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(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

我國東北部地區(qū)冬季溫度低且持續(xù)時(shí)間長，土壤最大凍結(jié)深度超過2.0m，受地表氣溫季節(jié)變化影響，呈周期性凍結(jié)和融化，屬于典型的季節(jié)性凍土環(huán)境。

季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路運(yùn)營過程中面臨著抗凍防寒等問題，合理的路基基床防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是預(yù)防路基凍脹的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[1]分析了哈大高速鐵路混凝土基床試驗(yàn)段的凍脹及凍脹變形發(fā)展情況，文獻(xiàn)[2-5]闡述了哈大高速鐵路的凍脹情況及機(jī)理。為更好地解決寒區(qū)高速鐵路路基凍脹問題，我國采取了一系列防凍脹措施[6-9]。京沈客運(yùn)專線采用的是混凝土基床結(jié)構(gòu)，在基床范圍內(nèi)使用混凝土代替A，B組填料，從根源上減少凍脹的發(fā)生。

本文以京沈客運(yùn)專線遼寧段四標(biāo)段路塹地段縱向連續(xù)的路基混凝土基床為研究對象，通過監(jiān)測混凝土基床不同部位的路基地溫、凍結(jié)深度及分層變形，研究路基混凝土基床結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，為混凝土基床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

新建京沈客運(yùn)專線是國家中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃的“四橫四縱”客運(yùn)專線主骨架京哈客運(yùn)專線的重要組成部分。線路起自北京站東咽喉，向東北方向經(jīng)河北省承德市，遼寧省朝陽市、阜新市后接入沈陽鐵路樞紐沈陽站。線路全長709 km，正線采用 CRTSⅢ 型板式無砟軌道，設(shè)計(jì)速度350 km/h。

2 試驗(yàn)方案

選取試驗(yàn)工點(diǎn)為京沈客運(yùn)專線遼寧段四標(biāo)段DK347+688—DK347+733處路塹地段縱向連續(xù)的2塊混凝土基床板，長度分別為11.32，25.00 m，在最大凍結(jié)深度內(nèi)，基床從上至下依次采用0.5 m C35混凝土、1.5 m C20混凝土;混凝土基床以下鋪設(shè)0.25 m厚碎石墊層；碎石墊層以下鋪設(shè)0.25 m厚三七灰土墊層。在混凝土基床板的中部及端部伸縮縫處分別安裝變形計(jì)進(jìn)行長期變形監(jiān)測。據(jù)勘查資料可知，該地區(qū)最大凍結(jié)深度在1.35～1.67 m。為充分保障測試結(jié)果，設(shè)計(jì)的地溫測試孔深度為4.0 m，分層變形測試深度分別為2.0,2.5,3.75 m，該設(shè)計(jì)足以保證監(jiān)測到整個(gè)凍結(jié)深度范圍內(nèi)的變形情況。地溫設(shè)計(jì)測試深度分別為0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.6，2.0，2.5，3.0，4.0 m。變形計(jì)用于測定設(shè)計(jì)深度范圍內(nèi)的變形量，由于混凝土基床的整體性，在混凝土基床深度范圍內(nèi)未設(shè)分段變形計(jì)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 路基地溫監(jiān)測分析

圖1 溫度傳感器布置示意(單位：m)

DK347+710測試斷面溫度傳感器布置如圖1所示，該斷面共設(shè)置了5個(gè)地溫測試孔，分別設(shè)置在路肩左右側(cè)距基床邊緣1 m處和混凝土基床板的左右邊緣及基床線間。溫度測試時(shí)段由2017年1月開始至2017年7月結(jié)束，測試時(shí)間長達(dá)半年，累計(jì)監(jiān)測700余次。DK347+710斷面不同深度的地溫時(shí)程曲線見圖2。

圖2 DK347+710斷面不同位置處地溫時(shí)程曲線

由圖2可知：①1—3月初，基床結(jié)構(gòu)各層溫度隨深度而增加；3月初—5月初，路基表面溫度變化較大，路基表面和監(jiān)測底面溫度較高而基床底面附近溫度較低，此階段基床各層之間的溫差較??；5月初—7月，基床結(jié)構(gòu)各層溫度隨深度而降低；②基床表面淺層溫度變化受環(huán)境影響較大，越靠近表面溫度日變化幅度越大，且環(huán)境溫度影響逐漸向下傳遞，隨深度增加影響逐漸減??；③基床線間表面溫度波動幅度小于基床邊緣表面和路肩表面溫度波動幅度，這是由于混凝土與路肩填料的導(dǎo)熱系數(shù)不同所致；④混凝土基床線間深部溫度變化要大于基床邊緣和路肩處的溫度變化，各個(gè)溫度計(jì)監(jiān)測結(jié)果均顯示全年溫差隨深度增加而減小。

