季节性冻土区高速铁路路基防冻胀设计优化_李先明

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1) 哈大高铁修建过程中对无砟轨道的沉降变形 有着极为严格的规定,从设计、施工、评估到验收等工 序均有一套成熟的制度。因为有章可循,加之严格的 过程管控,无砟轨道的沉降变形得到控制。但是现有 的设计规范中对于无砟轨道向上容许的变形量却没有 标准,这就需要设计者进一步调研,充分结合已建高铁 的经验,对规范、制度等进行完善。
图 2 K186 + 740 断面路基冻胀变形过程
从图 2 可知,路基冻胀快速发展阶段( 即第 2 阶 段) 和波动融沉阶段( 即第 4 阶段) 冻胀变形速率快、 冻胀变形程度大,对轨道几何状态和线路平顺性影响 大。现场维护经验表明,这期间路基冻害频繁发生,线 路超限处所数量增加。
季节性冻土区具有地下水丰富,入冬前降水充沛, 冬季低温严寒等气候特点。当气温下降至负温时,土 层中孔隙水冻结成冰,体积膨胀,从而产生冻胀变形。 这是路基冻胀变形在初期快速发展的原因。这期间路 基冻结前的降雨或降雪容易渗透路基,增加路基顶层 范围内含水量。此外,在个别地下水位较高的路堑地 段,地下水也会向冻胀锋面迁移,随着冻结深度的加大 而产生持续、较大的冻胀变形。
理论上温度受沿线气候影响属于不可控因素,路 基冻结深度无法通过人为因素改变。在季节性冻土区 修筑路基工程后,打破了原有地气之间相对热平衡的 交换状态,导致路基冻结深度与原状土冻结深度出现 差异。特别是对于铁路这种长大线性工程,受地形、土 质、日照、植 被、线 路 走 向 等 因 素 影 响,相 同 温 度 条 件 下,不同的路基形式、路基填料和日照部位,路基的实 际冻结深度都会发生一定程度的变化。根据青藏线既 有研究与调查成果,同一区域的野外冻结深度是气象 部门提供的冻结深度的 1. 2 ~ 1. 3 倍,同一地点、同一 时间阴坡的冻结深度是阳坡的 1. 1 ~ 1. 5 倍,路基换填 后冻结深度是原状土冻结深度的 1. 2 ~ 1. 5 倍。
变化的地段采取了防冻胀补强措施。通过哈大高铁开 通运营来的历年监测数据可以发现,哈大高铁路基冻 胀变形呈现总体稳定且峰值逐年减小的趋势。
2 季节性冻土区路基冻胀特点
2. 1 季节性冻土区路基填料的冻胀特性 通过哈大高铁沿线成型路基的挖探试验数据可
知,虽然沿线施工质量略有差异,但其路基本体范围内 细 颗 粒 ( 粒 径 d ≤ 0. 075 mm ) 含 量 在 4. 19% ~ 14. 56% ,均不大于 15% ,满足《铁路特殊路基设计规 范》( TB 10035—2006) 对路基填料的规定。沿线基床 填料颗粒分析及含水率试验结果见表 1。
比值
1. 24 0. 76 1. 32 1. 21 1. 03 1. 44 1. 22 1. 41 1. 23 1. 25 1. 36 1. 15 1. 11
平均 比值
1. 21
哈大高铁的工程实践说明,铁路路基最大冻结深 度较天然土壤最大冻结深度普遍加大。这与填料的导 热系数较高、含水率较低有关。这为季节性冻土区高 速铁路路基的基床结构设计提供了重要的参数。
图 1 粗粒土细粒含量与冻胀的关系
另外按照填料的客观冻胀特性,要将土的冻胀变 形控制在一定范围内,在温度和水 2 方面条件不变的 情况下,需要将细颗粒的含量尽量降低到 5% 以下甚
至更低。这对于填料的选择和现场施工提出了苛刻要 求。因此应在温度和水 2 方面进行控制。 2. 2 季节性冻土区路基冻结深度的规律
针对哈大高铁季节性冻土区路基冻胀隐患,建造 过程中围绕路基冻胀三要素———土质、水和温度,以基 床填料防冻胀和“封排结合”控水措施并重为原则,施 工过程中对填料的含水量、粒径、细颗粒含量等关键参 数进行了重点控制。后期又对因地貌改变引起地下水
收稿日期: 2016-05-09; 修回日期: 2016-08-27 基金项目: 铁道部科技研究开发计划( Z2012-062) 作者简介: 李先明( 1986— ) ,男,工程师。
铁道建筑
96
Railway Engineering
November,2016
文章编号: 1003-1995( 2016) 11-0096-05
季节性冻土区高速铁路路基防冻胀设计优化
李先明
( 中铁城市发展投资集团有限公司,四川 成都 610031)
摘 要 哈大( 哈尔滨—大连) 高铁是我国第一条季节性冻土区无砟轨道高速铁路,抑制路基冻胀变形是 保证轨道结构稳定的必要条件。哈大高铁在建造过程中,通过前期控制和后期补强,将路基冻胀变形控制 在有限范围内,保证了运营安全。本文根据哈大高铁路基冻胀深化研究成果及监测数据,对哈大高铁路基 冻胀规律及工程特点进行总结,对路基防冻胀设计中填料冻胀特性的辨识、路基冻结深度的选取与修正、 级配碎石掺水泥的冻胀特性、既有路基防排水结构的优劣等问题进行了探讨,从工程应用方面提出了建议。 关键词 季节性冻土区; 高速铁路; 路基冻胀; 设计优化 中图分类号 U213. 1 + 53 文献标识码 A DOI: 10. 3969 / j. issn. 1003-1995. 2016. 11. 25
