江 濤

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

引言

高速鐵路在季節(jié)凍土區(qū)，溫度正負(fù)交替變化，工程和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，由此引發(fā)的路基凍脹問題嚴(yán)重影響著高鐵建設(shè)和安全運(yùn)營[1]。路基季節(jié)性凍脹、融沉帶來的不均勻變形會(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)速度目標(biāo)值的實(shí)現(xiàn)[2]，引起軌道不平順，對高速列車的安全行車不利，其養(yǎng)護(hù)維修非常困難。如果凍脹量超過無砟軌道扣件的調(diào)低量4 mm，就無法通過調(diào)低扣件使鋼軌復(fù)位[3]，可見，凍脹量超過4 mm之后，對無砟軌道而言就屬于有害凍脹[4]。對于寒區(qū)有砟軌道客運(yùn)專線，不同程度的凍脹變形造成列車運(yùn)行晃動(dòng)加劇，工務(wù)部門整修工作大幅增加[5]。因此，抑制凍脹變形為季節(jié)凍土區(qū)高鐵路基設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重點(diǎn)工作。

銀西高鐵是《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》(2016年版)中“八縱八橫”高速鐵路主通道之一“包(銀)海通道”的重要組成部分。銀西高鐵甘寧段，線路全長377.78 km，其中，路基段長171.92 km。甘肅和寧夏境內(nèi)屬于中溫帶亞濕潤氣候區(qū)，晝夜溫差大，四季分明。年平均氣溫8.5～10.5 ℃，年平均降水量178.6～564 mm，年最大降水量848.9 mm，降水量自南向北遞減。極端最低氣溫-25.8 ℃，線路經(jīng)過區(qū)域最大凍結(jié)深度從低緯度的34 cm增大到高緯度的109 cm。

路基凍害一直困擾著鐵路運(yùn)營和維護(hù)工作[6]，土體的凍脹融化過程實(shí)際上是土的水分遷移及液態(tài)-固態(tài)-液態(tài)的三相轉(zhuǎn)化過程[7]。研究表明，負(fù)溫、水分和土性是凍脹發(fā)生的三要素，其中，溫度是外因，水分是內(nèi)因，土質(zhì)是條件[8-10]。凍脹不僅是土的本身特性，更是土與環(huán)境共同作用的結(jié)果，除此之外，路基填料中細(xì)粒含量較高時(shí)，粗顆粒土仍會(huì)產(chǎn)生顯著凍脹[11]，可見，細(xì)顆粒含量能增加凍脹的敏感性[12-15]。

關(guān)于黃土的水泥改良土凍脹特性研究，改良土的單軸抗壓強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)不同程度的降低，而抗凍性能隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長有不同程度的提高[16-17]。水泥的加入使得改性土以鑲嵌狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，土粒之間通過針狀晶體和膠結(jié)物連接起來，這種加固作用使得改性土在經(jīng)歷了反復(fù)凍融循環(huán)之后結(jié)構(gòu)依然穩(wěn)定，也就具有了較高的強(qiáng)度和較低的滲透性[18]。

高速鐵路列車運(yùn)行速度快，安全性、平穩(wěn)性、舒適性要求高，路基填料及基礎(chǔ)的凍脹變形會(huì)影響軌道的平順性及運(yùn)營安全。通過全面、準(zhǔn)確的凍脹變形監(jiān)測，掌握路基凍脹的具體變化情況，可為采取合理的防凍脹加強(qiáng)措施及運(yùn)營維護(hù)提供參考依據(jù)。

甘肅、寧夏地區(qū)均屬于寒冷地區(qū)，依據(jù)Q/CR9230—2016《鐵路工程沉降變形觀測與評估技術(shù)規(guī)程》[19]，路基地段應(yīng)進(jìn)行凍脹變形監(jiān)測，目前普遍采用人工監(jiān)測、自動(dòng)監(jiān)測以及軌道動(dòng)態(tài)監(jiān)測等方式進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測的方法[20-24]。銀西高鐵甘寧段凍脹監(jiān)測處于施工期，凍脹變形監(jiān)測分為人工監(jiān)測和自動(dòng)監(jiān)測，通過凍脹人工監(jiān)測可掌握全線凍脹分布情況，通過凍脹自動(dòng)監(jiān)測可獲得路基凍脹的時(shí)空規(guī)律，通過人工監(jiān)測和自動(dòng)監(jiān)測手段相結(jié)合，為凍脹整治處理對策提供科學(xué)依據(jù)并對路基凍脹防治效果進(jìn)行評價(jià)。

