孫英潮

(黑龍江鐵路發(fā)展集團(tuán)有限公司， 哈爾濱 150050)

從介觀(guān)角度分析，季節(jié)性?xún)鐾潦堑鼗馏w中的孔隙水受大氣熱交換作用產(chǎn)生分凝勢(shì)，導(dǎo)致孔隙水發(fā)生相變形成凍結(jié)峰面，并且伴隨著凍結(jié)峰面的漲落過(guò)程中土骨架發(fā)生膨脹與收縮，最終導(dǎo)致地基土體宏觀(guān)的凍脹和融沉等病害[1-3]。此種病害在季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)路基工程中最為常見(jiàn)，是路基翻漿冒泥等病害現(xiàn)象的源泉[4-5]。雖然高速鐵路路基普遍采用灰土墊層阻斷地下水上升，降低孔隙水分凝勢(shì)，同時(shí)采用粗集料等非凍脹性材料換填路基本體，避免路基凍脹[6-7]。但是來(lái)自路基表面與大氣熱交換作用卻是無(wú)法避免的，為此高速鐵路路基基床采用了各種保溫措施[8-9]。

郭超等[10]、Zhang等[11]應(yīng)用數(shù)值模擬分析方法，針對(duì)在嚴(yán)寒地區(qū)典型天氣條件下，高速鐵路CRTSⅡ型無(wú)砟軌道板、預(yù)應(yīng)力混凝土路面的溫度特性，及由溫度梯度導(dǎo)致的板端翹曲、結(jié)構(gòu)層間離縫、道床開(kāi)裂等溫度作用病害形成機(jī)理進(jìn)行研究。邰博文等[12]基于對(duì)寒區(qū)哈(哈爾濱)齊(齊齊哈爾)鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)泰康試驗(yàn)段路堤的地溫與變形監(jiān)測(cè)資料分析，研究了嚴(yán)寒地區(qū)路堤陰陽(yáng)面的地溫和變形差異。盛煜等[13]、宋景振等[14]通過(guò)對(duì)青藏鐵路北麓河試驗(yàn)段的地溫監(jiān)測(cè)，分析了路基陰陽(yáng)坡面熱狀況的差異。丑亞玲等[15]基于青康公路現(xiàn)場(chǎng)地溫與變形監(jiān)測(cè)資料，研究了路堤內(nèi)陰陽(yáng)坡溫度場(chǎng)差異及其對(duì)凍土路堤變形與穩(wěn)定性的影響。馬巍等[16]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，對(duì)青藏鐵路建設(shè)中采用的主動(dòng)保護(hù)凍土的幾種路基形式進(jìn)行了地溫和變形分析，發(fā)現(xiàn)所有路基的變形均以沉降變形為主，且其變形與其下伏凍土的地溫場(chǎng)變化密切相關(guān)。溫智等[17]基于青藏公路唐南段和青康公路K369段路基地溫和變形的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，總結(jié)出了退化性多年凍土地區(qū)路基的兩類(lèi)典型變形——橫向不均勻變形和橫向均勻變形，并分析了路基地溫、變形特征及其相互關(guān)系。俞祁浩等[18]、Zhi等[19]認(rèn)為路基變形和多年凍土人為上限的下降有直接關(guān)系。進(jìn)而，基于室內(nèi)外試驗(yàn)的研究成果，邰博文等[20]建立了預(yù)測(cè)多年凍土區(qū)路基長(zhǎng)期變形的水熱力耦合數(shù)值模型。

綜上所述，中外已開(kāi)展了大量的多年凍土區(qū)路基溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)差異的研究工作，但對(duì)嚴(yán)寒區(qū)季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基基床溫度場(chǎng)差異分析的研究頗少，這是因?yàn)橹袊?guó)寒區(qū)高速鐵路剛剛起步，缺乏現(xiàn)場(chǎng)第一手的數(shù)據(jù)資料。季凍區(qū)京沈鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)采用不同厚度的聚氨酯混凝土基床保溫材料進(jìn)行試驗(yàn)保護(hù)季凍土路基基床。京沈客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基修建之后，在朝陽(yáng)試驗(yàn)段布設(shè)詳細(xì)的地溫監(jiān)測(cè)斷面，研究了防凍脹措施減小基床溫度差異的有效性。

