閆宏業(yè)，蔡德鉤，張千里，朱忠林，劉莉

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081; 3.中建鐵路建設(shè)有限公司，北京 100053)

鐵路路基凍害防治保溫技術(shù)研究

閆宏業(yè)1，2，蔡德鉤1，2，張千里1，2，朱忠林1，2，劉莉3

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081; 3.中建鐵路建設(shè)有限公司，北京 100053)

通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法開展了路基凍害防治保溫技術(shù)的研究。分析了保溫材料應(yīng)用于季節(jié)性凍土重載路基的適用性，模擬了不同保溫板厚度條件下路堤和路塹溫度場(chǎng)的分布特征，提出了消除凍害所需的保溫材料及其厚度，形成了保溫板的施工工藝流程。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)地段的凍害得到了有效治理。

重載鐵路 凍害防治 保溫材料

我國(guó)凍土分布廣泛，許多鐵路不可避免地穿越了凍土地區(qū)。受氣候、水文和地質(zhì)條件的影響，每年冬季和春季都會(huì)發(fā)生凍脹和融沉變形，造成路基凍害，給行車安全帶來(lái)一定的影響。為保證鐵路列車安全、暢通地運(yùn)行，研究提出切實(shí)可行的路基保溫技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。

本文采用XPS作為隔熱防凍材料，開展了朔黃重載鐵路路基凍害整治的試驗(yàn)研究。項(xiàng)目組結(jié)合某現(xiàn)場(chǎng)工點(diǎn)，對(duì)不同保溫板厚度條件下路基和路塹的保溫措施進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，提出了鐵路路基保溫板施工技術(shù)，得到了有益結(jié)論。

1 保溫材料性能分析

凍土路基內(nèi)加鋪保溫材料主要有聚苯乙烯泡沫(EPS)板、聚氨酯泡沫(PU)板和聚苯乙烯擠塑(XPS)板。EPS，PU作為隔熱防凍材料，已在鐵路、公路的凍害防治中得到廣泛的應(yīng)用，而XPS在交通領(lǐng)域的應(yīng)用則較晚。與前兩者相比，XPS具有較突出的耐久性、吸水率和抗壓性，是非常理想的重載路基凍害整治材料。

1.1 耐久性

XPS因其穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)而具有超常的耐久性能。從圖1的曲線可以看出，其保溫性能隨時(shí)間的變化很小，即使使用2年之后其保溫性能仍能保持在開始時(shí)的80%以上。

1.2 吸水率

由于聚苯乙烯擠塑板具有緊密的閉孔式蜂窩結(jié)構(gòu)，而分子結(jié)構(gòu)本身亦不吸水，因此聚苯乙烯擠塑板具有極佳的抗水、防潮和防滲透性能。如表1所示，XPS的吸水率較EPS和PU低很多。

圖1 XPS熱阻值隨時(shí)間變化曲線

表1 幾種材料凍融循環(huán)后吸水率%

1.3 抗壓性

目前重載鐵路開行列車軸重達(dá)到25 t，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，路基動(dòng)應(yīng)力最大值可表示為σ(kPa) =4P，P為軸重。按照這個(gè)結(jié)果，25 t軸重條件下，路基動(dòng)應(yīng)力最大值達(dá)到100 kPa。遠(yuǎn)期若開行27和30 t軸重列車，路基動(dòng)應(yīng)力最大值將分別達(dá)到108和120 kPa。而XPS保溫板抗壓強(qiáng)度高達(dá)550 kPa，且其長(zhǎng)期蠕變極小，20年內(nèi)也不超過1%。因此，在重載條件下，XPS保溫板的耐久性是非常出色的。

2 保溫技術(shù)理論分析

2.1 計(jì)算參數(shù)的確定

本次凍土路基溫度場(chǎng)的分析采用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行。采用的計(jì)算參數(shù)如表2和表3所示。

表2 各部分熱物理計(jì)算參數(shù)

表3 基床填料、地基土計(jì)算參數(shù)

