兰新铁路提速区段道床冻胀试验研究

兰新铁路提速区段道床冻胀试验研究
李育宏;高以健;马红绛;杨有海
【摘要】兰新线提速区段线路、路基因冬季冻胀、春季融化后翻浆冒泥等病害,需限速运营.主要分析了兰新铁路提速区段道床冻害机理.结合室内冻胀试验,得出了兰新铁路道床脏污程度比较严重,含泥量超标,且含水率较大.同时阐明了兰新线提速区段道床冻害主要影响因素是含泥量和含水率.并结合兰新铁路的实际情况,根据试验成果,提出了相应的工程整治措施,即清筛道床和做好道床排水.进而达到改善道床工况,延长使用期限,保证行车安全的目的.%In the speed up section of Lanzhou-Xinjiang Railway,the train must be driven in a limited speed, for the line and subgrade disease of frost boiling and mud pumping caused by its freezing in winter and melting in spring. The mechanism of frost damage is mainly analyzed. On the basis of the laboratory frost heaving test,the conclusion that the track bed is in serious smudgy, the mud content is over standard and the water content is large is drawn. Furthermore, the major influential factors are pointed out to be mud content and moisture content. In accordance with the actual situation of Lanzhou-Xinjiang Railway and the test result,the corresponding renovating measures are put forward,that is,ballast bed cleaning and drainage, so as to improve track bed conditions, extend the period of use and ensure the safe operation.
【期刊名称】《兰州交通大学学报》
【年(卷),期】2012(031)001
【总页数】5页(P38-42)
【关键词】冻害;水分;道床;含泥量
【作者】李育宏;高以健;马红绛;杨有海
【作者单位】兰州铁路局,甘肃兰州730000;兰州铁路局,甘肃兰州730000;兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州730070;兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州730070
【正文语种】中文
【中图分类】TU445
0 引言
铁路道床是轨道结构的基础，它是传递钢轨、轨枕传来的机车车辆动荷载，使其均匀分布在路基基床面上，防止路基基床压陷；也是提供抵抗轨道结构纵、横向位移的阻力，保持轨道稳定和正确的几何位置，保证行车的绝对安全；它防止翻浆冒泥及轨道下沉；也提供轨道弹性，起到缓冲、减振作用；还调节轨道结构的水平，保持良好的线路平面和纵断面[1].
近年来，随着兰新线铁路运量、速度、列车牵引重量和列车密度的不断提高，线路冻胀、道床板结、翻浆冒泥已成为既普遍又严重的轨道病害，整修工作量占据了轨道养护的绝大比例，已构成影响运输安全主要因素之一.如何掌握道床变化规律、研究分析影响道床病害的主要因素、减少轨道维修工作量、延长使用寿命以及保证运输安全，是很值得研究的一个课题.
在道床的冻胀和整治方面国内外很多专家已经进行了相关的研究.施加友等阐述了道床病害的种类和道床病害产生的各种原因，提出了对道床病害的整治对策[2].我国学者通过对由土体冻胀而引发的路基病害的原因机理的深入研究，提出了饱水条
件的粗颗粒土冻胀分类的临界值是12%粉黏粒含量，即当土体中的粉黏粒含量小
于总量的12%时，土体的冻胀率将不大于2%，而当土体中的粉黏粒含量大于12%时，土体的冻胀量会显著增大[3].原国红[4]认为土水梯度是造成季节性冻土中的水分迁移的动力；并根据非饱和土水动力学建立Harlan偏微分方程的模型，该模型是关于冻土的水热盐三场耦合模型，用来预测在不同冻结时刻的冻土系统中未冻水、冰、温度、盐分等的动态变化规律，并对季节冻区路基土水分迁移状况进行了计算机模拟.谷宪民[5]通过现场试验和室内试验的结合分析，研究了季节冻土冻胀和融
沉与土质、密度、含水量等性质的关系，重点解决了季节冻土区路基土水分迁移特征、线路冻胀和融沉造成的翻浆冒泥等病害及防治措施.
