楊西鋒

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

高緯度嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基防凍脹設(shè)計(jì)研究

楊西鋒

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

為抑制嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基凍脹變形量,滿足鋪設(shè)無(wú)砟軌道的要求,充分吸取換填、防水、保溫等凍脹防治方法的最新研究成果,通過(guò)再創(chuàng)新,形成一種包含有防凍層、隔排水、局部保溫的綜合防凍脹技術(shù),并應(yīng)用于哈大高速鐵路實(shí)際工程中。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,得出采用該項(xiàng)技術(shù)路基凍脹量普遍小于4 mm,防凍脹效果滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)論。同時(shí)根據(jù)哈大線后期路基凍脹進(jìn)一步深化研究成果,對(duì)哈大高速鐵路路基凍脹規(guī)律進(jìn)行總結(jié),對(duì)路基防凍脹設(shè)計(jì)中如不凍脹土的判定標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)凍深的采用與修正、級(jí)配碎石摻水泥用于防治凍脹的優(yōu)劣等幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步探討,從實(shí)際應(yīng)用方面提出建議和意見(jiàn)。

嚴(yán)寒地區(qū);高速鐵路;路基;防凍脹設(shè)計(jì)

高速鐵路對(duì)路基工程的穩(wěn)定性提出了新的更高要求,路基工程穩(wěn)定與否是高速鐵路能否實(shí)現(xiàn)高速、平穩(wěn)、安全運(yùn)行的關(guān)鍵[1,2]。區(qū)別于以往普通路基工程著重強(qiáng)度設(shè)計(jì),高速鐵路路基工程在滿足強(qiáng)度要求的前提下,變形控制被提高到了極其重要的位置,尤其是鋪設(shè)無(wú)砟軌道的高速鐵路,甚至可以認(rèn)為高速鐵路路基設(shè)計(jì)的核心就是路基控制變形的設(shè)計(jì)。對(duì)高速鐵路影響最為嚴(yán)重的變形,是路基豎向變形,一種表現(xiàn)為路基沉降,另一種表現(xiàn)形式為路基面的抬升。本文將針對(duì)后一種情況下因凍脹而發(fā)生的路基面抬升進(jìn)行討論。

在嚴(yán)寒地區(qū),周期性的氣溫變化,綜合雨、雪等自然條件會(huì)形成一種特殊的巖土類型——季節(jié)性凍土[3]。季節(jié)性凍土最顯著的特征即其在冬季氣溫位于0℃以下時(shí)體積發(fā)生膨脹,這一特性在路基工程上最直接的表現(xiàn)就是在冬季路基面發(fā)生抬升,引起鐵路軌面不平順,進(jìn)而影響列車運(yùn)行舒適度甚至危及行車安全。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的危害對(duì)于高速鐵路影響尤為嚴(yán)重,因此嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基設(shè)計(jì)中,路基防凍脹設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

凍脹問(wèn)題的核心,歸根結(jié)底是負(fù)溫和水、土關(guān)系的問(wèn)題。工程界有凍脹“三要素”的說(shuō)法[4],即負(fù)溫、凍脹敏感性的土和水,普遍認(rèn)為只要徹底消除凍脹“三要素”中任何一項(xiàng),均可以完全消除凍脹的影響。但對(duì)于鐵路這種長(zhǎng)、大線形土木工程而言,徹底消除其中哪怕任何一項(xiàng)因素的影響都是幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的,唯有通過(guò)綜合措施,從3個(gè)因素同時(shí)入手,區(qū)分側(cè)重,才能在可行的前提下,有效控制凍脹變形的發(fā)生。

1 概述

哈大高速鐵路沈陽(yáng)至哈爾濱段南起遼寧省省會(huì)沈陽(yáng)市,途徑鐵嶺,吉林省四平市、長(zhǎng)春市、松原市,終止于黑龍江省會(huì)哈爾濱,線路全長(zhǎng)465.446 km,其中路基長(zhǎng)102.918 km。路基工程經(jīng)過(guò)的地貌單元有沖洪積平原、低山緩丘和剝蝕平原微丘區(qū)。涉及地層巖性有粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)黃土、砂礫石土、泥巖夾砂巖、安山巖。沿線地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。

