江 濤
(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)
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)和安全運營[1]。路基季節(jié)性凍脹、融沉帶來的不均勻變形會引起軌面不平順,直接影響列車行駛的舒適度和設(shè)計速度目標(biāo)值的實現(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)有砟軌道客運專線,不同程度的凍脹變形造成列車運行晃動加劇,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)計的一項重點工作。
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營和維護(hù)工作[6],土體的凍脹融化過程實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,粗顆粒土仍會產(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度和較低的滲透性[18]。
高速鐵路列車運行速度快,安全性、平穩(wěn)性、舒適性要求高,路基填料及基礎(chǔ)的凍脹變形會影響軌道的平順性及運營安全。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措施及運營維護(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、自動監(jiān)測以及軌道動態(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,通過凍脹自動監(jiān)測可獲得路基凍脹的時空規(guī)律,通過人工監(jiān)測和自動監(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。
銀西高鐵按速度250 km/h標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,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。
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。每個連續(xù)路堤凍脹監(jiān)測區(qū)段不應(yīng)少于2個觀測斷面;每個連續(xù)路塹凍脹監(jiān)測區(qū)段不應(yīng)少于3個觀測斷面。
人工凍脹變形監(jiān)測,每處斷面設(shè)置3個沉降觀測樁,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
凍脹自動監(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,部分自動監(jiān)測斷面與人工監(jiān)測斷面位置接近以相互驗證。凍脹自動監(jiān)測內(nèi)容包括基床分層凍脹、凍深和水分等方面。
自動監(jiān)測點位于路肩砟腳部位,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,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。每個斷面布設(shè)2個分層位移傳感器,對應(yīng)布設(shè)深度為0.7,2 m;布設(shè)2個溫度傳感器,布設(shè)深度分別為0.7,2 m;布設(shè)3個水分傳感器,布設(shè)深度分別為0.3,0.9,1.3 m。自動監(jiān)測典型斷面如圖3所示。
圖3 自動監(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個典型斷面;2018年~2019年自動監(jiān)測斷面增設(shè)至22個;受現(xiàn)場施工、點位破壞等因素影響,2019年~2020年實測斷面為18個,自動監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場布置如圖4所示。
圖4 自動監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場布置
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觀測斷面在1個凍脹監(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。產(chǎn)生凍脹的斷面累計達(dá)890個,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觀測斷面在1個凍脹監(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,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,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%,排序為挖方>高填>半填半挖>低填>淺挖低填;當(dāng)凍脹量為4~8 mm時,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,排序為挖方>高填>半填半挖>低填>淺挖低填;當(dāng)凍脹量>8 mm時,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,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)
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)和安全運營,有必要針對水泥改良黃土加強凍脹觀測,以便及時發(fā)現(xiàn)和規(guī)避風(fēng)險,并將水泥改良黃土凍脹對工程的可能影響降至最低點。
本次研究選取銀西高鐵正線水泥改良黃土填筑段落5個凍脹觀測斷面,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,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?;驳讓雍突惨韵碌乃喔牧键S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。
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監(jiān)測斷面凍脹統(tǒng)計。
表7 自動監(jiān)測斷面凍脹統(tǒng)計
從表7可以看出,銀西高鐵甘寧段自動監(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)自動監(jiān)測凍脹峰值統(tǒng)計。
表8 不同路基結(jié)構(gòu)凍脹自動監(jiān)測分布(凍脹峰值)
從表8可以看出,當(dāng)凍脹量<4 mm時,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%,排序為挖方>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%,排序為低填>挖方>高填>半填半挖;當(dāng)凍脹量為4~8 mm時,連續(xù)2年4種斷面形式都沒有分布;當(dāng)凍脹量>8 mm時,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)計時需做好路塹和低路堤段落的防凍脹設(shè)計,其中地下水發(fā)育地段更需重點關(guān)注,同時做好排水設(shè)計和施工。
從2個凍融循環(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年對各個自動監(jiān)測斷面2個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,需重點做好基床表層的防凍脹設(shè)計。
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)
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,該斷面凍深變化時程曲線如圖6所示。
圖6 DK435+565凍深變化時程曲線
從DK435+565凍深變化時程曲線可以看出,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。
4.2.2 凍脹變形時程分析
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)入高峰平臺期,持續(xù)時間2個月,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年的凍脹變形時程曲線分別如圖9、圖10所示。
圖9 DK347+010凍脹變形時程曲線(2018年~2019年)
圖10 DK347+010凍脹變形時程曲線(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+010兩個分層位移傳感器(深度0.7 m和2.0 m處)和兩個分層溫度傳感器(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+010兩個分層位移傳感器(深度0.7 m和2.0 m處)和兩個分層水分傳感器(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,在其后的兩個多月內(nèi),隨著凍脹處于高峰平臺期,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,需重點做好基床表層級配碎石的防凍脹設(shè)計。
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。
銀西高鐵甘寧段在設(shè)計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)計堅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,11個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劃開通運營提供了重要保障。
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。
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)貧鉁赜绊懀畲髢鼋Y(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,需重點做好基床表層級配碎石的防凍脹設(shè)計。
(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開通和安全運營。
(5)路基防凍脹設(shè)計應(yīng)堅持填料防凍脹為主、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,同時需完善排水系統(tǒng),防止積水和匯水產(chǎn)生凍脹。