虽然国内外关于道床土体冻胀方面研究成果已很多，但对于不同地区、不同土质地基上的建筑物及填土工程，其冻害形成原因、冻害发展程度及相应的冻害整治措施等均需大量试验研究.通过第六次提速后，兰新线武威至嘉峪关段行车速度达到
160 km/h，但因冻胀、翻浆冒泥病害，使兰新线在冬季，尤其是春融期间，列车需限速运行.本文针对兰新铁路道床情况，进行大量室内试验，对其土质和冻胀特
性等进行试验研究，通过分析道床含泥量和含水率的大小，对道床土冻结过程及冻胀量大小进行分析研究.
1 道床冻害机理
道床冻害形成原因[6]：1）道砟不洁，道砟材质不符合技术标准，含泥量超过标准.2）由风吹或雨水冲洗，或因机车运行时带起的泥土，落入道床中，致使粉、黏土量超过限度.3）道砟在使用过程中遭受列车运行中或工务养路维修机械破坏.在
枕木下板结成不透水层，或因捣固不好，枕木下留有空间.4）因更换枕木等原因，道床厚度不足，在列车荷载作用下造成道砟压入路基基床面，从而形成贮水沟造成道砟压入路基基床面，从而形成贮水沟或囊.5）由于粉土质黏土含量的增多，造成毛细水的上升，重力水滞留或地表水向道床中浸透及渗透.
道床冻害主要表现在道床不洁上，它发生的数量约占路基冻害总数的50%左右.其次，道床中含水量的大小也直接影响道床冻胀的程度.兰新线冻胀严重区段道床的挖探结果表明，因翻浆冒泥造成的道床污染比较严重，且含水率较高.加之，该处地区冬季气候寒冷.因而，造成冬季冻胀、春季翻浆、冒泥等病害对行车影响较大. 本文通过从兰新线发生冻害的区段取碎石道砟土做室内试验，分析影响道床冻胀的主要因素，从而为兰新线铁路路基冻害整治提供科学依据.
2 道床含泥量及冻胀试验
2.1 兰新线道床土的含泥量试验
试验所用道床土样取自兰新铁路K407＋000～K413＋000区段道床土样，根据TB10102—2004《铁路工程土工试验规程》，对现场取回的冻胀区段线路内的6个里程的道床土样采用筛分法，每种土样取4 000 g的重量进行颗粒分析，0.075 mm以下颗粒的含量为含泥量的大小.
表1～6给出了兰新线冻害严重区段6个典型断面处道砟粒径分析试验结果.
表1 粒径分析试验结果（K411＋490上行）Tab.1 Test results of particle analysis（K411＋490 upstream）粒径/0.075成分/%mm 20～5 5～2 2～1 1～0.5 0.5～0.25 0.25～0.075 ＜21.69 7.89 2.48 5.62 3.48 6.96 29.51
表2 粒径分析试验结果（K407＋550下行）Tab.2 Test results of particle analysis（K407＋550 down）粒径/0.075成分/%mm 40～10 10～5 5～2 2～0.5 0.5～0.25 0.25～0.075 ＜52.19 7.28 2.94 3.91 2.9 2.76 19.31
表3 粒径分析试验结果（K413＋250上行）Tab.3 Test results of particle analysis（K413＋250 upstream）粒径/0.075成分/%mm 20～5 5～2 2～1 1～0.5 0.5～0.25 0.25～0.075 ＜38.00 10.91 2.76 5.77 3.14 5.96 17.03
表4 粒径分析试验结果（K413＋235上行）Tab.4 Test results of particle analysis（K413＋235 upstream）粒径/0.075成分/%mm 20～5 5～2 2～1
1～0.5 0.5～0.25 0.25～0.075 ＜33.94 10.83 2.83 5.55 3.04 5.11 14.67
表5 粒径分析试验结果（K413＋234上行）Tab.5 Test results of particle analysis（K413＋234 upstream）粒径/0.075成分/%mm 20～10 10～5 5～2 2～0.5 0.5～0.25 0.25～0.075 ＜46.86 11.30 11.17 9.81 3.59 5.35 10.65
表6 粒径分析试验结果（K407＋820轨道中心）Tab.6 Test results of particle analysis（K407＋820track centre）粒径/0.075成分/%mm 40～10 10～5 5～2 2～0.5 0.5～0.25 0.25～0.075 ＜46.88 11.65 10.39 9.04 3.7 4.68 7.91
从表1～6结果可以看出，兰新线冻害严重区段K407＋000～K413＋000道砟含泥量较大.除K407＋820处为7.91%外，其余均超过或接近12%，最大达
29.51%.含泥量中粉土质黏土（粉土粒径0.05～0.005 mm）的混入量已超过了发生冻胀的界限值12%[7].可见兰新线道床脏污程度比较严重.因此，道床极易发生冻胀.