該段地處中溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),其氣候特點(diǎn)是:四季分明,春季干旱多大風(fēng),夏季濕潤(rùn)多降雨,秋季涼爽多早霜,冬季寒冷而漫長(zhǎng)。年平均氣溫4.4～8.4℃,極端最高溫度36.1～39.8℃,極端最低溫度-39.9～-32.8℃,年平均降雨量481.8～682.7 mm,年平均蒸發(fā)量1226.0～1781.5 mm,平均相對(duì)濕度62%～65%,最大積雪厚度17～30 cm,最大季節(jié)凍土深度137～205 cm。

地處嚴(yán)寒地區(qū),冬季寒冷且漫長(zhǎng)、季節(jié)性凍深大且范圍廣、土的凍脹敏感性高且沿線均布、地(表)下水豐富且埋深淺是哈大高速鐵路沈哈段區(qū)別于其他客運(yùn)專線最鮮明的特點(diǎn)。由于無(wú)砟軌道對(duì)路基變形要求近乎苛刻,因此,采取有效措施減小凍脹量,將路基變形控制在無(wú)砟軌道允許的調(diào)整范圍內(nèi),是路基防凍脹設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及重點(diǎn)所在。

2 哈大高速鐵路沈哈段路基防凍脹設(shè)計(jì)

路基防凍脹設(shè)計(jì)的核心是控制路基因凍脹而發(fā)生的豎向變形,豎向變形又包括凍脹發(fā)生時(shí)路基面的抬升和凍脹消除時(shí)路基面發(fā)生的融化壓縮(下沉),從某種意義上講,融化壓縮變形帶來(lái)的危害性可能更大。因此,防凍脹設(shè)計(jì)其實(shí)包含了防止凍脹和防止融化壓縮兩個(gè)方面的內(nèi)容,但理論上采取了必要的防凍脹措施后,融化壓縮變形也會(huì)被抑制,因此習(xí)慣上將兩個(gè)合二為一。受高速鐵路動(dòng)荷載及土壤凍結(jié)深度的影響,對(duì)于高速鐵路路基,變形對(duì)線路影響最大的是路基本體部分,確切地說(shuō)是基床部分,所以哈大高速鐵路路基防凍設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在基床部分的防凍脹設(shè)計(jì)。

2.1 防凍脹設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

在路基基本結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上,融入換填、隔排水及局部保溫等措施,形成綜合性的路基基床防凍脹設(shè)計(jì),見(jiàn)圖1[5]。

圖1 哈大高速鐵路路基防凍脹設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖1 分別為高路堤(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)和路塹的防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。圖中①～⑥為分層(部)位針對(duì)路基基床凍脹采取的專門措施,這些措施綜合起來(lái)構(gòu)成哈大高速鐵路沈哈段整體防凍脹設(shè)計(jì)。各層(部)位技術(shù)條件說(shuō)明如下。

①封閉層。為一層不透水層,用以防止路基面表水(雨水、雪水等水流)下滲至基床內(nèi)部,同時(shí)具備足夠的強(qiáng)度。

②防凍層。為采用特殊填料換填的土層,換填材料除滿足路基力學(xué)指標(biāo)要求外,還必須為非凍脹性土[6]。

③上部隔斷層。位于基床表層和底層之間,是路基基床結(jié)構(gòu)中用作阻止水流繼續(xù)下滲的不透水層。

④防凍脹護(hù)道。高路堤設(shè)置防凍脹護(hù)道用以保護(hù)路堤坡腳部位不發(fā)生凍脹,保證路堤邊坡穩(wěn)定。

綜上可以看出,哈大高速鐵路采取了一整套系統(tǒng)的防凍脹措施,綜合了換填法、隔排水法和保溫法,同時(shí)針對(duì)凍脹敏感性的土、水分和負(fù)溫這3個(gè)凍脹基本要素共同發(fā)生作用。也可以看出,各種措施有所側(cè)重——負(fù)溫是大的自然環(huán)境,現(xiàn)有技術(shù)條件下暫時(shí)無(wú)法大范圍改變,所以僅在局部重點(diǎn)部位采取了保溫法;非凍脹性填料稀缺且成本高昂,所以將其設(shè)置于最易發(fā)生凍脹的部位;水分是發(fā)生凍脹最基本的因素,也是現(xiàn)有技術(shù)條件下最易控制的因素,因此對(duì)水分采取了嚴(yán)防死守的辦法,通過(guò)排、隔、疏等技術(shù)手段,基本隔絕了基床與外界水分的交換,使其內(nèi)部水分始終保持在較低的范圍。

2.2 防凍脹效果檢驗(yàn)

