張玉芝，杜彥良，孫寶臣

(1.石家莊鐵道大學(xué) 河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊　050043；2.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京　100044)

哈大高速鐵路是我國(guó)在高寒季節(jié)性凍土地區(qū)修建的第1條高速鐵路，對(duì)路基穩(wěn)定性要求嚴(yán)格。

鐵路設(shè)計(jì)時(shí)期，許健等[1-3]運(yùn)用淺層凍土非穩(wěn)態(tài)相變溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，研究了保溫、換填等防凍脹措施可能對(duì)路基地溫場(chǎng)和變形場(chǎng)造成的影響。路基修建之初，劉華等[4-5]依據(jù)哈大高速鐵路長(zhǎng)春段路基地溫監(jiān)測(cè)資料，初步分析了路基斷面不同位置的地溫分布規(guī)律，并建立數(shù)值模型研究了不同路基填料地溫場(chǎng)的分布規(guī)律。牛富俊等[6-7]通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料的分析，研究了哈大高速鐵路路涵過(guò)渡段路基及其下部地基土的凍結(jié)特征和時(shí)空變化特征及其對(duì)路基熱穩(wěn)定性的影響，并建立溫度場(chǎng)模型分析了不同結(jié)構(gòu)形式的涵洞對(duì)路基熱穩(wěn)定性的影響。上述研究成果在一定程度上指導(dǎo)了凍土地區(qū)高速鐵路路基的工程實(shí)踐，并初步評(píng)價(jià)了工程措施的效果。

對(duì)于季節(jié)性凍土地區(qū)而言，保證路基的力學(xué)穩(wěn)定性是其設(shè)計(jì)和維護(hù)的關(guān)鍵，現(xiàn)場(chǎng)大量的實(shí)測(cè)路基地溫和變形等資料有助于分析路基的穩(wěn)定性狀況，并為養(yǎng)護(hù)維修提供參考。凍土地區(qū)鐵路路基的修筑打破了原地層的熱量周轉(zhuǎn)格局，路基及周邊地區(qū)地溫場(chǎng)需要一段時(shí)間才能逐漸穩(wěn)定。張玉芝[8]等依據(jù)3年的地溫實(shí)測(cè)資料數(shù)值分析了路基不同位置及坡腳、天然位置的地溫分布規(guī)律，并研究了地溫的發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)路基穩(wěn)定性可能造成的影響。哈大高速鐵路運(yùn)營(yíng)后首個(gè)凍融期(2012—2013年)的路基變形監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，路基普遍存在凍脹，個(gè)別區(qū)段出現(xiàn)了近20 mm的凍脹變形，且路基的凍脹變形以基床表層凍脹為主，主要發(fā)生在非凍脹敏感性的A和B組填料及級(jí)配碎石中。盛岱超等[9-10]認(rèn)為列車循環(huán)動(dòng)荷載引發(fā)的超靜孔壓將水壓向凍結(jié)鋒面，使冰層不斷形成，并導(dǎo)致凍脹持續(xù)發(fā)展。石剛強(qiáng)等[11]依據(jù)哈大高速鐵路沿線9 641個(gè)凸臺(tái)觀測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)資料得出結(jié)論，路基的凍脹程度與采取的填料和斷面的位置存在內(nèi)在聯(lián)系。王春雷等[12]的研究則表明，路基填料質(zhì)量不佳和防排水措施不到位等是凍脹的主要影響因素。由于缺乏對(duì)典型斷面的連續(xù)監(jiān)測(cè)分析，對(duì)于季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基變形特征及影響因素尚缺乏明確和系統(tǒng)的分析。

哈大高速鐵路沈哈段的路橋過(guò)渡段采用了二次過(guò)渡形式，過(guò)渡段范圍內(nèi)不同斷面處路基的填料組成變化比較大，同時(shí)，高速鐵路的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)也表明：路橋過(guò)渡段路基沉降變形引起的病害是最為普遍的一類路基病害[13]。因此，本文結(jié)合哈大高速鐵路德惠特大橋路橋過(guò)渡段2012—2014年2個(gè)凍融循環(huán)期間的地溫和沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路運(yùn)營(yíng)后凍融周期內(nèi)路橋過(guò)渡段的凍脹融沉和差異沉降等的發(fā)展變化特征。

1　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

1.1　監(jiān)測(cè)區(qū)域概況

監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)楣蟾咚勹F路德惠特大橋橋頭的填方過(guò)渡段，如圖1所示。圖中，L為過(guò)渡段長(zhǎng)度；(h1-h2)為橋臺(tái)后路堤的高度，a取過(guò)渡段內(nèi)正梯形和倒梯形中短邊長(zhǎng)度的較大值。