图1 道床污砟分布示意图Fig.1 Schematic diagram of dirty ballast distribution on track bed
2.2 室内冻胀试验
冻胀试验结束后按式（1）进行冻胀率的计算：
式中：η为冻胀率，百分数；Δh为冻胀量，cm；H为产生Δh冻胀量时相应冻土层厚度，室内冻胀试验中采用试验试样的高度，cm.
试验取兰新线6个里程的道床土样，烘干土样后，取一定量土样拌制成不同含水率的试样，因不同里程的含泥量有差异，所以冻胀试验所选用的含水率依据每个里程而定.最大含水率的选择是使所取土样达到饱和为宜，然后按照含泥量的多少依次减少到不同程度的含水率.试验高度为5 cm，直径为10 cm.道砟土颗粒的最大粒径为2 cm左右.
由试验过程中所测数据，可绘出试验的冻胀率随时间的变化曲线.
1）含水率对道床冻胀的影响
图2为含泥量大于12%道砟在不同含泥量、不同含水率下的冻胀率，w为试样的含水率.
我国行业标准TB 10035—2006《铁路特殊路基设计规范（J158—2006）》于2006年颁布实施，其季节性冻土的冻胀分级如表7所示.
图2 不同初始含水率下冻胀率随时间的变化曲线Fig.2 Variance curve of frost heaving ratio with time in different initial moisture content
表7 冻胀等级划分Tab.7 Frost grading table冻胀等级Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级Ⅴ级冻胀类别不冻胀弱冻胀冻胀强冻胀特强冻胀平均冻胀率η η≤1 1＜η≤3.5 3.5＜η≤6 6＜η≤12 12＜η
表7是针对一般建筑物的地基土而言.由表7可知，对于一般地基基础来说，上部作用较大荷载，当冻胀性表现为弱冻胀性时，地基的冻胀量相对较小，不会对建筑物或构筑物带来大的安全隐患.但对于上部荷载较小，高度较低的道床而言，当道砟中的含泥量大于15%时，平均冻胀率为2.8%左右，按照兰新铁路道砟中的污砟层平均厚度300 mm来考虑，将会产生约8.4 mm左右的冻胀量，这将会严重影响列车的行车安全，并带来极大的安全隐患.因此，道床的弱冻胀性也要引起足够的重视，冻胀必须清除.
表8给出了所取试验段中含泥量大于12%的道床冻胀率结果.
表8 含泥量大于12%的区段道床冻胀结果Tab.8 The section of track bed freezing results in which mud content is more than 12%试验区段含泥量/%冻胀性K411＋490 29.51 12 3.84最大含水率/%冻胀率/%冻胀K407＋550 19.31 12 2.86 弱冻胀K413＋250 17.03 10 2.82 弱冻胀K413＋300 14.67 10
2.22弱冻胀
从图2和表8中可以看出，在相同的含泥量下，含水率不同，道床冻胀率不同.随
着含水率的增大，道床冻胀率增大.当水分的含量过大时，在负温条件下，水分发
生冻结，形成冻结锋面，水分向锋面处移动，体积膨胀，当膨胀量超过了道砟孔隙的容量时，造成道床表面的隆起，由于不同位置处水分含量的不同，隆起高度不同，从而形成冻害.当含水率为12%时，冻胀率可达3.84%，在该冻胀率下，参考图1，以兰新线平均300 mm的污砟厚度来考虑，将会引起大约11.5 mm道床冻胀量，这将严重影响行车速度160 km/h列车的安全运行.这个结果充分说明含泥量较高
的道床内部的水分是引起其冻胀的主要因素.因此，做好道床排水是非常关键的.