為了對(duì)上述設(shè)計(jì)的防凍脹效果進(jìn)行驗(yàn)證,選擇在哈大高速鐵路長(zhǎng)春西站附近路基建立試驗(yàn)段[7]。試驗(yàn)段為高填或深挖路基,最大填方高度6.0 m,最大挖方深度12 m。試驗(yàn)工程位于波狀沖積平原,地勢(shì)較開(kāi)闊,地形起伏。涉及的地層主要為:第四系中更新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土、黏土,下伏白堊系泥巖。其中黏質(zhì)黃土、黏土為凍脹敏感性土,泥巖具膨脹性。試驗(yàn)區(qū)地下水主要為第四系孔隙水和裂隙水,潛水水位埋深0.2～1.5 m,動(dòng)態(tài)變化大,受大氣降水補(bǔ)給,因土層滲透系數(shù)小,屬不透水層或微透水層。土壤最大凍結(jié)深度為169 cm。

D3K691+716、+820為路塹監(jiān)測(cè)斷面,進(jìn)行水分和變形監(jiān)測(cè)(+716)。D3K692+840為路堤監(jiān)測(cè)斷面,進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

圖2、圖3分別為路塹監(jiān)測(cè)斷面路基左、右線中心線下不同深度位置的含水率變化時(shí)程曲線,圖4為不同深度位置水分遷移對(duì)比示意。圖中深度以填料為天然地基交界面處為0 m標(biāo)定。

圖2 路塹監(jiān)測(cè)斷面路基基床左線中心線下不同深度水分變化對(duì)比示意

由圖2、圖3、圖4可以看出,設(shè)計(jì)中采用的封閉層、隔斷層和滲溝等隔排水措施,很好地將大氣降水、基床表面水流、地下水和基床隔離開(kāi)來(lái),有效降低了基床內(nèi)土體的含水量。同時(shí),這一隔排水體系抑制了路基基床內(nèi)的水分遷移,減少了基床內(nèi)水分的補(bǔ)給,使基床內(nèi)土體的含水量處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的較低狀態(tài)。這一點(diǎn),對(duì)于防止路基凍脹是非常有利的。

圖5為路塹和路堤監(jiān)測(cè)斷面總體凍脹變形(豎向抬高)隨溫度變化圖。路堤總體凍脹量約1.0 mm,路塹總體凍脹量約6.0 mm(這一數(shù)值在后期整治后下降至4.0 mm左右),均處于允許的范圍內(nèi),說(shuō)明防凍脹設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),是有效的。

3 哈大高速鐵路路基凍脹后期深化研究

圖3 路塹監(jiān)測(cè)斷面路基基床右線中心線下不同深度水分變化對(duì)比示意

圖4 路塹監(jiān)測(cè)斷面左右中心線下不同深度位置水分遷移對(duì)比示意

圖5 監(jiān)測(cè)斷面總體凍脹變形(豎向抬高)隨溫度變化

在哈大高速鐵路建成并正式通車后,針對(duì)哈大高速鐵路路基凍脹相關(guān)問(wèn)題開(kāi)展了一系列進(jìn)一步深化研究[8,9],采取了多種研究手段,使用了包括現(xiàn)場(chǎng)典型斷面自動(dòng)監(jiān)測(cè)、全線路基人工水準(zhǔn)測(cè)量等監(jiān)測(cè)方法,同時(shí)對(duì)多種凍脹處防治技術(shù)也進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。在深化研究過(guò)程中,就沈哈段路基凍脹情況而言,表現(xiàn)出以下規(guī)律。

(1)沈哈段路基自每年10月下旬開(kāi)始發(fā)生凍脹,至12月初凍脹基本完成,12月至來(lái)年3月為凍脹穩(wěn)定期,這一時(shí)期路基凍脹變形穩(wěn)定。3月至5月,為融化壓縮期,這一時(shí)間段內(nèi)路基整體發(fā)生融化壓縮變形,表現(xiàn)為高程回落,為凍脹的反向過(guò)程,回落幅度與凍脹基本一致,回落后路基基本恢復(fù)至凍脹前的狀態(tài)。5月至10月為路基穩(wěn)定期。沈哈段路基總體凍脹量(回落量)85%以上小于8 mm,平均凍脹量(回落量)約5 mm,說(shuō)明沈哈段路基凍脹量普遍位于較低水平,處于可控狀態(tài)。

