黃新文,崔俊杰,易菊香

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

吉琿客運(yùn)專線路基凍脹變形及影響因素分析

黃新文,崔俊杰,易菊香

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

隨著我國(guó)在嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路的發(fā)展,路基凍脹變形對(duì)高速鐵路的影響凸顯出來(lái),針對(duì)路基凍脹變形規(guī)律及影響因素的研究尚不完善,根據(jù)吉琿客運(yùn)專線路基凍脹變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用綜合分析方法分析了本線路基凍脹變形的一些規(guī)律,并對(duì)凍脹變形影響因素進(jìn)行分析。通過(guò)分析得出吉琿客運(yùn)專線路基凍脹變形規(guī)律及基床表層變形所占比例的不同與產(chǎn)生原因的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

吉琿客運(yùn)專線；路基；凍脹；監(jiān)測(cè)

嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路的路基凍脹變形控制，是我國(guó)在高速鐵路建設(shè)過(guò)程中遇到的一大技術(shù)難題。路基季節(jié)性凍脹、融沉帶來(lái)的不均勻變形會(huì)引起軌面不平順，直接影響列車行駛的舒適度和設(shè)計(jì)目標(biāo)值的實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)＜案哞F的行車安全[1]。根據(jù)東北既有鐵路及公路的凍害調(diào)查結(jié)果，路基凍脹現(xiàn)象在東北地區(qū)存在普遍性、不確定性和難以避免的特點(diǎn)[2]。從吉琿客運(yùn)專線的路基凍脹監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)著手，對(duì)凍脹變形規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，對(duì)凍脹影響因素進(jìn)行分析。

1 概述

1.1 工程概況

新建吉琿客運(yùn)專線位于吉林省中東部，自吉林站引出，途經(jīng)蛟河、敦化、安圖、延吉、圖們，止于琿春市，線路全長(zhǎng)360.602 km。設(shè)計(jì)速度250 km/h，有砟軌道。正線路基長(zhǎng)度114.546 km，占正線長(zhǎng)度31.77%。2013～2014年監(jiān)測(cè)周期監(jiān)測(cè)路基段落長(zhǎng)91.218 km。

1.2 氣象特征

按照對(duì)鐵路工程影響的氣候分區(qū)，該區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū)。最冷月平均氣溫-10.3～-23.4 ℃，極端最低氣溫-29.2～-42.5 ℃，年平均降水量528～670 mm，主要集中于6～8月，土壤最大凍結(jié)深度： 168～192 cm。每年從10月底開(kāi)始凍結(jié)，次年4～5月全部融化，歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)5～6個(gè)月。

1.3 監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置原則

采用埋設(shè)凍脹觀測(cè)樁，人工精密水準(zhǔn)測(cè)量的監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置原則一般按照不大于50 m布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，長(zhǎng)大路堤段落人工觀測(cè)樁按照100～200 m布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。路涵過(guò)渡段布設(shè)5個(gè)斷面，其中涵洞中心布設(shè)1個(gè)斷面，涵洞中心兩側(cè)各布設(shè)2個(gè)斷面，一般在其邊墻外1、5 m左右。路橋(隧)過(guò)渡段在路基上設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別距橋臺(tái)(隧道口)2、10 m。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于路基線路中心及兩側(cè)砟腳附近。

2 吉琿客運(yùn)專線路基凍脹規(guī)律

2.1 凍脹量分布情況

根據(jù)2013～2014年監(jiān)測(cè)周期監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，吉琿客運(yùn)專線的凍脹變形整體不大，但局部存在凍脹變形較大的情況，具體分布情況詳見(jiàn)表1。

表1 全線路基變化情況統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出，變形在0 mm以上的測(cè)點(diǎn)占總測(cè)點(diǎn)80.12%，說(shuō)明路基凍脹現(xiàn)象存在的普遍性；凍脹量小于8 mm的點(diǎn)占總監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)的83.10%，說(shuō)明吉琿客運(yùn)專線的工程質(zhì)量整體較好；凍脹量大于12 mm的點(diǎn)占總監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)的6.01%，說(shuō)明局部?jī)雒浟枯^大。