圖1　過(guò)渡段結(jié)構(gòu)設(shè)置及沉降監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

該處地下水為第四系孔隙潛水，主要由大氣降水補(bǔ)給。水位埋深較大，一般為13.0～18.5 m。

該路橋過(guò)渡段的正梯形部分采用水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石(摻加3%～5%水泥)，其后設(shè)置一段倒梯形的過(guò)渡段，填料為A，B組填料，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)同基床底層。過(guò)渡段范圍內(nèi)0.4 m厚基床表層的級(jí)配碎石摻加3%～5%的水泥。過(guò)渡段范圍以外，路基基床表層為0.4 m厚的級(jí)配碎石，下設(shè)1.0 m防凍層，采用非凍脹性A，B組填料(填料中細(xì)粒含量小于15%，且平均凍脹率η≤1%)填筑。在基床表層底面均鋪設(shè)1層兩布一膜的復(fù)合土工膜隔斷層，土工膜上下各設(shè)0.05 m厚的中粗砂墊層。

1.2　監(jiān)測(cè)方案

沉降測(cè)點(diǎn)布設(shè)基本方案為：自橋邊緣處沿線路方向30 m范圍內(nèi)的東路肩表面每5 m布設(shè)1個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)固定在橋框架梁上見(jiàn)圖1。

地溫采用文獻(xiàn)[8]和[14]的測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案：軌道鋪設(shè)前，在橋后過(guò)渡段K1 063+629東路肩處布設(shè)測(cè)溫孔，在路基表面以下0.8～3.8 m深范圍內(nèi)每間隔0.5 m設(shè)1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。同時(shí)，在沉降測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)裝置中集成溫度傳感器，測(cè)量地表溫度。

沉降變形傳感器選擇文獻(xiàn)[15]中研發(fā)的基于液體壓差的傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)變形的同步連續(xù)測(cè)讀。傳感器在200 mm的有效量程內(nèi)測(cè)試精度可達(dá)到±0.2 mm。溫度傳感器采用熱敏電阻作為主要元件，測(cè)量范圍為-40～60 ℃，在-20～20 ℃范圍內(nèi)測(cè)量精度為±0.03 ℃。

路基地溫采集頻率為每5 d采集1次，變形和地表溫度數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)定為每6 h采集1次。

2　過(guò)渡段沉降變形分析

以0 ℃作為凍結(jié)溫度，依據(jù)地表溫度和路基地溫實(shí)測(cè)值通過(guò)線性插值得到凍深實(shí)測(cè)值。2個(gè)凍融循環(huán)期間凍深和變形的時(shí)程曲線如圖2和圖3所示，2個(gè)凍融循環(huán)期間凍脹穩(wěn)定期的最大凍脹變形量如圖4所示。

由圖2—圖4可知，2個(gè)凍融循環(huán)期間凍脹變形均呈階段性的增長(zhǎng)，最大凍脹量差異很小，且各測(cè)點(diǎn)凍脹變形最大值的大小次序基本相同。由凍脹基本穩(wěn)定時(shí)對(duì)應(yīng)的凍深可知，凍脹量基本發(fā)生在凍深0～1.2 m范圍內(nèi)。因此，2013年冬季的凍深雖然減小(從2.47 m降至2.25 m)，但凍脹量并未顯著降低。季節(jié)性凍結(jié)層融化后，融沉壓縮變形逐漸穩(wěn)定，基本上回復(fù)到凍融之前的狀態(tài)。

各測(cè)點(diǎn)變形均可分為凍脹和融沉壓縮2個(gè)階段，本文以變形量較為明顯的2012—2013年期間路橋過(guò)渡段的變形為基礎(chǔ)，基于文獻(xiàn)[16]中的凍深—表面凍脹量對(duì)比法，研究?jī)雒涀冃坞S凍深的發(fā)展變化。而后比較路基不同結(jié)構(gòu)層的凍脹量對(duì)總凍脹量貢獻(xiàn)，并進(jìn)一步分析過(guò)渡段的融沉壓縮及差異沉降的變化。