根據(jù)項(xiàng)目組2011年在神池南站所做的路基檢測(cè)試驗(yàn)，基床范圍內(nèi)土性基本上為粉土或粉質(zhì)黏土，且含水量偏大，基本上都達(dá)到或超過20%。根據(jù)相關(guān)資料提供的亞黏土的熱物參數(shù)，分析影響亞黏土比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的因素，以土的干密度和含水量為參變量，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)k、比熱容C進(jìn)行回歸分析，得到式(1)至式(4)

式中:κf為凍結(jié)土的導(dǎo)熱系數(shù);κu為未凍土的導(dǎo)熱系數(shù);Cf為凍結(jié)土的比熱容;Cu為未凍土的比熱容;pd為土的干密度，取1 900 kg/m3;w為土的含水率，基床底層和地基土都取為20%。

由以上幾式可得到凍結(jié)區(qū)和未凍結(jié)區(qū)的導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容，在相變區(qū)間可進(jìn)行線性插值。由于本次計(jì)算采用顯熱容法，即將相變潛熱含到比熱容里，則有下式

收集工點(diǎn)大氣溫度資料，得到2011年7月1日到2012年7月1日的日平均氣溫的擬合曲線，作為外界溫度荷載施加于路基表面及邊坡上，見式(6)和圖2。

圖2 朔州地區(qū)氣溫變化曲線

本次計(jì)算模型兩側(cè)為絕熱條件。根據(jù)相關(guān)資料，一般地面以下10 m地溫波動(dòng)很小，其值為地表氣溫的年平均值，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)工點(diǎn)地區(qū)，地下深部溫度取為5.4℃。本次計(jì)算時(shí)間為1年，共365 d。

本次仿真共計(jì)算路堤和路塹兩種結(jié)構(gòu)形式，分別對(duì)重載線路一側(cè)進(jìn)行保溫，保溫板的厚度分別為3，5，7，10，15 cm。圖3至圖4分別為路堤計(jì)算模型和路塹計(jì)算模型。

圖3 路堤計(jì)算模型(保溫板厚10 cm)

圖4 路塹計(jì)算模型(保溫板厚10 cm)

2.2 仿真模型的驗(yàn)證

為解決鐵路的凍害問題，項(xiàng)目組進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在道砟以下鋪設(shè)了厚度為5 cm的XPS保溫板，見圖5。對(duì)路基中不同深度的溫度進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，在該種保溫措施條件下，神池南站路基在冬季最大凍深為40 cm左右。根據(jù)調(diào)查資料，未做任何整治措施時(shí)，凍深在1.0～1.3 m，說明XPS保溫板的鋪設(shè)大大降低了凍深，對(duì)重載鐵路的凍害防治效果較為顯著。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)溫度儀埋設(shè)及監(jiān)測(cè)站

對(duì)保證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，本次計(jì)算首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)相同工況條件下的路基進(jìn)行仿真，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比，以確定計(jì)算模型的合理性。圖6和圖7分別為不同深度處仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，從圖中可知，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果較為接近，說明本計(jì)算模型合理。

圖6 保溫板下表面仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

2.3 典型計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算了路堤和路塹兩種結(jié)構(gòu)形式，每種結(jié)構(gòu)形式分別對(duì)重載一側(cè)進(jìn)行了保溫，保溫板的厚度分別為3，5，7，10及15 cm。圖8為不同保溫板厚度時(shí)路堤中溫度場(chǎng)分布圖。

分析可知，保溫一側(cè)以下溫度場(chǎng)在冬季高于未保溫另一側(cè)，說明保溫板起到了保溫的作用，且隨著保溫板厚度的增加，保溫一側(cè)的下方溫度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，說明保溫板厚度的增加可降低凍深。