2.2 路堤及路塹凍脹變形情況分析

對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處的工點(diǎn)類型分析，本線路堤、路塹凍脹變形發(fā)生率并不一致，總體反映出的規(guī)律與哈大高鐵基本一致，即路塹地段測(cè)點(diǎn)比率明顯大于路堤比率。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(剔除了數(shù)據(jù)異常點(diǎn)和因觀測(cè)樁受施工擾動(dòng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整的點(diǎn))，路塹變形>8 mm的發(fā)生率為25.79%，路堤變形>8 mm的發(fā)生率為12.71%，路塹較路堤的發(fā)生率高2.0倍。路塹變形>12 mm的發(fā)生率為10.41%，路堤變形>12 mm的發(fā)生率為3.93%，路塹較路堤的發(fā)生率高2.6倍。詳見(jiàn)表2。

表2 全線路堤、路塹變化情況統(tǒng)計(jì)

2.3 凍脹量隨時(shí)間變形情況分析

2013～2014年監(jiān)測(cè)周期共進(jìn)行了7次人工精密水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，選取全線大于8 mm點(diǎn)的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析全線整體凍脹過(guò)程，全線大于8 mm點(diǎn)平均凍脹變形過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 全線大于8 mm點(diǎn)平均凍脹變形過(guò)程

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及圖2綜合分析，第1次測(cè)量(2013年10月底至11月初)時(shí)觀測(cè)點(diǎn)尚未凍脹，基本認(rèn)定此次測(cè)量為初始值，第2次測(cè)量(2013年11月中下旬)時(shí)凍脹量尚不明顯，凍脹量平均值約2.9 mm。第3次測(cè)量(2013年12月中旬)時(shí)部分凍脹已開(kāi)始發(fā)生，凍脹量平均值約5.7 mm，凍脹量大部分在第四次(2014年1月初)至第五次測(cè)量(2014年3月)時(shí)達(dá)到最大值，第4次凍脹量平均值約7.5 mm，第5次凍脹量平均值約11.2 mm。第6次測(cè)量(2014年4月)時(shí)隨著溫度的逐漸回升，大部分開(kāi)始進(jìn)入融沉階段，凍脹量平均值約2.6 mm，第7次測(cè)量(2014年5月)時(shí)整體融沉過(guò)程結(jié)束，融沉殘值約1.0 mm。

圖2 不同變形區(qū)段凍脹量發(fā)生位置

全線凍脹量大于8 mm點(diǎn)最大變形平均值為11.5 mm，凍脹量大于8 mm點(diǎn)中在第4次測(cè)量時(shí)達(dá)到最大凍脹量的點(diǎn)占24.9%，第5次測(cè)量時(shí)達(dá)到最大凍脹量的點(diǎn)占75.1%，但第4次測(cè)量與第5次測(cè)量雖然經(jīng)歷時(shí)間較長(zhǎng)，但該階段卻只凍脹了3.7 mm。

以上分析結(jié)果說(shuō)明，本線凍脹量主要發(fā)生在第四次測(cè)量之前。

2.4 路基凍脹變形量發(fā)生部位分析

為了更準(zhǔn)確地分析凍脹量發(fā)生部位，分析僅采用凍脹量大于8 mm的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，本線凍脹量主要發(fā)生在第4次測(cè)量之前，根據(jù)本線地溫監(jiān)測(cè)顯示，全線第4次測(cè)量(2014年1月初)時(shí)，地溫零度線基本在0.9 m左右，因此可初步判斷第4次測(cè)量的凍脹量基本發(fā)生在基床表層，而第5次測(cè)量(2014年3月)時(shí)，地溫零度線基本在最大凍深1.6～2.3 m，因此第5次測(cè)量與第4次測(cè)量的凍脹量差值主要發(fā)生在基床底層。據(jù)此分析，再根據(jù)凍脹量不同對(duì)全線凍脹量發(fā)生位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳見(jiàn)表3及圖2。

表3 不同變形區(qū)段凍脹量發(fā)生位置統(tǒng)計(jì)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，凍脹量發(fā)生在8～10 mm時(shí)，基床表層變形占69.57%；凍脹量發(fā)生在10～12 mm時(shí)，基床表層變形占73.08%；凍脹量發(fā)生在12～14 mm時(shí)，基床表層變形占64.78%；凍脹量發(fā)生在14～16 mm時(shí)，基床表層變形占67.27%；凍脹量發(fā)生在16～20 mm范圍內(nèi)時(shí)，基床表層變形占57.25%；凍脹量發(fā)生在大于20 mm范圍內(nèi)時(shí)，基床表層變形占67.60%。