1 工程背景

銀西高鐵按速度250 km/h標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，基床表層厚度無砟軌道段落為0.4 m、有砟軌道段落為0.7 m，填料為級配碎石，無砟軌道和寒冷地區(qū)有砟軌道填筑壓實(shí)后的滲透系數(shù)應(yīng)大于5×10-5m/s?；驳讓雍穸葹?.3 m，里程DK170+118～DK490+300段采用6%水泥改良黃土；DK490+300～DK564+500段采用A、B組填料，凍結(jié)深度影響范圍填料的細(xì)顆粒含量小于5%，且填筑壓實(shí)后的滲透系數(shù)大于5×10-5m/s?；惨韵吕锍藾K170+118～DK490+300段采用4%水泥改良黃土，DK490+300～DK564+500段采用A、B組填料和C組碎石、礫石類填料。

銀西高鐵甘寧段完成了3年凍脹監(jiān)測，分別為2017年～2018年、2018年～2019年、2019年～2020年，包含人工監(jiān)測和自動(dòng)監(jiān)測，路基凍脹監(jiān)測范圍為里程DK170+118～DK564+500，涵蓋甘寧段挖方、高填、半填半挖、低填方以及淺挖低填地段。

2 凍脹監(jiān)測方案

2.1 人工監(jiān)測

路基凍脹變形人工監(jiān)測斷面布置根據(jù)地質(zhì)、水文條件、不同凍結(jié)深度及路基結(jié)構(gòu)形式等。凍脹變形監(jiān)測斷面間距不宜大于200 m，地下水發(fā)育的路塹地段應(yīng)適當(dāng)加密。每個(gè)連續(xù)路堤凍脹監(jiān)測區(qū)段不應(yīng)少于2個(gè)觀測斷面；每個(gè)連續(xù)路塹凍脹監(jiān)測區(qū)段不應(yīng)少于3個(gè)觀測斷面。

人工凍脹變形監(jiān)測，每處斷面設(shè)置3個(gè)沉降觀測樁，布置于雙線路基中心及左右兩側(cè)路肩0.9 m處，人工監(jiān)測典型斷面如圖1、圖2所示。

圖1 路堤地段人工監(jiān)測典型斷面

圖2 路塹地段人工監(jiān)測典型斷面

2.2 自動(dòng)監(jiān)測

凍脹自動(dòng)監(jiān)測斷面除對典型路基結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行觀測，還重點(diǎn)關(guān)注地下水發(fā)育地段，包括地下水位較高的路塹地段、浸水路堤等，凍脹嚴(yán)重地段應(yīng)適當(dāng)加密監(jiān)測，部分自動(dòng)監(jiān)測斷面與人工監(jiān)測斷面位置接近以相互驗(yàn)證。凍脹自動(dòng)監(jiān)測內(nèi)容包括基床分層凍脹、凍深和水分等方面。

自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)位于路肩砟腳部位，凍脹量采用分層位移傳感器進(jìn)行監(jiān)測，分別監(jiān)測基床表層及其以下凍層凍脹變形。如凍深較大，超過1.5 m時(shí)，應(yīng)在深層增設(shè)位移傳感器；凍深采用溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測，含水率通過水分傳感器監(jiān)測。每個(gè)斷面布設(shè)2個(gè)分層位移傳感器，對應(yīng)布設(shè)深度為0.7，2 m；布設(shè)2個(gè)溫度傳感器，布設(shè)深度分別為0.7，2 m；布設(shè)3個(gè)水分傳感器，布設(shè)深度分別為0.3，0.9，1.3 m。自動(dòng)監(jiān)測典型斷面如圖3所示。

圖3 自動(dòng)監(jiān)測典型斷面

由于2017年～2018年甘寧段大部分路基本體正在施工，不具備凍脹監(jiān)測條件，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，僅布設(shè)2個(gè)典型斷面；2018年～2019年自動(dòng)監(jiān)測斷面增設(shè)至22個(gè)；受現(xiàn)場施工、點(diǎn)位破壞等因素影響，2019年～2020年實(shí)測斷面為18個(gè)，自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場布置如圖4所示。