圖2　2012—2013年各測(cè)點(diǎn)變形和凍深時(shí)程曲線

圖3　2013—2014年各測(cè)點(diǎn)變形和凍深時(shí)程曲線

圖4　凍融循環(huán)期間凍脹變形穩(wěn)定期路基各測(cè)點(diǎn)的最大變形

2.1　凍脹變形階段

各階段凍脹變化量和平均凍脹速率見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)： 凍深在0～0.40 m時(shí)，監(jiān)測(cè)區(qū)域的凍脹量為0.2～2.0 mm，其中K1 063+614—K1 063+624區(qū)域內(nèi)凍脹量增長(zhǎng)較快，平均凍脹速率為0.12～0.17 mm·d-1； 隨著凍深的增大，凍深在0.40～1.24 m時(shí)凍脹量持續(xù)增長(zhǎng)，凍深為1.24 m時(shí)凍脹量達(dá)到2.8～8.3 mm，其中，凍深分別在0.40～0.66 m及0.97～1.24 m范圍內(nèi)時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的凍脹較為明顯，平均凍脹速率為0.08～0.44 mm·d-1，而凍深在0.66～0.97 m內(nèi)時(shí)，凍脹處于相對(duì)平穩(wěn)時(shí)期；凍深繼續(xù)發(fā)展，K1 063+614—624區(qū)域內(nèi)的凍脹量繼續(xù)緩慢上升，而其余區(qū)域基本沒(méi)有增長(zhǎng)；凍深超過(guò)1.24 m后，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)凍脹量基本保持穩(wěn)定，平均凍脹速率為0～0.01 mm·d-1。在凍脹穩(wěn)定期監(jiān)測(cè)區(qū)域的凍脹量在2.7～8.0 mm之間。

2.2　各結(jié)構(gòu)層凍脹量貢獻(xiàn)

按路基的結(jié)構(gòu)層劃分，各結(jié)構(gòu)層凍脹量占總凍脹量的比例如圖5所示。測(cè)點(diǎn)K1 063+604和K1 063+624處的凍脹量最大，達(dá)到8.0 mm左右，靠近橋梁的K1 063+629處的凍脹量最小，僅為2.8 mm左右，其余測(cè)點(diǎn)的最大凍脹量基本在5.0～6.0 mm之間。結(jié)合圖2、表1及圖5分析可知，凍脹量占總凍脹量的比例較大的位置為路基以下0～0.66 m以及0.97～1.24 m深范圍。

表1　凍結(jié)期間不同階段凍脹變化量、平均凍脹速率及凍脹量占總凍脹量的比例統(tǒng)計(jì)表

圖5　路橋過(guò)渡段不同結(jié)構(gòu)層凍脹量占總凍脹量比例

結(jié)合以上分析可得如下初步判斷結(jié)果。

(1) 基床表層范圍內(nèi)的級(jí)配碎石及粗砂墊層(路基以下0.5 m深范圍內(nèi))凍脹量占路基總凍脹量的平均比例為37.77%，其中，K1 063+614—624基床表層范圍內(nèi)級(jí)配碎石的凍脹量所占比例較大，接近60%。由于隔斷層中土工膜的存在，級(jí)配碎石內(nèi)的水分不能向下遷移。因此認(rèn)為，此部分凍脹是由于軌道結(jié)構(gòu)封堵不嚴(yán)及排水不暢導(dǎo)致水分積聚而引起的原位凍脹。

(2) 基床0.50～0.66 m及0.97～1.24 m范圍內(nèi)A和B組填料防凍層的凍脹量占總凍脹量的平均比例分別為14.65%和37.03%。由于土工膜的存在以及季節(jié)性凍土地區(qū)路基下部較高的土體地溫，在溫度勢(shì)作用下水分向上遷移到防凍層上部后滯留，導(dǎo)致含水率持續(xù)增加，故凍脹較為明顯。隨著冷端溫度快速下降，凍結(jié)鋒面向下發(fā)展(路基表面以下0.66～0.97 m)時(shí)，遷移至凍結(jié)鋒面的水分逐漸減少，含水率增加較少，故凍脹量較小。隨著凍深繼續(xù)發(fā)展至0.97～1.24 m處A，B組填料，由于溫度梯度有利于分凝凍脹的形成，其凍脹量比較大。而1.5 m以下的土體，由于水分已發(fā)生了向上遷移，導(dǎo)致地下水水位較低，超過(guò)了毛細(xì)水的上升高度，加之季節(jié)性凍土地區(qū)單向凍結(jié)造成路基土體越往下地溫越高，凍結(jié)越不充分等原因，導(dǎo)致含水率較低，故凍脹量小。

(3) 由K1 063+629處基床表層以下填料的凍脹量來(lái)看，級(jí)配碎石摻加水泥可減少路基的凍脹。K1 063+614—624區(qū)域內(nèi)的基床表層級(jí)配碎石摻加水泥后的凍脹量雖占總凍脹量的比例相對(duì)較大，但其凍脹率為0.05%～0.5%，仍然是比較低的。