(2)路堤、路塹兩種路基形式凍脹量情況對(duì)比,路堤凍脹量(回落量)≤8 mm占80%以上,平均凍脹量(回落量)5.7 mm;路塹最大凍脹量(回落量)≤8 mm占65%以上,平均凍脹量(回落量)7.4 mm,同時(shí)＞8 mm所占比較較高。說(shuō)明路塹凍脹情況要大于路堤,同時(shí)凍脹量(回落量)極值均位于路塹。低路堤凍脹情況與高路堤基本一致。

(3)路橋、路涵過(guò)渡段由于采用了特殊的改性填料(級(jí)配碎石摻水泥),凍脹量(回落量)較小,≤8 mm占90%以上,平均凍脹量(回落量)3.4 mm。

(4)路基凍脹量與是否位于底座伸縮縫處存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。路基受無(wú)砟軌道底座板伸縮縫封閉不良影響,路基面表水下滲,對(duì)凍脹形成了水分補(bǔ)給,加劇了該處路基凍脹發(fā)生,造成對(duì)應(yīng)于伸縮縫處路基的凍脹量大于不對(duì)應(yīng)處路基凍脹量。

(5)路基基床部分由3個(gè)結(jié)構(gòu)層組成,分別為基床表層(級(jí)配碎石)、防凍層(非凍脹性A、B組填料)及其下部分(普通A、B組填料或改良土)。把沿線各自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面基床中各層填料對(duì)總凍脹量的貢獻(xiàn)的百分?jǐn)?shù)取平均,則基床表層級(jí)配碎石層中發(fā)生的凍脹量約占總凍脹量的70%,防凍層中的凍脹量約占20%,而其下范圍土層只占10%。由此可見(jiàn),凍脹量主要是由基床表層級(jí)配碎石層凍脹完成的。

哈大高速鐵路路基凍脹量處于可控的區(qū)間內(nèi),出現(xiàn)個(gè)別凍脹量較大的區(qū)段,水是引發(fā)其最直接的因素。無(wú)論是有利于水分匯集的路塹,或是容易受水分侵?jǐn)_的基床表層,無(wú)一不是最直接面對(duì)水的侵襲。因此,在現(xiàn)有技術(shù)條件下,盡可能減小水對(duì)路基的影響,應(yīng)該是防凍脹設(shè)計(jì)的核心思想。

后期凍脹深化研究過(guò)程中,工程設(shè)計(jì)人員或長(zhǎng)期從事凍土研究的專家,就哈大高速鐵路路基凍脹的一些關(guān)鍵問(wèn)題有過(guò)多次深入的討論。通過(guò)這些討論,對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)深季節(jié)性凍土有了更清晰的理解,對(duì)于該地區(qū)路基防凍脹設(shè)計(jì)也有了更深入的認(rèn)識(shí)。

3.1 關(guān)于非凍脹性土

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10035—2006)規(guī)定:“粒徑小于0.075 mm的細(xì)顆粒含量小于15%、平均凍脹率η≤1且級(jí)配良好的碎(卵、礫)石土及礫、粗、中砂”為不凍脹土。這里所定義的不凍脹土,僅適用于普速鐵路。對(duì)于變形要求苛刻的高速鐵路而言,平均凍脹率η≤1的要求顯然寬泛了一些。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究表明,對(duì)于高速鐵路,粗顆粒土中細(xì)顆粒含量不大于5%才是滿足不凍脹土的下限標(biāo)準(zhǔn),見(jiàn)圖6[7,10]。但滿足該條件的天然填料顯然很稀缺,因此在實(shí)際工程中,這一標(biāo)準(zhǔn)需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行權(quán)衡修正使用。