图3给出了含泥量小于12%道砟在相同含泥量、不同含水率下的冻胀率试验结果. 图3 不同初始含水率下冻胀率随时间的变化曲线Fig.3 Variance curve of frost heaving ratio with time in different initial moisture content
从图3中可以看出，在相同的含泥量下，含水率不同，道床冻胀率不同.随着含水
率的增大，道床冻胀率增大.在含泥量为11.98%，最大含水率为18%时，得到冻
胀率1.86%.这个结果同时也充分说明即使在含水率比较大的情况下，当含泥量比
较小时，得到的冻胀率相对较小.因此，兰新线道床冻胀是道砟含泥量和道床内含
水率共同作用的结果，在做好防排水的同时还要注意到含泥量对道床冻胀的影响. 2）不同含泥量对冻胀率的影响
图4 不同含泥量下冻胀率随时间的变化曲线（w＝12%）Fig.4 Variance curve of frost heaving ratio with time in different mud content（w＝12%）
图5 不同含泥量下冻胀率随时间的变化曲线（w＝10%）Fig.5 Variance curve of frost heaving ratio with time in different mud content（w＝10%）
从图4和图5中可以看出，在相同的含水率下，含泥量不同，冻胀率也有所不同.
冻胀率随含泥量的增大而提高，含泥量的多少直接影响道床冻胀率的大小.当含泥
量小于12%时，如含泥量为7.91%时，道床的冻胀率为1.2%，将引起3.6 mm 左右的道床冻胀量（以兰新线平均300 mm的污砟厚度来考虑）.当含泥量超过12%时，最大冻胀率可达到3.84%，将引起11.5 mm左右的道床冻胀量.道床平均冻胀高度可达8.2 mm，该高度已经严重影响到时速160 km列车行车安全.因此，道床冻害整治的重点放在清筛道床上，对脏污程度比较严重的道床要尽量做到全筛，降低道床含泥量，最终达到减少道床冻胀量的效果.
当路基基床表层为细颗粒填料填筑时，在降雨等引起基床表层软化时，极易发生翻浆冒泥等病害.细颗粒填料进入道床中，在高含水量下冬季又容易发生道床冻胀病害，因此，采取科学合理的线路、路基结构，如基床表层采用A、B组填料，或在道床与路基面之间设置土工合成材料隔离层等，可预防和防治线路病害.
3 结论
为了查明兰新线提速区段，尤其是冻害较严重的K407＋000～K413＋000地段路基、线路病害形成原因，对K407＋100等6个断面道床取样进行试验研究，结论如下：
1）通过试验可知，兰新线冻害严重区段K407＋000～K413＋000道砟含泥量较大，除K407＋820处为7.91%外，其余均超过或接近12%，最大达到29.51%.含泥量超标，道床污染严重，不符合技术标准，是形成道床病害的重要原因之一. 2）含水率大小对道床冻胀率影响很大.道床冻胀率随含水率的增大而提高.因此，及时排除道床中的水分是减少道床冻害的关键措施之一.
3）兰新线道床的冻胀率与道砟含泥量有密切的联系，随着含泥量的增大，冻胀率增大.在K411＋000附近处道床冻胀率较大，属于冻胀性土.在K407＋000和
K413＋000处含泥量相对较小，基本属于弱冻胀性土，该弱冻胀性土也将引起较大的道床冻胀量.
4）通过对所取的道砟土样冻胀试验分析可知，道床中污砟的冻胀高度平均为8.2
mm左右，这与现场测试结果平均7 mm左右（武威工务段冻害统计）相近，这个结果充分说明试验的准确性.该高度占到整个线路路基冻胀高度的较大比例，会严重影响行车安全，应引起极大的重视.
5）从兰新线的实际运营情况和其道床中含泥量和含水率相对较高的状况出发，对兰新线道床冻害进行整治中，首先，应对脏污严重的道床采取清筛，清筛时需将枕木下的板结层除去；清筛厚度为整个道床厚度，这样对道床的冻害整治效果比较明显.其次，是做好排水，清除既有道床及外侧土垅，平整路基面，并设置路拱，以利于地表水的排出；清除道床中的不透水层；清除道砟沟及道砟囊，将水分排掉或切断使之不能补充水分，以消除冻害，保证行车安全.
【相关文献】
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