2.3　路橋過(guò)渡段融沉壓縮和差異沉降

對(duì)比圖2及圖3可知，路基雙向融化導(dǎo)致凍結(jié)區(qū)域內(nèi)土體在1個(gè)月左右的時(shí)間內(nèi)快速融化，融化過(guò)程中季節(jié)凍結(jié)層出現(xiàn)凍土核現(xiàn)象。且由于路肩位置融化較晚，凍土核現(xiàn)象更為明顯[8]，導(dǎo)致劇烈相變過(guò)程中融化的水分不能及時(shí)下滲，也不能由兩側(cè)路肩順暢排除，加之列車動(dòng)荷載的作用，監(jiān)測(cè)區(qū)域出現(xiàn)了比較明顯的融沉壓縮變形。并且，在凍脹較大的區(qū)域，路基聚冰多且多位于路基本體上部，融化期水分多，有可能伴隨路基基床強(qiáng)度的下降[14]，在列車荷載的作用下融沉壓縮變形較大。路基土體全部融化后，融沉壓縮變形也逐漸趨于穩(wěn)定。

按照高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(TB 10621—2009)[17]規(guī)定，當(dāng)設(shè)計(jì)時(shí)速為250～350 km時(shí)，路橋過(guò)渡段軌面彎折角限值為θ≤1.0×10-3rad。

路橋過(guò)渡段軌面彎折角θ=H/L，其中H為工后沉降差。2012—2013年凍融循環(huán)期間，路橋過(guò)渡段路肩處由差異沉降引起的彎折角列于表2?？梢?jiàn)，靠近橋梁位置的K1 063+624—629區(qū)域差異沉降引起的彎折角在12月20日達(dá)到1.06×10-3rad，但之后基本上沒(méi)有變化。在融化期間，差異沉降逐漸消失，彎折角迅速減小。差異沉降引起的彎折角基本滿足規(guī)范的相關(guān)要求。

表2　不均勻變形引起的彎折角統(tǒng)計(jì)表

顯然，控制沿線的凍脹變形是避免路橋過(guò)渡段產(chǎn)生較大差異沉降的關(guān)鍵。

2.4　討論

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，路基防排水措施的效果會(huì)降低，導(dǎo)致雨雪水的入滲和積聚；土體的物理力學(xué)性質(zhì)也會(huì)逐步劣化，加之路橋過(guò)渡段土體性質(zhì)不均勻以及土體中的水分發(fā)生遷移和重分布等，都可能導(dǎo)致凍脹變形和不均勻變形的增大。并且，由于路肩覆蓋層較線路中心薄，又毗鄰邊坡，有利于散熱，導(dǎo)致其處地溫較低，從而在橫斷面上引發(fā)差異變形。

綜上所述，在氣候環(huán)境影響下，哈大高速鐵路路基的地溫場(chǎng)及采用的土工膜、粗顆粒填料、防排水設(shè)施等工程措施均不同程度地影響了路基內(nèi)水分的遷移和重分布，從而形成了路基凍融變形發(fā)展的特征。因此，應(yīng)提前采取措施防止路基的凍脹和融沉壓縮變形引起的病害：一方面，繼續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)路基病害，加強(qiáng)線間積水和地下水的整治，重視路基封堵排防水設(shè)施的維護(hù)；另一方面，必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程環(huán)境等，繼續(xù)開展改善路基填料、保溫等防凍脹技術(shù)措施的研究。

3　結(jié)　論

(1)凍脹變形主要發(fā)生在凍深0～1.2 m左右的范圍內(nèi)，凍結(jié)期間變形隨凍深的增加呈現(xiàn)階段性增長(zhǎng)的特征?；脖韺蛹?jí)配碎石的凍脹量約占路基總凍脹量的40%。

(2)路基的融沉壓縮變形約在1個(gè)月內(nèi)完成，趨于穩(wěn)定后變形基本上恢復(fù)到凍融之前的狀態(tài)。在凍脹變形較大的區(qū)域，融沉壓縮變形相對(duì)較大，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。凍融期間，差異沉降引起的彎折角基本滿足規(guī)范≤1.0×10-3rad的要求。

(3)在氣候環(huán)境影響下，路基采取的各項(xiàng)工程措施及形成的路基地溫場(chǎng)等引起了水分的遷移和重分布，進(jìn)而影響路基土體凍融變形的特征。

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