圖6 粗顆粒土中細(xì)顆粒含量與凍脹率關(guān)系曲線

3.2 關(guān)于設(shè)計(jì)凍結(jié)深度

鐵路行業(yè)傳統(tǒng)上以當(dāng)?shù)刈畲髢鼋Y(jié)深度作為設(shè)計(jì)中使用的凍結(jié)深度。最大凍深來(lái)源于當(dāng)?shù)貧庀蟛块T統(tǒng)計(jì)年限或建站以來(lái)年度土壤最大凍結(jié)深度的最大值。考慮到氣象部門監(jiān)測(cè)凍結(jié)深度時(shí)的設(shè)定條件(遠(yuǎn)離市區(qū)、空曠場(chǎng)地、土壤),簡(jiǎn)單地使用這個(gè)數(shù)值用于高速鐵路設(shè)計(jì)顯然會(huì)出現(xiàn)偏差。鐵路是長(zhǎng)大線形工程,凍結(jié)深度受外部環(huán)境、路基形式(路堤路塹)、涉及的土層等影響很大。在哈大高速鐵路現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中,在基床部位(采用粗顆粒土填筑)實(shí)際觀測(cè)到的凍結(jié)深度大約是當(dāng)?shù)刈畲髢鼋Y(jié)深度的1.6倍,某些特殊地段,如涵洞過(guò)渡段處,這一比例甚至達(dá)到2.0倍以上。因此,在路基防凍脹設(shè)計(jì)中,對(duì)于凍結(jié)深度要有充分的認(rèn)識(shí),設(shè)計(jì)工作中應(yīng)該根據(jù)工程類型、土壤條件、路基形式等進(jìn)行修正。

3.3 關(guān)于基床表層下部鋪設(shè)的隔斷層。

路基凍脹量主要是由基床表層級(jí)配碎石層凍脹完成的。這一規(guī)律至少透露出3個(gè)方面的含義。

(1)顛覆了級(jí)配碎石不會(huì)發(fā)生凍脹的固有認(rèn)識(shí)。凍脹問(wèn)題,是負(fù)溫條件下水土關(guān)系的問(wèn)題。從嚴(yán)格意義上講,不存在完全的不凍脹土和凍脹土,在飽水條件下,級(jí)配碎石也會(huì)發(fā)生很嚴(yán)重的凍脹,而在完全沒(méi)有水的前提下,黏性土也不會(huì)發(fā)生凍脹。因此,在理解不凍脹土或凍脹土?xí)r,需要注意其適應(yīng)條件。

(2)基礎(chǔ)凍脹理論直觀的體現(xiàn)[11]?；A(chǔ)凍脹理論指出,凍結(jié)深度范圍內(nèi)發(fā)生的凍脹,主要是由其上部(從接觸負(fù)溫環(huán)境的面向下算起)2/3的厚度完成的,而且凍脹量沿深度不是線性均布,而是呈曲線急劇降低的趨勢(shì)。之所以會(huì)有這樣的規(guī)律,是因?yàn)橥馏w上部受負(fù)溫影響最大,同時(shí)凍結(jié)自上而下進(jìn)行時(shí),不斷有水分向凍結(jié)鋒面遷移,加劇了凍脹的產(chǎn)生,這一現(xiàn)象在哈大高速鐵路路基凍脹現(xiàn)象中得到了最直觀的體現(xiàn)。了解這一規(guī)律,有助于指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員將最有效的防凍脹措施使用在最有效的位置。

(3)隔斷層是有益的還是適得其反?哈大高速鐵路路基所表現(xiàn)出的凍脹量向基床表層級(jí)配碎石過(guò)度集中的現(xiàn)象,除了是基礎(chǔ)凍脹理論的體現(xiàn)外,同時(shí)引起了關(guān)于基床表層底部設(shè)置隔斷層是有益的還是適得其反的討論。一種觀點(diǎn)認(rèn)為,隔斷層的存在阻斷了水分向下滲流的通道,人為地將水分匯集至最有益于凍脹的基床表層,起到了“雪上加霜”的作用,進(jìn)一步惡化了凍脹條件,產(chǎn)生了額外的凍脹量。如果不存在隔斷層,則水分就可以下滲至產(chǎn)生凍脹較小的部位,從而產(chǎn)生較小的凍脹。另外一種觀點(diǎn)認(rèn)為隔斷層是有益的,理由是雖然目前看起來(lái)基床表層凍脹量比較突出,但原因一方面是因?yàn)榛脖韺犹幱趦雒涀蠲舾械牟课?另一方面級(jí)配碎石中含水量較高不是因?yàn)楦魯鄬拥拇嬖?而是設(shè)置于路基面的封閉層封縫失效導(dǎo)致較多的水流從路基面下滲,同時(shí)路基橫向亦排水不理想。假如不設(shè)置隔斷層,水流繼續(xù)下滲,則可能在路基更深的內(nèi)部引發(fā)更大同時(shí)更不易處理的凍脹量。