圖4 自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場布置

3 人工監(jiān)測分析研究

3.1 路基凍脹總體性分析3.1.1 總體評價(jià)

2017年～2018年，于2017年11月，2018年1月、3月分別進(jìn)行了3期監(jiān)測；2018年～2019年，于2018年10月、11～12月，2019年1～2月、4月分別進(jìn)行了4期監(jiān)測；2019年～2020年，于2019年11月，2020年1月、2～3月和4月分別進(jìn)行了4期監(jiān)測。

將各期觀測的高程差視為這一時(shí)間段內(nèi)路基發(fā)生的變形量(1～2期差為第二期觀測高程-第一期觀測高程，以下同)，正值為凍脹量，負(fù)值為回落量。表1為連續(xù)3年路基凍脹監(jiān)測不同量段分布(凍脹高峰)，該凍脹高峰是指某個(gè)觀測斷面在1個(gè)凍脹監(jiān)測年度中觀測到的最大凍脹值(最大觀測值-凍前觀測值)。

表1 連續(xù)3年路基凍脹人工監(jiān)測不同量段分布(凍脹高峰)

從連續(xù)3年凍脹高峰數(shù)據(jù)可以看出，凍脹變形值大于8 mm的分別為0%(2017～2018年)，2.78%(2018～2019年)和0.38%(2019～2020年)，凍脹達(dá)到高峰數(shù)值有限，且從監(jiān)測年度來看，2018年～2019年凍脹高峰值相對較多，經(jīng)凍脹斷面排查分析，主要是路基修筑過程中排水不暢導(dǎo)致，隨著路基本體修建完成和排水系統(tǒng)完善，2019年～2020年路基凍脹監(jiān)測對所有路基段落均進(jìn)行凍脹監(jiān)測，但凍脹大于8 mm的段落僅為1個(gè)。產(chǎn)生凍脹的斷面累計(jì)達(dá)890個(gè)，其中，凍脹量0～4 mm的占比88.99%，可見銀西高鐵甘寧段路基凍脹有限。

表2為連續(xù)3年路基凍脹監(jiān)測不同量段分布(凍脹殘留)，該凍脹殘留是指在某個(gè)觀測斷面在1個(gè)凍脹監(jiān)測年度結(jié)束后凍脹殘留值(末期觀測值-凍前觀測值)?？梢钥闯?，經(jīng)過融化壓縮期，凍脹殘留值0～4 mm占93.71%，說明路基經(jīng)過凍融循環(huán)后，殘余凍脹量較小。凍脹量對比出現(xiàn)負(fù)值，初步分析是由于路基本體及地基沉降尚未完全穩(wěn)定，沉降值大于凍脹值，沉降仍處于變形期。

表2 連續(xù)3年路基凍脹人工監(jiān)測不同量段分布(凍脹殘留)

3.1.2 不同路基結(jié)構(gòu)凍脹分析

為進(jìn)一步分析不同路基結(jié)構(gòu)形式下凍脹發(fā)生的規(guī)律，對2019年～2020年路基凍脹監(jiān)測段落全覆蓋獲得的凍脹高峰數(shù)據(jù)，按照挖方、高填、半填半挖、低填、淺挖低填5種路基結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

表3 不同路基結(jié)構(gòu)凍脹人工監(jiān)測分布(凍脹高峰)

從凍脹量分布來看，當(dāng)凍脹量<4 mm時(shí)，挖方所占比例為60.55%，高填為20.68%，半填半挖為9.81%，低填為7.46%，淺挖低填為1.49%，排序?yàn)橥诜?高填>半填半挖>低填>淺挖低填；當(dāng)凍脹量為4～8 mm時(shí)，挖方所占比例為67.65%，高填為23.53%，半填半挖為5.88%，低填為2.94%，無淺挖低填，排序?yàn)橥诜?高填>半填半挖>低填>淺挖低填；當(dāng)凍脹量>8 mm時(shí)，全部分布在高填段落。以上說明，路基凍脹同路基結(jié)構(gòu)存在一定關(guān)系，凍脹主要發(fā)生在挖方段落，這說明挖方段落更易積水，積水受凍結(jié)后產(chǎn)生一定程度的凍脹，隨著氣溫的降低，水分子不斷向凍結(jié)區(qū)遷移和聚集，進(jìn)一步加劇了凍脹的發(fā)生。