1 試驗(yàn)段工程概況

混凝土基床作為客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的重要持力構(gòu)件，在溫度影響下產(chǎn)生的變形會(huì)對(duì)行車(chē)平順性和舒適性有影響，當(dāng)變形得不到控制時(shí)甚至影響鐵路安全，所以溫差變化巨大的嚴(yán)寒區(qū)混凝土基床的溫差變形不可忽略。因此，為了了解和掌握混凝土基床溫度變形規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，調(diào)整其變形幅值和時(shí)間，為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)、施工提供指導(dǎo)，為鐵路舒適運(yùn)營(yíng)提供保證，開(kāi)展相關(guān)研究工作很有必要。

該試驗(yàn)段位于遼寧省朝陽(yáng)北站附近，地形平坦，試驗(yàn)工點(diǎn)氣溫年最低氣溫為-25.1 ℃，天然地面最大季節(jié)凍土深度135 cm，屬典型的季節(jié)性?xún)鐾恋囟?。試?yàn)段長(zhǎng)300 m，走向?yàn)榻媳毕?，不存在明顯陰陽(yáng)坡。試驗(yàn)路路基為標(biāo)準(zhǔn)雙線(xiàn)路基路肩寬13.6 m，兩側(cè)回填2.5 m寬防凍脹保溫護(hù)道，路基結(jié)構(gòu)由上至下依次為0.5 m的C35混凝土道床，0.85 m的C25混凝土墊層，0.9 m的級(jí)配碎石參5%水泥的基層，0.25 m三七灰土墊層。地下水埋深4.20～4.40 m，水位季節(jié)性變幅約2.0 m。

試驗(yàn)段設(shè)3個(gè)地溫監(jiān)測(cè)段落，每個(gè)監(jiān)測(cè)段落含5塊混凝土基床，在中間位置的混凝土基床布設(shè)監(jiān)測(cè)儀器，一組對(duì)角點(diǎn)及中心點(diǎn)共3個(gè)點(diǎn)保溫層上表面布設(shè)溫度傳感器，在路基表面以下根據(jù)混凝土基床厚度間距0.2 m布設(shè)溫度傳感器。各監(jiān)測(cè)段中間位置的混凝土基床布設(shè)一條靜力水準(zhǔn)儀測(cè)線(xiàn)，每條測(cè)線(xiàn)在基床外CPⅢ點(diǎn)處設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，5個(gè)測(cè)點(diǎn)分別在基床邊緣角點(diǎn)、中點(diǎn)及中心點(diǎn)，圖1為路基監(jiān)測(cè)儀器布置示意圖。

圖1 保溫試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)儀器鋪設(shè)示意圖

2 保溫措施效果

2.1 保溫措施布置方案

選取京沈客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)300 m路基混凝土基床范圍進(jìn)行保溫措施對(duì)比分析段落，其中200 m采用基床保溫措施，100 m作為無(wú)保溫措施的對(duì)比段落，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。保溫措施采用氣凝膠氈，聚氨酯兩種材料進(jìn)行試驗(yàn)。聚氨酯材料厚度分別采用5 cm、3 cm，每段長(zhǎng)度50 m，分別在線(xiàn)間及兩側(cè)路肩鋪設(shè)。線(xiàn)間混凝土基床裸露表面全部鋪設(shè)，路肩鋪設(shè)范圍為底座板邊緣處至電纜槽內(nèi)側(cè)邊緣處。

表1 地溫監(jiān)測(cè)方案

為確保保溫層鋪設(shè)后線(xiàn)路運(yùn)行安全，保溫層上部采用混凝土預(yù)制磚塊壓實(shí)保溫層，保溫層下部鋪設(shè)碎石墊層，施工現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 保溫板施工斷面圖

2.2 地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果

每日地溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取一天中氣溫最低的時(shí)段5:00—7:00監(jiān)測(cè)值進(jìn)行長(zhǎng)期數(shù)據(jù)分析。

2.2.1 無(wú)保溫措施

DK414+415路堤段混凝土基床厚度為1.5 m，未采用任何保溫措施。

由圖3線(xiàn)間地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，地基最大凍深約為1.7 m，出現(xiàn)在2月中下旬。混凝土基床表面與底面最大負(fù)溫差出現(xiàn)在1月中下旬，為-15 ℃，3月中旬后混凝土基床表面開(kāi)始為正溫，混凝土表面與底面最大正溫差出現(xiàn)在6月中下旬，為11.5 ℃。

圖3 無(wú)保溫措施路堤段(線(xiàn)間)地溫時(shí)程曲線(xiàn)圖

圖4 無(wú)保溫措施路堤段(陽(yáng)坡)地溫時(shí)程曲線(xiàn)圖

由圖4陽(yáng)坡地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，最大凍深約為1.3 m，出現(xiàn)在2月中下旬?；炷帘砻媾c底面最大負(fù)溫差出現(xiàn)在1月中下旬，為-13 ℃，3月中旬后混凝土基床表面開(kāi)始為正溫，混凝土表面與底面最大正溫差出現(xiàn)在6月上旬，為10 ℃。

