田亞護,溫立光,劉建坤
(1.北京交通大學 土木建筑工程學院,北京100044;2.呼和浩特鐵路局 工務處,呼和浩特010000)
隨著經濟的發(fā)展,高速鐵路、重載鐵路和大運量鐵路成為鐵路建設發(fā)展的主要方向,因此,對路基的變形控制已成為高速、重載鐵路路基的關鍵技術[1-3]。在我國的東北、華北、西北和西南地區(qū),由于受地理條件的限制,每年都有持續(xù)數(shù)月的嚴冬季節(jié),使之季節(jié)凍土廣泛分布。由于氣候、地質條件等原因,季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基每年在冬季發(fā)生凍脹、春季發(fā)生翻漿冒泥,嚴重地影響了線路的正常運營,也限制了鐵路提速。
北京—包頭鐵路(京包線)和包頭—蘭州鐵路(包蘭線)是我國北方地區(qū)交通運輸?shù)膬蓷l主干線,是溝通西北和華北地區(qū)客貨運輸?shù)闹匾ǖ?。這兩條線路處在季節(jié)性凍土區(qū)內的地段,一直都存在著不同程度的路基凍害。當列車時速較低時,通過每年的養(yǎng)護維修也基本能正常運營,隨著列車速度的提高,加之多年來凍脹的日積月累,已不能保證按規(guī)定時速正常安全行駛,給列車的安全運營帶來隱患。本文通過對內蒙古季節(jié)凍土區(qū)京包線和包蘭線路基從1月—6月期間內的變形監(jiān)測,分析季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基凍害特點及發(fā)生原因,為季節(jié)凍土區(qū)高等級鐵路路基的凍害防治、養(yǎng)護維修和抗凍設計提供借鑒。
京包線、包蘭線的呼和浩特鐵路局管界內,年平均氣溫在7℃以上,歷年最低氣溫低于-30℃,年凍結深度在天然地表下1.0~1.2m范圍內。根據(jù)調查,京包、包蘭線呼局管界內每年凍脹量在20 mm以上者多達124處,總累計達5 000多米;凍脹量在20 mm以下者,達到了近30 km。
根據(jù)凍害調查所得的統(tǒng)計數(shù)據(jù),選擇代表性的2個路基高程變化觀測段:察素齊(位于京包上行線K701+0~K701+400段)和前旗(位于包蘭上行線K72+600~K72+900段)。觀測段地區(qū)的氣象資料見表1。
表1 京包線、包蘭線部分地區(qū)氣象資料
由圖1可看出,該地區(qū)的降雨具有明顯的季節(jié)性特征,主要集中在夏季6—9月間,也就是在路基土凍結的前期降雨量最大。
圖1 察素齊、前旗段多年月平均降雨量曲線圖
對監(jiān)測地段內路基填土取樣進行室內試驗分析,2個監(jiān)測地段的路基土基本性質見表2,其級配情況如下所述。K701+024處土的級配為:細礫3.1%,砂粒64.74%,粉粒26.81%,黏粒5.35%,粒徑>0.075mm顆粒的質量超過總質量的50%且<80%。
K72+612處土的級配為:細礫0.74%,砂粒39.87%,粉粒45.74%,黏粒13.65%;10<(Ip=13.2)<17.0(Ip為塑性指數(shù)),液限(WL=26.6%)<40%。
根據(jù)鐵路路基規(guī)范[1],這兩處路基土都屬于 C類填料;K72+612處路基填土的細顆粒含量較高,粒徑<0.075mm的占總重量的60%左右,為低液限粉質黏土;K701+024處的土樣粗顆粒含量相對較高,粒徑>0.075mm的占總重量的65%以上,該土為粉砂土。
表2 路基填土基本物理性質
根據(jù)對京包上行線 K701+0~K701+400段、包蘭上行線K72+600~K72+900段兩處路基在1月—6月期間路基上的軌面高程的監(jiān)測,觀察路基高程在不同時間的變化過程?,F(xiàn)場監(jiān)測高程采用黃海高程系。
該段路堤位于京包線上行線位置,路基高度為2~3 m,位于土默川平原的山前沖積扇,地勢平坦,天然地面1.5 m以下未見地下水,線路坡度為-0.6‰。根據(jù)監(jiān)測結果,此段路基上的軌面在不同時間的高程變化趨勢見圖2。
圖2 京包上行線K701+0~K701+400段路基上軌面高程變化曲線