從凍脹殘留值來看，經(jīng)過1個(gè)凍融循環(huán)期后，凍脹殘留值主要分布在±4 mm內(nèi)，其占比達(dá)到了95.31%，路基凍脹基本恢復(fù)到凍結(jié)前的水平。從不同路基結(jié)構(gòu)所占比例來看，凍脹殘留值>4 mm時(shí)，挖方為80%，占比最高，這與凍脹高峰所揭示的規(guī)律相似，不同路基結(jié)構(gòu)人工監(jiān)測凍脹殘留值分布表如表4所示。

表4 不同路基結(jié)構(gòu)凍脹人工監(jiān)測分布(凍脹殘留)

3.2 水泥改良黃土凍脹分析

銀西高鐵甘寧段里程DK170+118～DK490+300基床底層及以下采用水泥改良黃土填筑(基床底層6%水泥改良黃土，基床以下4%水泥改良黃土)，水泥改良黃土填筑段落里程長，其凍脹規(guī)律尚不清楚，且目前高鐵改良土路基凍脹數(shù)據(jù)缺乏數(shù)據(jù)研究，為確保銀西鐵路甘寧段順利建設(shè)和安全運(yùn)營，有必要針對水泥改良黃土加強(qiáng)凍脹觀測，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，并將水泥改良黃土凍脹對工程的可能影響降至最低點(diǎn)。

本次研究選取銀西高鐵正線水泥改良黃土填筑段落5個(gè)凍脹觀測斷面，分別代表深挖、高填、半填半挖、低填、淺挖5類典型工況，同時(shí)低填和淺挖斷面地下水位較高，其地下水對改良黃土凍脹的影響更具有一定代表意義，其凍脹觀測代表性斷面如圖5所示。

在凍脹觀測斷面分層設(shè)置凍脹觀測標(biāo)識(shí)，分別在左路肩、路基中心、右路肩位置，并在其0.7 m(基床表層底)、2.2 m或3 m(基床底層底)，8.4 m(基床以下底部)深度埋設(shè)，如表5所示。

對以上5個(gè)典型路基斷面，通過2018年～2019年、2019年～2020年連續(xù)兩年的水泥改良黃土凍脹觀測，其觀測數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 水泥改良黃土凍脹分層觀測成果

表6觀測數(shù)據(jù)為同一斷面同一位置，基床底層(6%水泥改良黃土)或基床以下(4%水泥改良黃土)該層的凍脹值，平均凍脹量0.15 mm，凍脹值較小，說明路基凍脹主要發(fā)生在基床表層級配碎石。基床底層和基床以下的水泥改良黃土填料凍脹值很小，未觀測到明顯凍脹，這是由于黃土經(jīng)水泥改良后，改良土本身較好的隔水性有效避免了細(xì)粒土遇水凍脹，這對今后寒區(qū)高鐵使用水泥改良黃土填料具有借鑒意義，但由于寒區(qū)水泥改良黃土應(yīng)用有限和觀測數(shù)量較少，建議對不同水泥摻入比、不同含水率的水泥改良黃土凍脹性能進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。

4 自動(dòng)監(jiān)測分析研究

4.1 路基凍脹總體性分析4.1.1 總體評價(jià)

通過2018年～2019年和2019年～2020年連續(xù)兩年監(jiān)測斷面樣本值統(tǒng)計(jì)分析，凍脹量主要分布在0～2 mm，其比例在90%以上，大于2 mm的凍脹值發(fā)生很少，最大值為20.89 mm，里程為DK302+747，表7為銀西高鐵甘寧段自動(dòng)監(jiān)測斷面凍脹統(tǒng)計(jì)。

表7 自動(dòng)監(jiān)測斷面凍脹統(tǒng)計(jì)

從表7可以看出，銀西高鐵甘寧段自動(dòng)監(jiān)測在對典型路基結(jié)構(gòu)形式、地下水發(fā)育地段等部分重點(diǎn)監(jiān)測的背景下，除較少斷面受匯水影響凍脹值較大外，凍脹值總體維持在較小范圍內(nèi)，揭示了防凍脹設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目的，路基凍脹基本處于可控狀態(tài)。