由圖5陰坡地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，最大凍深約為1.9 m，出現(xiàn)在2月中下旬?；炷帘砻媾c底面最大負(fù)溫差出現(xiàn)在1月中下旬，為-17.3 ℃，3月中旬后混凝土基床表面開(kāi)始為正溫，混凝土表面與底面最大正溫差出現(xiàn)在6月上旬，為9 ℃。

圖5 無(wú)保溫措施路堤段(陰坡)地溫時(shí)程曲線(xiàn)圖

該處路堤受日照影響明顯，陰陽(yáng)坡最大凍深出現(xiàn)時(shí)間基本都在2月下旬，但凍結(jié)深度相差了0.6 m，而且混凝土基床表面與底面的溫度差也有所區(qū)別，陽(yáng)坡面負(fù)溫差較小(-13 ℃)正溫差較大(10 ℃)，陰坡面負(fù)溫差較大(-17 ℃)，而正溫差較小(9 ℃)。

2.2.2 5 cm聚氨酯保溫板

DK414+365路堤段混凝土基床厚度為1.5 m，采用5 cm聚氨酯保溫板覆蓋措施。

圖6 5 cm保溫板覆蓋路堤段(線(xiàn)間)地溫時(shí)程曲線(xiàn)圖

由圖6線(xiàn)間地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，保溫板上表面溫度與混凝土基床上表面溫度有明顯差異，說(shuō)明保溫板隔熱效果良好，鋪設(shè)2個(gè)月后，在1月中旬混凝土基床表面才開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)溫，保溫層上、下表面在1月下旬出現(xiàn)最大可達(dá)-24 ℃負(fù)溫差。基床最大凍深約為0.7 m，出現(xiàn)在2月中下旬?；炷帘砻媾c底面最大負(fù)溫差出現(xiàn)在1月中下旬，為-6 ℃，3月中旬后混凝土基床表面開(kāi)始為正溫，混凝土表面與底面最大正溫差出現(xiàn)在6月中下旬，為6 ℃。

陽(yáng)坡地溫由于傳感器故障，缺失了1—4月的數(shù)據(jù)，因此未列出。

由圖7陰坡地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，由于保溫層上部覆蓋了混凝土磚塊，外界環(huán)境溫度與保溫層上表面溫度有些許差異，但并不明顯其變化趨勢(shì)基本相同。而由于保溫隔熱效果，保溫層上表面與混凝土基床上表面溫度有顯著差異，受鋪設(shè)時(shí)間與陰面日照較少的影響，保溫層鋪設(shè)1個(gè)月后混凝土基床上表面已在0 ℃左右，保溫層上下表面在1月下旬出現(xiàn)最大負(fù)溫差，可達(dá)-14 ℃?；沧畲髢錾畛霈F(xiàn)在2月中下旬，達(dá)到1.1 m。

圖7 5 cm保溫板覆蓋路堤段(陰坡)地溫時(shí)程曲線(xiàn)圖

混凝土表面與底面最大負(fù)溫差出現(xiàn)在1月中下旬，為-7.2 ℃，3月中旬后混凝土基床表面開(kāi)始為正溫，混凝土表面與底面最大正溫差出現(xiàn)在6月上旬，為7 ℃。

由以上監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：該處路堤在覆蓋5 cm保溫板后，由于保溫隔熱作用熱交換明顯降低，最大凍結(jié)深度較未鋪設(shè)保溫措施的相鄰斷面減少了約1.0 m。雖然鋪設(shè)了保溫層，但仍受到了日照影響，陰坡與線(xiàn)間位置最大凍深出現(xiàn)時(shí)間基本都在2月下旬，但凍結(jié)深度相差了0.4 m，但混凝土基床表面與底面的溫度差區(qū)別較小，線(xiàn)間負(fù)溫差(-6 ℃)正溫差(6 ℃)與陰坡面負(fù)溫差(-7 ℃)正溫差(7 ℃)區(qū)別不大。

2.2.3 3 cm聚氨酯板保溫措施

DK414+315為路堤段，混凝土基床厚度為1.5 m，采用3 cm聚氨酯保溫板覆蓋措施。圖8為線(xiàn)間地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果，由圖可見(jiàn)，保溫板上表面溫度與混凝土基床上表面溫度有明顯差異，在混凝土基床表面覆蓋保溫板較好的隔絕了外部冷量的進(jìn)入，鋪設(shè)一個(gè)半月后，在1月1日混凝土基床表面才開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)溫，保溫層上下表面在1月下旬出現(xiàn)最大負(fù)溫差，可達(dá)-21 ℃?；沧畲髢錾罴s為1.1 m，出現(xiàn)在2月中下旬。