由圖2可以看出,該段路基上的軌面高程基本在1月—2月期間達到最大值,在5月—6月又降低到最小值。這是由于,在1月—2月期間,當?shù)貧鉁靥幱谧畹蜁r期,路基中的土體基本上也達到了最大季節(jié)凍結深度,因此,土中凍結水分的量最大,相應凍脹量也最大,從而表現(xiàn)為同一位置處的軌面高程達到最大值。在春季以后,隨著氣溫的逐漸回升,季節(jié)凍土層中的冰晶逐漸融化,在列車荷載和土體自重的作用下,路基土受壓軌面高程逐漸回落降低,在5月—6月同一位置處的軌面高程基本上降到最小值。
根據(jù)監(jiān)測結果,以6月份路基軌面高程為基準值,相同位置處不同時間的軌面高程與6月份的軌面高程差值作為路基變形量,并以圖3顯示路基變形量在不同時間沿線路縱向的變化。
圖3 京包上行線K701+0~K701+400段路基變形量曲線
圖3表明,該段路基凍脹變形較明顯,且沿著線路縱向很不均勻。路基變形量在1月—2月期間達到最大值,在3月—4月期間逐漸減小,在5月—6月基本回落完畢。在1月—2月期間,K701+0~K701+200段路基的變形量最大值發(fā)生在K701+025處,其值為57 mm,變形量最小值發(fā)生在 K701+075處,為 26 mm;此段路基每年季節(jié)凍結深度為1.1 m,其最大凍脹率為5.2%,最小凍脹率為2.4%。由于凍脹引起線路軌面高程發(fā)生突變,嚴重影響了線路縱向的平順度要求。
K701+200~K701+400段路基在1月—2月份軌面高程監(jiān)測變化幅度較大,最大變形量達78 mm。這是由于監(jiān)測期間工務段養(yǎng)護部門進行路基凍害整治,對這段路基進行養(yǎng)護作業(yè)后路基軌面高程產生較大變化造成的。
該觀測段路堤位于包蘭線上行線位置,路基高度為3~4 m,位于黃河沖積平原,地勢平坦,屬中溫帶型大陸性氣候,天然地面1.0 m以下未見地下水,線路坡度為 -0.2‰。
根據(jù)監(jiān)測結果,此段路基上軌面高程在不同時間其變化曲線見圖4。
圖4 包蘭上行線K72+600~K72+900段路基上軌面高程變化曲線
由圖4路基上的軌面高程變化過程可以看出,該段軌面高程變化時間性很明顯。在2月份,相同里程處軌面高程基本達到最大值,3月份后,開始逐漸下降,4月份以后,基本上就降低到最小值附近。此段填土路基的每年季節(jié)凍結深度為1.1 m。在3月初以后,隨著氣溫逐漸升高,凍結區(qū)的土體從路基上部開始融化,在1個月內,路基高程幾乎回落到最小值,表明土體中引起路基凍脹的冰晶基本上全部融化。這說明此段路基的凍脹也主要發(fā)生在季節(jié)凍結層的上部,即基床表層附近,表明基床表層附近土中冰晶含量相對較大。此段路基變形量在不同時間沿線路縱向的變化見圖5。
圖5 包蘭上行線K72+600~K72+90段路基變形量曲線
從圖5可以看出,該段路基變形量沿線路縱向變化很不均勻。在2月份,K72+615處路基凍脹變形量最大,為46 mm,而在K72+875處凍脹變形量最小,為12 mm。此段路基每年季節(jié)凍結深度為1.1 m,最大凍脹率為4.2%,最小凍脹率為1.1%。圖5中也表明,在氣溫回升以后,路基中部分地段路基變形量為負值,其大小在4~7 mm左右。這是由于基床表層附近土中的冰晶體含量較大,在其融化后產生道砟沉陷導致軌面高程降低,在經路基養(yǎng)護后軌面抬高所致。
對于鐵路線路來說,有意義的不是路基凍脹的絕對數(shù)值,而是在其縱向和橫向上路基凍脹的不均勻程度。凍脹的不均勻性,常使軌道結構的水平、高低等發(fā)生不均勻的變化,改變了線路的整體平順度,給行車帶來安全隱患。通過對京包線和包蘭線的路基凍脹變形監(jiān)測的結果表明,京包線和包蘭線路基凍脹呈現(xiàn)整體性變形,但不同里程處的路基凍脹的相對高度相互之間差異較大,路基的凍脹變形極不規(guī)則,嚴重破壞了路基的整體平順度。
土凍脹敏感性及影響土凍脹量的因素眾多,土性、水、溫度是其中三個很重要的因素[4-6]。