綜合分析可知，發(fā)生在基床表層變形量總體占66.59%，發(fā)生在基床表層與基床底層所占比例隨著凍脹量的增大變化不大。

為了進(jìn)一步分析凍脹變形發(fā)生在基床表層和基床底層的觀測(cè)點(diǎn)分布情況，針對(duì)本線凍脹量大于8 mm的凍脹觀測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)表4。

表4 表層占比統(tǒng)計(jì)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，基床表層凍脹量占比大于2/3的點(diǎn)為53.19%，占比2/3～1/2的點(diǎn)為17.65%，占比1/2～1/3的點(diǎn)為16.72%，占比小于1/3的點(diǎn)為12.43%。由此可見(jiàn)，該線表層凍脹變形占比超過(guò)1/2的觀測(cè)點(diǎn)達(dá)到70.85%，僅29.15%的觀測(cè)點(diǎn)主要凍脹量發(fā)生在基床底層。

2.5 凍脹變形量>8 mm點(diǎn)不同線路側(cè)別分析

根據(jù)凍脹變形>8 mm觀測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置，線路左側(cè)占46.03%，線路中心占20.79%，線路右側(cè)占44.86%。由此可見(jiàn)，線路中心處凍脹變形量>8 mm總數(shù)占比較小，線路兩側(cè)凍脹變形量>8 mm總數(shù)比例較高，初步分析主要由于以下原因所致，第一，兩側(cè)護(hù)肩處排水不通暢造成護(hù)肩內(nèi)側(cè)兩布一膜頂部積水；第二，在施工電纜槽過(guò)程中開(kāi)挖過(guò)大造成兩側(cè)回填壓實(shí)度不夠易滲水。

2.6 凍脹變形段落長(zhǎng)度分析

吉琿客運(yùn)專線正線路基長(zhǎng)114.546 km，2013～2014年冬季對(duì)存在凍脹風(fēng)險(xiǎn)的路基工點(diǎn)共計(jì)91.218 km進(jìn)行了人工或自動(dòng)監(jiān)測(cè)。由于路堤、路塹、過(guò)渡段等不同工點(diǎn)類型的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置間距差異很大，單純按監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，有可能造成偏差，對(duì)全線凍脹量按分布段落進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析如下：

全線凍脹量連續(xù)變形大于12 mm段落占總監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度2.65%，連續(xù)變形8～12 mm段落占總監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度8.03%。詳見(jiàn)圖3。

圖3 凍脹變形段落長(zhǎng)度分布

2.7 取消兩布一膜段落凍脹情況

施工過(guò)程中，將部分段落基床表層原設(shè)計(jì)0.7 m厚級(jí)配碎石變更為0.3 m厚摻3%水泥的級(jí)配碎石+0.4 m厚級(jí)配碎石，取消了基床底層頂部的中粗砂夾兩布一膜。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，凍脹量大于8 mm的點(diǎn)僅有1個(gè)，為9.5 mm；融沉量大于8 mm的點(diǎn)有9個(gè)，其中5個(gè)點(diǎn)位于線路中心，根據(jù)變形情況及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，這5個(gè)點(diǎn)均為后期施工擾動(dòng)所致，另4個(gè)點(diǎn)均位于線路左側(cè)，且位于涵洞過(guò)渡段內(nèi)，融沉量最大為12 mm。

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，該段的凍脹變形明顯小于其他段落的凍脹變形。但這與本段填料較好、工點(diǎn)均為路堤等外部因素也有一定關(guān)系。

2.8 不同最大凍結(jié)深度區(qū)段內(nèi)路基凍脹變形分析

根據(jù)不同最大凍結(jié)深度區(qū)段，統(tǒng)計(jì)凍脹變形>8 mm觀測(cè)點(diǎn)所占比例，詳見(jiàn)表5。

表5 不同最大凍結(jié)深度區(qū)段凍脹量大于8 mm占比

通過(guò)表5分析，凍脹變形大于8 mm的觀測(cè)點(diǎn)占比與所處區(qū)域的最大凍結(jié)深度之間并無(wú)明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)后續(xù)補(bǔ)充調(diào)查和勘察資料的進(jìn)一步分析，凍脹量與施工過(guò)程中填料的細(xì)顆粒含量、含水率控制以及基床表層及底層排水是否通暢等因素的對(duì)應(yīng)關(guān)系更為明顯。

3 路基凍脹影響因素分析[3-12]