圖7 保溫板下1.2 m仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

重點(diǎn)觀察外軌下方的凍深，在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，其最大凍深基本上在3月11日前后出現(xiàn)，因此提取3月11日不同位置和深度處的溫度，得到路基對(duì)稱中心、內(nèi)側(cè)鋼軌下方、外側(cè)鋼軌下方及砟角處沿深度的溫度曲線。表4為各工況條件下不同位置的凍深統(tǒng)計(jì)表。從表中可以看出，保溫板厚度對(duì)鋼軌下方影響較大，對(duì)路基對(duì)稱中心和砟角處凍深影響則較小。在不保溫條件下，外軌下方凍深達(dá)到1.3 m左右;當(dāng)保溫板厚度為3 cm時(shí)，外軌下方的凍深為70 cm左右;當(dāng)保溫板厚度為5 cm時(shí)，外軌下方的凍深約為40 cm左右;當(dāng)保溫板厚度＞7 cm后，路基中凍深基本上為0。說明保溫板對(duì)重載鐵路路基的凍害防治有顯著的作用，可明顯降低凍深。

表4 不同工況條件下不同位置的凍深m

3 保溫板施工技術(shù)

項(xiàng)目組在整條線路凍害最為嚴(yán)重的地段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，選取了50 m單線路基作為凍害整治區(qū)段，在道砟以下鋪設(shè)了厚度為5 cm的XPS保溫板。

其施工工藝流程如下:

1)移除道砟(圖9)，修整路基面，形成4%排水坡。

2)鋪5 cm厚砂墊層。

3)在砂墊層上拼鋪擠塑板XPS(圖10)，滿鋪后緊密接縫，不出現(xiàn)較大錯(cuò)臺(tái)。

圖10 鋪設(shè)砂墊層及保溫板

4)鋪設(shè)排水板。

5)在排水板上鋪設(shè)保護(hù)墊層。

6)回填道砟，恢復(fù)線路。

4 結(jié)論

本文通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的路基在不同保溫措施條件下的保溫效果進(jìn)行了對(duì)比分析，得到如下結(jié)論:

1)對(duì)于重載鐵路凍害的防治，XPS保溫性能較EPS，PU更具有優(yōu)勢(shì)，是較理想的保溫材料。

2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在相同保溫措施及溫度荷載條件下，路堤凍深與路塹接近，但略大于路塹。

3)對(duì)于試驗(yàn)工點(diǎn)條件，采用XPS保溫板可有效解決重載鐵路路基的凍害問題。當(dāng)XPS保溫板的厚度達(dá)到7 cm時(shí)，鋼軌下方基本上沒有負(fù)溫;當(dāng)厚度達(dá)到10 cm時(shí)，可完全消除凍害。

4)采用XPS板對(duì)重載鐵路路基進(jìn)行保溫時(shí)，可采用移除道砟、鋪設(shè)砂墊層及保溫板、鋪設(shè)排水板、鋪設(shè)保護(hù)墊層、恢復(fù)路基的施工工藝流程進(jìn)行操作。

［1］徐學(xué)祖，王家澄，張立新.凍土物理學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.

［2］史存林，葉陽(yáng)升，俞錫健，等.應(yīng)用聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)整治路基凍害的試驗(yàn)研究［C］//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第七屆土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.西安:中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)，1994.

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Study on railway subgrade's prevention of frost damage and warm-keeping technology

YAN Hongye1，2，CAIDegou1，2，ZHANG Qianli1，2，ZHU Zhonglin1，2，LIU Li3
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China; 3.China State Construction Railway Corp.，Ltd.，Beijing 100053，China)

By theoretical analysis and in-situ test，railway subgrade's prevention of frost damage and warm-keeping technology were studied in this paper.Adaptability of warm-keeping materials was studied，as they are applied to the subgrade of heavy haul railway in seasonal frozen soil areas.Temperature distributions at embankment and cutting of the lines were simulated as insulation boards of different thickness are used.The preferable warm-keeping material and its suggested thickness were proposed.Construction procedure of insulation board was put forward.In-situ test result showed that subgrade frost damage was treated effectively.

Heavy haul railway;Frost damage prevention;Warm-keeping material

U216.41+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.12

1003-1995(2015)01-0051-05

(責(zé)任審編 趙其文)

2014-10-01;

2014-11-05

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(Z2012-062，2012G009-B，2012G012-A);中國(guó)鐵路總公司科研試驗(yàn)任務(wù)(Z2013-038);鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心科研項(xiàng)目(J2014G003);中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2013G009-G);中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目(2013YJ032)

閆宏業(yè)(1981—)，男，河北定州人，助理研究員，碩士。