢排出。

如图7、图8所示,持续降雨5天后,两种路基型式入渗影响深度均已达到基床底部筏板位置,保温护道土体已基本饱和,渗流流速最大位置出现在筏板边缘位置。由于雨水大量下渗,在阀板上部左右侧形成局部汇水区,此处含水量大幅上升,局部达到33%左右,但左、右线轨道下部至筏板范围的路基体暂时未受降雨影响。


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3)停止降雨后瞬态分析

连续降雨5天后,继续模拟停止降雨后不同时间路基土体内压力水头与含水量的变化情况,对比路基表面有无封闭的路基本体内水量疏排情况:

如图9、图10所示,降雨停止后,路基经过20天的疏排下渗,两种路基型式在阀板上部左右侧局部汇水区最大含水量已下降至22%左右,但仍有部分水量沿筏板上表面向路基体中部缓慢入渗,汇水区影响范围扩大;路基表层无封闭型式其筏板上部含水量增加范围在水平方向上已达到底座板左右侧边缘,而路基表层封闭型式其筏板上部含水量增加范围在水平方向已达到底座板下部,距路基中心约2.8m,含水量增加范围在垂向上距离路基表面约2.3m。

 


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图9  停止降雨20天后路基断面压力水头分布图

 


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随着路基本体内水量疏排下渗的持续进行,基床底部局部汇水区经历由向阀板中部汇集到向阀板两侧逐渐消散的过程,缓慢地向路基初始含水状态逐步平衡。整个过程中路基表层无封闭型式由于其线间的排水沟设计能够在降雨时及时排出路基表面水量,并且基床底层顶面的排水板能够有效阻隔地表降水进入基床底层,降低降雨入渗引起的底座板下部基床含水量的增加。

 

3.现场试验研究

 

在两种不同封闭型式的路基试验段选择代表性断面埋设位移传感器与温度传感器,监测整个冬季各段路基冻胀变形情况与冻结深度。

图11为两种不同封闭型式路基断面的冻胀量、冻结深度与气温变化情况。如图所示,两处断面冻胀量与冻结深度的变化趋势基本一致。在11月中旬至12月中旬期间,随外界气温大幅下降,冻胀量与冻结深度快速增加,在12月中下旬当冻结深度达到1.5m左右后,两处断面冻胀量已基本达到最大值,路基表层封闭型式最大冻胀量为2.4mm,无封闭型式最大冻胀量为1.0mm。随冻结深度进一步增加,冻胀量变化并不明显,因此,对路基冻胀作用显著的有效冻结深度约为1.5m。在3月中下旬,随气温逐步升高,冻结地层出现双向融化,冻胀量也随之下降,并于4月下旬完成融化过程,冻胀量基本回落。

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图11  不同封闭型式路基冻胀、冻深变化图

 

由于两段试验段相连,该区域地下水水位距离路基底部阀板约3m,而两种封闭型式试验段的基床底层碎石层与阀板设计相同,地下水对路基本体含水量的影响基本一致,两处断面的冻结深度也大致相同,因此,路基表层封闭型式与基床表层填筑型式的区别是影响两试验断面冻胀量不同的主要原因。路基表层无封闭型式由于其线间排水沟能够及时排出路基表面水量,基床底层顶面的排水板能够有效阻隔地表降水进入基床底层,降低地表水入渗引起的底座板下部基床含水量的增加,在外界环境温度相同的情况下,其冻胀量相对路基表层封闭型式较小。

 

4.结论

 

结合路基渗流数值分析及现场试验段冻胀监测研究,可得出以下结论:

(1)路基表层无封闭型式能够在降雨时及时排出路基表面水量,基床底层顶面的排水板有效阻隔了地表水进入基床底层,降低了降雨入渗对底座板下部基床含水量的影响。

(2)根据现场监测结果,在路基主要为浅层冻胀,地下水对路基本体含水量影响较小的情况下,路基表层无封闭型式的冻胀量较小。

(3)基床表层采用透水措施,线间设排水沟,而对基床底层顶面采用排水板进行封闭的措施,控制路基冻胀量的效果较好,但是这种路基结构型式的施工环节复杂,质量控制是难点,并且排水板的搭接型式与铺设范围仍需进一步优化。

 

参考文献

[1] 陈肖柏,刘建坤,刘鸿绪,等.土的冻结作用与地基[M].北京:科学出版社,2011:10-17.

[2] 许健,牛富俊,牛永红,等.换填法抑制季节冻土区铁路路基冻胀效果分析[J].中国铁道科学,2011(5):1-7.

[3] 冷毅飞,张喜发,张冬青.季节冻土区公路路基细颗粒土冻胀敏感性研究[J].冰川冻土,2006,28(2):211-216.

[4] 夏琼,杨有海,窦顺.兰新铁路路基冻胀特征及冻害整治措施研究[J].冰川冻土,2011,33(1):164-170.

[5] 张莲海,马巍,杨成松,等.土在冻结及融化过程中的热力学研究现状与展望[J].冰川冻土,2013,35(6):1505-1518.

[6] 石刚强,赵世运,李先明,等.严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析[J].冰川冻土,2014,36(2):360-368.

[7] 叶阳升,王仲锦,程爱君,等.路基的填料冻胀分类及防冻层设置[J].中国铁道科学,2007(1):1-7.

[8] 张鹏,肖绪文.哈大客运专线路基填料改良试验研究[J].铁道标准设计,2009(6):6-8.

 

作者简介

张振河  高级工程师,现任哈齐铁路客运专线有限责任公司副总经理、总工程师,主要从事铁路工程建设相关工作。