3.2 凍結(jié)深度監(jiān)測分析

圖3 DK347+710斷面凍結(jié)深度變化曲線

DK347+710斷面處各監(jiān)測位置的凍結(jié)深度變化曲線見圖3。由于地溫初值采集時(shí)間為2017年1月份，此時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生凍結(jié)深度。影響路基凍結(jié)深度的因素主要有大氣溫度、太陽輻射、凍結(jié)時(shí)間等。其發(fā)展主要受地面氣溫的影響?？芍?，在1月11—31日，隨著氣溫下降和每天保持0 ℃以下低溫時(shí)段的增長，凍結(jié)深度增加速率基本上在1.6～3.0 cm/d。增加速率最大的是基床線間，最大值為3.2 cm/d。增加速率最小的是左側(cè)路肩，最小值為1.6 cm/d。基床線間及基床左右邊緣增加速率均大于路肩處。2月1—17日凍結(jié)深度增加速率減緩，基床線間及基床左右邊緣處基本上在0.30 cm/d左右，路肩左右側(cè)凍結(jié)深度增加速率基本相同，在0.25 cm/d左右。2月18日—3月底，基床線間及左右邊緣凍結(jié)深度降低速率較快，而路肩填料處的凍結(jié)深度降低速率要小于基床處。對比路肩填料與混凝土基床可知，路肩填料在凍結(jié)深度快速發(fā)展階段和回暖階段的速率均明顯小于基床混凝土，這是由于二者的導(dǎo)熱系數(shù)不同。

DK347+710處左側(cè)路肩、基床左邊緣、基床線間、基床右邊緣、右側(cè)路肩監(jiān)測期間的最大凍結(jié)深度分別為1.24，1.37，1.69，1.31，1.22 m。

3.3 分層變形分析

分層變形監(jiān)測時(shí)間從2017年1月開始至2018年6月結(jié)束，監(jiān)測頻次為每2 h 1次。通過對混凝土基床板不同部位的分層變形長期監(jiān)測，研究路基基床的變形規(guī)律?；炷粱膊煌课桓鞅O(jiān)測深度最大變形見表1。

表1 各監(jiān)測部位最大變形 mm

由于分層監(jiān)測初值采集時(shí)間是1月份，由傳熱學(xué)理論可知此時(shí)混凝土基床板已經(jīng)產(chǎn)生翹曲變形，且1月中旬左右是基床板翹曲變形幅值階段，因此變形監(jiān)測結(jié)果中包含溫度翹曲變形。不同位置處路基變形時(shí)程曲線見圖4?？芍炷粱仓胁亢蜕炜s縫的最大變形量不超過2.5 mm，變形幅值在路基允許范圍之內(nèi)(≤5 mm)，不會影響到線路平順性。

圖4 不同位置處路基變形時(shí)程曲線

DK347+714斷面基床端部不同層位變形曲線見圖5?？芍?，變形主要發(fā)生在路基混凝土基床內(nèi)，而墊層和基床以下變形均在0.5 mm 左右，在測量誤差影響范圍內(nèi)。由于監(jiān)測期間最大凍結(jié)深度未超過混凝土基床的厚度，混凝土基床以下未產(chǎn)生凍脹變形，該變形在監(jiān)測周期內(nèi)呈周期性變化，與混凝土基床板的溫度翹曲變形規(guī)律和幅值均相似。

圖5 DK347+714斷面基床端部不同層位變形曲線

4 結(jié)論

1)地溫監(jiān)測時(shí)段內(nèi)，混凝土基床線間的最大凍結(jié)深度為1.69 m，兩側(cè)路肩處的最大凍結(jié)深度為1.24 m，混凝土基床的最大凍結(jié)深度大于路肩處填料的最大凍結(jié)深度，且均未超過混凝土基床厚度。

2)2017年1月至2018年6月監(jiān)測時(shí)段內(nèi)混凝土基床變形較小，變形幅值不超過2.5 mm，且混凝土基床以下變形在0.5 mm左右。該變形主要為溫度應(yīng)力引起的混凝土基床板的翹曲變形。

3)采用混凝土基床代替?zhèn)鹘y(tǒng)A，B組填料的設(shè)計(jì)能很好地解決路基凍脹引起的線路不平順問題，滿足高速鐵路線路平順性要求，但還需繼續(xù)監(jiān)測混凝土基床的性能演變情況。