4.1.2 不同路基結(jié)構(gòu)凍脹分析

凍脹自動(dòng)監(jiān)測斷面對挖方、高填、半填半挖、低填4種典型路基結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行觀測，表8為不同路基結(jié)構(gòu)自動(dòng)監(jiān)測凍脹峰值統(tǒng)計(jì)。

表8 不同路基結(jié)構(gòu)凍脹自動(dòng)監(jiān)測分布(凍脹峰值)

從表8可以看出，當(dāng)凍脹量<4 mm時(shí)，2018年～2019年挖方所占比例為38.09%，高填為23.81%，半填半挖為4.76%，低填為33.34%，排序?yàn)橥诜?低填>高填>半填半挖；2019年～2020年挖方所占比例為33.33%，高填為16.66%，半填半挖為5.56%，低填為44.45%，排序?yàn)榈吞?挖方>高填>半填半挖；當(dāng)凍脹量為4～8 mm時(shí)，連續(xù)2年4種斷面形式都沒有分布；當(dāng)凍脹量>8 mm時(shí)，分布在挖方段落。以上再次說明，路基凍脹同路基結(jié)構(gòu)存在一定的關(guān)系，凍脹主要發(fā)生在挖方和低填段落，這與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果相似，設(shè)計(jì)時(shí)需做好路塹和低路堤段落的防凍脹設(shè)計(jì)，其中地下水發(fā)育地段更需重點(diǎn)關(guān)注，同時(shí)做好排水設(shè)計(jì)和施工。

從2個(gè)凍融循環(huán)期的凍脹殘留值來看，凍脹殘留值主要分布在±4 mm內(nèi)，其占比達(dá)到100%，路基凍脹恢復(fù)到凍結(jié)前的水平。從不同路基結(jié)構(gòu)所占比例來看，挖方和低填占比較高，這與凍脹高峰所揭示的規(guī)律相似。不同路基結(jié)構(gòu)自動(dòng)監(jiān)測凍脹殘留值分布如表9所示。

表9 路基結(jié)構(gòu)凍脹自動(dòng)監(jiān)測分布(凍脹殘留)

4.1.3 基床分層凍脹分析

通過2018年～2019年和2019年～2020年連續(xù)2年對各個(gè)自動(dòng)監(jiān)測斷面2個(gè)分層位移傳感器獲得的凍脹量和占比，如表10、表11分析可知，基床表層凍脹量占總凍脹量的平均占比達(dá)75.6%，說明表層凍脹明顯，需重點(diǎn)做好基床表層的防凍脹設(shè)計(jì)。

表10 基床各層凍脹量及占比(2018年～2019年)

表11 基床各層凍脹量及占比(2019年～2020年)

4.2 水泥改良黃土凍脹分析4.2.1 凍結(jié)深度分析

以里程DK435+565斷面為例，2018年11月下旬，路基本體出現(xiàn)負(fù)溫，凍深處于初期滯留期，持續(xù)時(shí)間約1周，12月5日凍深發(fā)展加快，至2019年1月24日，凍深達(dá)最大值1.13 m，此后隨著氣溫升高，凍深逐漸回落，3月5日回落為零，該斷面凍深變化時(shí)程曲線如圖6所示。

圖6 DK435+565凍深變化時(shí)程曲線

從DK435+565凍深變化時(shí)程曲線可以看出，凍結(jié)和解凍主要受當(dāng)?shù)貧鉁赜绊懀?018年～2019年該斷面凍結(jié)時(shí)間約105 d，最大凍結(jié)深度未能超過路基基床深度，說明路基填料對凍脹的發(fā)生起到重要作用。

圖7、圖8分別為2018年～2019年和2019年～2020年連續(xù)2年的最大凍深分析曲線，2018年～2019年91%的斷面最大凍深大于0.7 m，凍深峰值為1.47 m；2019年～2020年僅有17%的斷面最大凍深大于0.7 m，凍深峰值為0.83 m，由此初步判斷2018年～2019年相對更加寒冷。

圖7 2018年～2019年最大凍深分析

圖8 2019年～2020年最大凍深分析

從連續(xù)2年的觀測來看，隨著銀西高鐵甘寧段里程的增加，最大凍深值與緯度的關(guān)聯(lián)特點(diǎn)不顯著，沒有完全呈現(xiàn)最大凍深值隨緯度增加而增加的特點(diǎn)。