溫度條件對凍脹過程影響的特征指標是凍結鋒面的前進速度,即凍結速率。凍結鋒面發(fā)展快慢差異,決定著土凍結時是否只有原孔隙中的土壤水結冰,或除上述外還出現(xiàn)冰的分凝作用,形成薄厚不等的冰透鏡體,直接改變凍土的物理力學性質。根據(jù)京包線、包蘭線部分地區(qū)氣象資料顯示,路基監(jiān)測地段年平均氣溫較低,年極端最低氣溫達-30℃以下,年降雨集中在6月—10月份,冬季最大積雪深度可達6 cm。京包線、包蘭線路基地處季節(jié)性凍土地區(qū),凍結初期溫度升降反復變化,路基土的凍結速率較慢,未凍土中水分有較長的遷移時間;在每年的雨季后,土體的天然含水量較高,而路基土的細顆粒含量較多,相應排水條件不良,當氣溫降低時很容易使得土體產生較大的凍脹量。
土的粒徑與級配是影響土凍脹性的重要因素之一,而且隨著粒徑的變細,土顆粒與水之間的相互作用增強,土壤滲透性減弱。當粉粒含量占主要組成時,凍脹性最強;當黏粒占主要組成時,土粒與土壤水的作用很強,但由于土壤滲透性減弱,影響凍結時水分向凍結緣遷移聚集,故凍脹性反而降低。圖6表示了水分遷移聚集及凍脹率隨礦物顆粒尺寸的變化趨勢[4]。
由圖6可見,土顆粒尺寸在0.050~0.005 mm范圍內的粉粒土凍脹性最強,即土粒組成中粉質顆粒占優(yōu)勢是水分遷移的最有力條件。在黏性土顆粒范圍內(0.005~0.002 mm)及以下時,土體的分散性增加,在土顆粒自由能增加的同時,不參與水分遷移和土凍脹過程的強結合水量也隨之增大,且滲透系數(shù)降低,故水分遷移、聚集量反而逐漸減少。
圖6 水分遷移集聚量W及凍脹率η隨礦物顆粒尺寸的變化趨勢
京包線、包蘭線路基土中由于細顆粒含量較多,在每年雨季后土體的天然含水量較高,而路基土排水條件不良,這使得土體凍結過程中具有較高的水分遷移能力,因此,在冬季凍結過程中路基易產生凍脹。在春季,隨著氣溫回升,路基土體中冰晶融化,尤其在基床表層附近大量的冰晶融化,由于土體內水分不能及時排出,在列車動力作用下易形成道砟陷槽和翻漿。另外,由于多年的病害效果累積,使道砟陷槽深淺不一、道床厚度及污染程度不同,加之養(yǎng)護維修時的換土使基床土質在短距離內有較大的變化,導致路基凍脹變形不均勻。
在每年的6月—10月,京包線的察素齊區(qū)域內的降雨量比包蘭線前旗區(qū)域內的明顯要大,由于路基土排水條件不良,因此,雨季過后路基土體中存有更多的水分,導致在觀測地段冬季路基凍脹率相對較大。
京包線、包蘭線季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基凍脹呈現(xiàn)整體性變形,但不同里程處的路基凍脹量相互之間差異較大;在監(jiān)測段內,京包線路基最大凍脹率為5.2%,最小凍脹率為2.4%,包蘭線路基最大凍脹率為4.2%,最小凍脹率為1.1%;路基的凍脹變形極不規(guī)則,嚴重破壞了路基的整體平順度。
路基填土的級配不良是引起路基凍害的首要原因。多年的凍害效果累積使道砟陷槽深淺不一、道床厚度及污染程度不同,加之養(yǎng)護維修時的換土使基床土質在短距離內有較大的變化,導致路基凍脹變形不均勻發(fā)生。
[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10001—2005鐵路路基設計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.
[2] 中華人民共和國鐵道部.新建時速200~250 km客運專線設計暫行規(guī)定(上、下)[S].北京:中國鐵道出版社,2005.
[3] 王其昌.高速鐵路土木工程[M].成都:西南交通大學出版社,1999.
[4] 陳肖柏,劉建坤,劉鴻緒,等.土的凍結作用與地基[M].北京:科學出版社,2006.
[5] 徐學祖,鄧友生.凍土中水分遷移的實驗研究[M].北京:科學出版社,1991.
[6] 徐學祖,王家澄,張立新.凍土物力學[M].北京:科學出版社,2001.
[7] 周小霞.高厚多年凍土區(qū)鐵路建設施工技術管理[J].鐵道建筑,2005(7):69-70.
[8] 程愛君,葉陽升.多年凍土地區(qū)路基凍害分析及防治措施[J].鐵道建筑,2006(7):60 -61.
[9] 荊志東,王春雪,謝強.凍區(qū)鹽漬土導熱系數(shù)測試方法的研究[J].鐵道建筑,2008(3):69-70.