圖8 3 cm保溫板覆蓋路堤段(線(xiàn)間)地溫時(shí)程曲線(xiàn)圖

混凝土表面與底面最大負(fù)溫差出現(xiàn)在1月中下旬，為-7 ℃，3月中旬后混凝土基床表面開(kāi)始為正溫，混凝土表面與底面最大正溫差出現(xiàn)在6月中下旬，為7 ℃。

圖9為陽(yáng)坡地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果，由于保溫隔熱效果，且受日照較多，鋪設(shè)55 d后，在1月10日混凝土基床表面才開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)溫，保溫層上下表面在1月下旬出現(xiàn)最大負(fù)溫差，可達(dá)-23 ℃?；沧畲髢錾罴s為0.7 m，出現(xiàn)在2月中下旬。

混凝土表面與底面最大負(fù)溫差出現(xiàn)在1月中下旬，為-6 ℃，3月中旬后混凝土基床表面開(kāi)始為正溫，混凝土表面與底面最大正溫差出現(xiàn)在6月中下旬，為7 ℃。

圖9 3 cm保溫板覆蓋路堤段(陽(yáng)坡)地溫時(shí)程曲線(xiàn)圖

圖10為陰坡地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果，由于保溫層上部覆蓋了混凝土磚塊，外界環(huán)境溫度與保溫層上表面溫度有些許差異，但并不明顯其變化趨勢(shì)基本相同。而由于保溫隔熱效果，保溫層上表面與混凝土基床上表面溫度有顯著差異，受鋪設(shè)時(shí)間與陰面日照較少的影響，在鋪設(shè)保溫層25 d后混凝土基床上表面已在0 ℃左右，保溫層上下表面在1月下旬出現(xiàn)最大負(fù)溫差，可達(dá)-21 ℃?；沧畲髢錾畛霈F(xiàn)在2月中下旬，達(dá)到1.5 m。

圖10 3 cm保溫板覆蓋路堤段(陰坡)地溫時(shí)程曲線(xiàn)圖

混凝土表面與底面最大負(fù)溫差出現(xiàn)在1月中下旬，為-8 ℃，3月中旬后混凝土基床表面開(kāi)始為正溫，混凝土表面與底面最大正溫差出現(xiàn)在6月上旬，為8 ℃。

該處路堤在覆蓋3 cm保溫板后，外界冷量進(jìn)入有所降低，最大凍結(jié)深度較未鋪設(shè)保溫措施的相鄰斷面減少了約0.5 m左右。鋪設(shè)了保溫層后仍受到了日照影響，陰坡與線(xiàn)間位置最大凍深出現(xiàn)時(shí)間基本都在2月下旬，但凍結(jié)深度相差了0.8 m，但混凝土基床表面與底面的溫度差區(qū)別較小，線(xiàn)間負(fù)溫差(-7 ℃)正溫差(7 ℃)與陰坡面負(fù)溫差(-8 ℃)正溫差(8 ℃)區(qū)別不大。

3 結(jié)論與建議

1)未鋪設(shè)保溫措施時(shí)，路堤背陰面混凝土基床上下表面最大負(fù)溫差可達(dá)-17 ℃，正溫差可達(dá) 9 ℃，而鋪設(shè)保溫板后，延滯了外界冷量進(jìn)入混凝土基床的時(shí)間，有效縮小了基床上下表面的溫度差，鋪設(shè)5 cm厚聚氨酯保溫板路堤背陰面混凝土基床上下表面最大負(fù)溫差縮小至-7 ℃，正溫差為7 ℃。

2)幾種措施最大凍深出現(xiàn)時(shí)間均在2月中下旬，未鋪設(shè)保溫措施時(shí)，路堤最大凍結(jié)深度可達(dá) 1.9 m，而鋪設(shè)5 cm厚聚氨酯保溫板路堤背陰面最大凍深減少至1.1 m，保溫效果明顯。

3)日照對(duì)路堤不同位置凍結(jié)深度與基床上下表面最大溫差都有一定影響，無(wú)論是否鋪設(shè)保溫措施，向陽(yáng)面最大凍深均較淺，且基床上下表面最大溫差絕對(duì)值較小，背陰面最大凍深較深，而基床上下表面最大溫差絕對(duì)值較大。