4.2.2 凍脹變形時(shí)程分析

通過2018年～2019年和2019年～2020年連續(xù)2年對里程DK347+010兩個(gè)分層位移傳感器(深度0.7 m和2.0 m處)獲得的凍脹變形時(shí)程曲線分析可知，每年11月底至12月初，路基本體出現(xiàn)凍脹；12月中下旬，隨著氣溫的進(jìn)一步降低凍脹快速增大；至1月中旬，凍深進(jìn)入高峰平臺(tái)期，持續(xù)時(shí)間2個(gè)月，在此期間出現(xiàn)凍脹高峰，此后隨著氣溫升高，3月開始解凍，凍脹值快速回落，至4月回落到凍脹前水平，該斷面連續(xù)2年的凍脹變形時(shí)程曲線分別如圖9、圖10所示。

圖9 DK347+010凍脹變形時(shí)程曲線(2018年～2019年)

圖10 DK347+010凍脹變形時(shí)程曲線(2019年～2020年)

4.2.3 溫度與凍脹關(guān)系分析

通過2018年～2019年和2019年～2020年連續(xù)2年對DK347+010兩個(gè)分層位移傳感器(深度0.7 m和2.0 m處)和兩個(gè)分層溫度傳感器(深度0.7 m和2.0 m處)獲得的凍脹量與溫度對比曲線分析可知，每年入冬，氣溫逐漸降低，11月底至12月初，路基本體出現(xiàn)負(fù)溫，此階段路基發(fā)生凍脹，12月底氣溫加速降低，凍脹同時(shí)也加速發(fā)展，然后氣溫逐漸緩慢回升，隨著3月初路基本體溫度由負(fù)轉(zhuǎn)正，路基凍脹值下降較快，至4月回落到凍脹前水平。該斷面連續(xù)2年的凍脹量與溫度對比曲線分別如圖11、圖12所示。

圖11 DK347+010凍脹量與溫度對比曲線(2018年～2019年)

圖12 DK347+010凍脹量與溫度對比曲線(2019年～2020年)

4.2.4 含水率與凍脹關(guān)系分析

通過2018年～2019年和2019年～2020年連續(xù)2年對DK347+010兩個(gè)分層位移傳感器(深度0.7 m和2.0 m處)和兩個(gè)分層水分傳感器(深度0.3 m和0.9 m處)獲得的凍脹量與含水率對比曲線分析可知，0.3 m處含水率波動(dòng)較大，在5%～35%幅值內(nèi)變化，0.9 m處含水率相對穩(wěn)定。這是由于基床表層受外部溫度影響最大，同時(shí)采用級配碎石填筑，最先發(fā)生凍脹，而基床深度處受外部溫度影響有限，同時(shí)由于采用水泥改良黃土填筑，其含水率變化很小。該斷面連續(xù)2年的凍脹量與含水率對比曲線如圖13、圖14所示。

圖13 DK347+010凍脹量與含水率對比曲線(2018年～2019年)

圖14 DK347+010凍脹量與含水率對比曲線(2019年～2020年)

隨著12月底和1月初凍脹的快速發(fā)展，0.3 m處含水率也快速下降，0.9 m處含水率緩慢下降，在其后的兩個(gè)多月內(nèi)，隨著凍脹處于高峰平臺(tái)期，含水率也變化較小，2月底隨著路基本體的解凍，0.3 m處含水率快速回升，0.9 m處含水率緩慢回升。這說明隨著氣溫的降低，基床表層賦存的部分液態(tài)水轉(zhuǎn)化為凍結(jié)水，含水率下降的同時(shí)發(fā)生凍脹，次年2月底隨著氣溫的回升，基床表層凍結(jié)水重新恢復(fù)為液態(tài)水，凍脹值減小。由此可以得出，基床表層級配碎石最易發(fā)生凍脹現(xiàn)象，這與級配碎石本身粗顆粒保水性差，同時(shí)受外界降雨、匯水、蒸發(fā)影響大有直接關(guān)系，由于基床底層及以下水泥改良黃土填料凍脹值較小，路基凍脹主要發(fā)生在基床表層，需重點(diǎn)做好基床表層級配碎石的防凍脹設(shè)計(jì)。