從哈大高速鐵路路基防凍脹的設(shè)計(jì)思想來(lái)講,對(duì)于基床內(nèi)的水分采取的是“疏堵結(jié)合、多重保障”的思想。路基面設(shè)計(jì)的封閉層,理論上已經(jīng)能夠?qū)⒙坊姹硭钄嗖⑼ㄟ^(guò)橫坡排至本體外。隔斷層更多是“有備無(wú)患”的考慮,假設(shè)萬(wàn)一有水流下滲,隔斷層能夠阻止其進(jìn)一步下滲,同時(shí)通過(guò)橫坡沿砂墊層排除。之所以會(huì)出現(xiàn)級(jí)配碎石內(nèi)水分匯集的現(xiàn)象,原因有三:上部封閉層封閉效果不理想、路基橫坡施工不理想、兩側(cè)護(hù)肩泄水孔排水效果不理想。認(rèn)識(shí)到這些,可以對(duì)后續(xù)防凍脹設(shè)計(jì)或凍脹整治有所啟示。

3.4 關(guān)于級(jí)配碎石摻水泥的凍脹特性問(wèn)題

路涵、路塹過(guò)渡段以及個(gè)別特殊地段,路基填料采用了摻加不同比例水泥的級(jí)配碎石?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)這些段落的凍脹量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他段落,基于此,關(guān)于級(jí)配碎石摻水泥的凍脹特性及是否可以大面積推廣使用的問(wèn)題成為焦點(diǎn)。

級(jí)配碎石摻水泥作為路基填料可以理解為是一種改性的填料,因?yàn)樗鼜谋举|(zhì)上已經(jīng)不等同于傳統(tǒng)意義上的填料,具備素混凝土的某些特征。從實(shí)驗(yàn)室得到的數(shù)據(jù)看,該材料不但具有良好的抗凍性能,其耐久性也能得到保證。但是普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為,在實(shí)際工程中大面積使用該材料,裂縫問(wèn)題無(wú)法解決,另外經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后,材料可能會(huì)粉化,到時(shí)其強(qiáng)度、密實(shí)度、甚至抗凍性都會(huì)大打折扣。

公路行業(yè)也有類似的材料,稱為水泥穩(wěn)定碎石,在公路路面基層中廣泛使用。公路和鐵路使用該材料的部位是有所區(qū)別的,公路是在瀝青路面以下,相當(dāng)于外部多了一層保護(hù),但鐵路工程中,級(jí)配碎石摻水泥往往使用在基床表層,直接接觸環(huán)境和承受列車荷載影響。因此在使用該材料用于防治凍脹時(shí),應(yīng)注意其局限性。

4 結(jié)語(yǔ)

路基防凍脹設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程,除了路基本體,邊坡、排水、支擋、接口等附屬工程也是設(shè)計(jì)應(yīng)該重視的方面。就目前看,防凍脹設(shè)計(jì)的基本方法,無(wú)外乎針對(duì)凍脹“三要素”而衍生出的換填法、隔排水法和保溫法三種[12]。在工程應(yīng)用中,只通過(guò)一種方法徹底解決凍脹問(wèn)題幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的,因此需將這三種方法有機(jī)結(jié)合,并根據(jù)工程實(shí)際有所側(cè)重,以期達(dá)到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)。

[1] 中華人民共和國(guó)鐵道部.新建時(shí)速300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2007.

[2] 中華人民共和國(guó)鐵道部.高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2010.

[3] 霍凱成,黃繼業(yè),羅國(guó)榮.路基凍脹機(jī)制及凍害防范整治措施探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2002,21(7):l099-1103

[4] 徐學(xué)祖,何平,張健明.土體凍結(jié)和凍脹研究的新進(jìn)展[J].冰川凍土,1997,19(3):280-283.

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[6] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2006.

[7] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.寒區(qū)客運(yùn)專線路基及涵洞防凍脹技術(shù)試驗(yàn)研究[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2011.

[8] 趙世運(yùn),張先軍,等.嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2012(5):1-9.

[9] 張先軍.哈大高速鐵路路基凍脹規(guī)律及影響因素分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2013(7):8-12.

[10]中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.寒區(qū)鐵路路基防凍脹結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)研究[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,2011.

[11]徐學(xué)祖.凍土物理學(xué)、化學(xué)及凍脹機(jī)理研究[J].冰川凍土譯報(bào), 1989,6(1):1-5.

[12]屈振學(xué).季節(jié)性凍土區(qū)鐵路客運(yùn)專線路基的凍脹特性分析與措施[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2009(12):8-11.

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

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2006G011-B-3),鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(Z2012-062)

楊西鋒(1976—),男,高級(jí)工程師,1999年畢業(yè)于西南交通大學(xué)水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),工學(xué)學(xué)士,E-mail:Headyxf@163.com。