凍土是復(fù)雜的多項(xiàng)和多成分體系，路基凍脹是指土壤在負(fù)溫條件和存在一定溫度梯度條件下，路基本體內(nèi)水分向凍結(jié)面遷移凍結(jié)，凍結(jié)后路基土體體積增大導(dǎo)致路基頂面發(fā)生變化的現(xiàn)象[4]。影響土體凍脹的主要因素為溫度、水分、巖性[5]。

根據(jù)凍脹變形發(fā)展情況，結(jié)合地溫等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析，吉琿客運(yùn)專線路基主要凍脹位置大致可以分為基床表層產(chǎn)生的凍脹量占總凍脹量的2/3以上，基床表層產(chǎn)生的凍脹量占總凍脹量的2/3～1/2，基床表層產(chǎn)生的凍脹量占總凍脹量的1/2～1/3，基床表層產(chǎn)生的凍脹量占總凍脹量的1/3以下等幾類。依據(jù)勘察成果綜合分析各種凍脹變形情況，其主要影響因素如下。

3.1 基床表層凍脹

(1)針對(duì)已完成護(hù)肩及電纜槽段落調(diào)查分析，基床表層凍脹原因主要為，基床底層頂部?jī)刹家荒や佋O(shè)不規(guī)范(局部坑洼或橫向排水坡度不足)、兩側(cè)泄水孔排水不通暢等導(dǎo)致基床表層局部含水率過(guò)高所致。在挖探過(guò)程有部分試坑靠近電纜槽一側(cè)兩布一膜處有水不斷的滲入試坑。說(shuō)明基床底層上部的兩布一膜橫向坡度不能滿足排水要求，以及基床底層排水管排水不通暢。

(2)針對(duì)未施做護(hù)肩及電纜槽段落調(diào)查分析，基床表層凍脹的原因?yàn)椋Y(jié)凍初期降雨后路基面及側(cè)面迅速凍結(jié)，導(dǎo)致基床表層含水量較大所致。

3.2 基床底層凍脹

(1)基床底層含水量偏高及地下水位高，這種情況多見(jiàn)于地下水位較淺的地下水路塹段落。挖探過(guò)程中個(gè)別勘探點(diǎn)挖至基床底層底部時(shí)有地下水滲出；部分截水滲溝管底高程達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。基床底層含水量偏高的另一原因是，路塹換填施工期間，正值雨季，基底潮濕或填料含水率控制不好所致。

(2)局部填料細(xì)顆粒含量較大。根據(jù)挖探及試驗(yàn)情況，部分工點(diǎn)路基填料細(xì)顆粒含量過(guò)大，是造成路基地段凍脹量偏大的內(nèi)因。

4 結(jié)論及建議

對(duì)吉琿客運(yùn)專線路基凍脹變形監(jiān)測(cè)的分析表明，吉琿線路基凍脹存在普遍性；變形>8 mm的發(fā)生率路塹較路堤高。本線的凍脹量主要發(fā)生在表層，表層凍脹變形占比超過(guò)1/2的點(diǎn)達(dá)到70.85%。此外，凍脹量與最大凍結(jié)深度無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。

通過(guò)以上分析，基床排水不暢是引起路基凍脹變形較大的主要影響因素，而基床底層的排水不暢及細(xì)顆粒含量超標(biāo)也是引起個(gè)別區(qū)段路基凍脹量較大的重要影響因素。

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Analysis of Frost Heave Deformation of the Subgrade on Jilin-Hunchun Dedicated Passenger Railway Line

HUANG Xin-wen, CUI Jun-jie, YI Ju-xiang

(China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

With rapid development of high speed railway in cold area, the effect of subgrade frost heaving deformation is becoming more prominent. In view of the insufficient researches on the patterns of subgrade frost heaving deformation and the influencing factors, and with respect to Jilin-Hunchun passenger dedicated railway for subgrade frost heave deformation monitoring data, this paper analyzes comprehensively the laws and influencing factors related to the subgrade frost heaving deformation of this railway line. The results demonstrate the laws in question and the correlation between the percentage of the bed surface deformation and the causes of deformation.

Jilin-Hunchun Dedicated Passenger Railway; Subgrade; Frost heave; Monitoring

2014-12-26；

2015-02-03

黃新文( 1979—)，男，高級(jí)工程師，2007年畢業(yè)于西南交通大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：33037032@qq.com。

1004-2954(2015)08-0039-04

U238； U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.009