兩次凍融循環(huán)周期后，0.9 m處含水率比初始值略有增加，這說明土體深部和周圍介質(zhì)中的水分，受到凍結(jié)透鏡體影響，發(fā)生了水分向凍結(jié)區(qū)域遷移現(xiàn)象，加劇了凍脹發(fā)生。

5 凍脹防治效果評價(jià)

銀西高鐵甘寧段在設(shè)計(jì)之初就高度重視路基防凍脹綜合體系的建立，采用設(shè)置封閉層、隔斷層、填料防凍、完善排水的一整套防凍脹工程措施。路基防凍脹設(shè)計(jì)堅(jiān)持以填料防凍脹為主、多種措施相配合的綜合防凍脹思路，基床表層應(yīng)選用透水性好、細(xì)顆粒少的級配碎石；路塹和低路堤基床表層和換填底部應(yīng)設(shè)置隔水層，防止水分在路基本體上下遷移；同時(shí)需完善排水系統(tǒng)，防止積水和匯水產(chǎn)生凍脹。針對保溫、防水、土的聯(lián)動(dòng)治理，從凍脹監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，銀西高鐵甘寧段路基防凍脹取得了較好的效果。

2018年～2019年排查出的11個(gè)凍脹斷面，經(jīng)過分析研究，其凍脹原因主要是現(xiàn)場匯水或排水不暢，經(jīng)過現(xiàn)場逐斷面對路基排水溝和側(cè)溝、護(hù)肩及電纜槽泄水孔等路基排水設(shè)施進(jìn)行檢查并確保排水順暢。2019年～2020年復(fù)查時(shí)，11個(gè)斷面的凍脹值均小于8 mm，說明監(jiān)測數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，這為路基鋪軌和2020年底銀西高鐵全線按計(jì)劃開通運(yùn)營提供了重要保障。

由于銀西高鐵甘寧段路基基床底層及以下大范圍采用水泥改良黃土，因此，凍脹監(jiān)測針對在建高鐵項(xiàng)目水泥改良黃土的凍脹特性進(jìn)行了分析研究，通過觀測發(fā)現(xiàn)，基床底層和基床以下的水泥改良黃土填料凍脹值很小，未觀測到明顯凍脹。

6 結(jié)論

通過連續(xù)3年對銀西高鐵甘寧段路基凍脹進(jìn)行人工監(jiān)測和自動(dòng)監(jiān)測的分析研究，得出以下結(jié)論。

(1)從凍脹監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，凍脹主要發(fā)生在挖方和低填段落，從人工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)揭示，經(jīng)過凍融循環(huán)期，凍脹殘留值主要分布在±4 mm內(nèi)，解凍后路基恢復(fù)到凍結(jié)前水平，銀西高鐵甘寧段路基防凍脹設(shè)計(jì)和施工取得了預(yù)期效果。

(2)通過對水泥改良黃土的凍脹監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，基床底層和基床以下的水泥改良黃土填料凍脹值很小，無明顯凍脹。

(3)根據(jù)凍深變化時(shí)程曲線可以看出，銀西高鐵甘寧段凍結(jié)和解凍主要受當(dāng)?shù)貧鉁赜绊?，最大凍結(jié)深度未超過路基基床深度，說明路基填料對凍脹的發(fā)生起到?jīng)Q定性作用，由于基床底層及以下水泥改良黃土填料凍脹值較小，路基凍脹主要發(fā)生在基床表層，需重點(diǎn)做好基床表層級配碎石的防凍脹設(shè)計(jì)。

(4)通過凍脹斷面分析，銀西高鐵甘寧段凍脹原因主要是現(xiàn)場匯水或排水不暢，通過整治，原有路基凍脹斷面不再凍脹，確保了銀西高鐵按時(shí)開通和安全運(yùn)營。

(5)路基防凍脹設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持填料防凍脹為主、多種措施相配合的綜合防凍脹思路，基床表層應(yīng)選用透水性好、細(xì)顆粒少的級配碎石，路塹和低路堤基床表層和換填底部應(yīng)設(shè)置隔水層防止水分在路基本體上下遷移，同時(shí)需完善排水系統(tǒng)，防止積水和匯水產(chǎn)生凍脹。