8. 32 6. 42
4. 26 13. 82
14. 56 14. 13
6. 68 10. 86
5. 24 10. 53
2016 年第 11 期
李先明: 季节性冻土区高速铁路路基防冻胀设计优化
97
粗粒土细粒含量与冻胀的关系见图 1。按照 TB 10035—2006 对 不 冻 胀 土 的 定 义,细 颗 粒 含 量 为 15% 时,土 的 冻 胀 率 已 达 到 1% 。当 细 粒 含 量 超 过 15% 之后,随着细粒含量的增加土体冻胀敏感性显著 增大。哈大高铁按照平均冻结深度 1. 5 m 计算,理论 上冻胀量会达到 15 mm,对于高速铁路而言变形很大。 这也从理论上证明了路基冻胀的普遍性。建议在后续 规范修订完善时,应提出新的填料冻胀级别划分标准, 为设计和施工提供依据。
哈大高铁在后续补强设计中,已对冻结深度进行 了修正。修正公式为: 设计冻结深度 = 当地最大冻结 深度 × 1. 3 + 0. 5。 2. 3 季节性冻土区路基冻胀变形规律
尽管铁路沿线的气候特征在空间上、时间上、地域 上的不确定性在一定程度上导致了路基冻胀具有随机 性和不确定性,但是根据哈大高铁路基冻胀自动监测 数据,路基冻胀发展变化过程可大致划分为冻胀初始 波动、冻胀快速发展、低速稳定持续发展、波动融沉、变 形稳定 5 个发展阶段,见图 2。
季节性冻土区还具有春融期间昼夜温差大的特 点。这期间随着大气温度升高至 0 ℃ 以上并持续一段 时间,路基冻土层开始双向融化,随着温度在 0 ℃ 上下 波动,短时融化雪水进入基床表层,基床呈现反复冻融 变形现象。
从上述分析可知,路基基床表层由于直接与大气 环境接触,受温度、水分的影响较路基其他部位明显,
2) 通过哈大、盘营、兰新高铁的建设,我国对路基 冻胀变形的认识提到了一个新的高度,但对于冻胀和 冻害的界定尚无确切标准。在施工过程中乃至后期运 营维护中,确定冻害标准时到底是采用绝对冻胀量还 是按行车速度和长短波平顺性的要求采用相对指标, 或者二者相结合进行判定都没有一个明确的规定。
以哈大高铁为例,路基冻胀变形在 0 ~ 10 mm 间 的段落占总长的 72. 9% ,然而根据动检数据统计,因 冻胀引起的高程超限仅占路基总长的 5% 左右。说明 路基在冬季普遍发生不同程度的冻胀,但由于其呈现 总体稳定、个别峰值的特点,并非全部形成冻害。
高速铁路的安全性和舒适性均受轨道平顺性控 制,而路基冻胀地段的轨道平顺性又主要受路基变形 影响,在后续季节性冻土区路基设计中,设计者应充分 考量路基变形与轨道变形的关系,在列车安全性和舒 适性之间寻找一个平衡点,统筹考虑路基冻胀变形的 控制措施和设计参数。 3. 2 哈大高铁过渡段冻胀特点
在季节性冻土区的冻胀变形程度也更为明显。在后续 设计中,应充分考虑路基基床表层填料在季节性冻土 区气候环境条件影响下的冻胀特性。
3 季节性冻土区路基防冻胀设计优化思路
3. 1 季节性冻土区路基冻胀变形控制标准的确定 哈大高铁的建造经验表明,我国高速铁路设计规
范关于路基冻胀变形的规定还需继续完善,主要有以 下方面:
瓦房店 鲅鱼圈
鞍山 沈阳北
铁岭 开原 毛家店 四平 公主岭 德惠 扶余 双城 王岗
表 2 哈大高铁沿线路基冻结深度统计结果
天然土壤 最大冻结 深度 / cm
2012—2013 年 断面最大冻结
深度 / cm
比值
平均 比值
Baidu Nhomakorabea93
145
1. 56
106
124
1. 17
118
195
1. 65
148
201
1. 36
1 概述
根据季节性冻土区公路、普速铁路等工程建设经 验和研究结果,在负温条件下路基会出现不同程度的 冻胀变形,幅值一般在 10 ~ 30 cm,甚至可超过 40 cm。 这些变形是由于: ①路基冻结深度范围内孔隙水冻结 成冰,体积发生膨胀( 膨胀系数为 9% ) ; ②在降温冻结 深入的过程中,下部未冻土层中的水分源源不断地向 冻结锋面迁移、聚集并冻结。路基发生较大冻胀变形, 会对建( 构) 筑物产生极大破坏,是季节性冻土区工程 病害产生的主要原因之一。
表 1 基床填料参数统计
试样里程 K104 + 311 K112 + 935 K186 + 750 K284 + 392 K721 + 836 K958 + 814 K1004 + 434 K1086 + 529
取样位置 左路肩 右路肩
左路肩 右路肩
左路肩 右路肩
左路肩 右路肩
左路肩 右路肩
左路肩 右路肩
断面里程
地点
K112 + 935 K186 + 740 K284 + 862 K721 + 856 K778 + 956 K785 + 186 K866 + 897 K902 + 352 K958 + 884 K1084 + 359 K1144 + 809 K1193 + 904 K1232 + 975
高速铁路对轨道结构以及路基基础的变形提出了 极为严格的要求。在季节性冻土区如何将路基冻胀变 形控制在一定范围之内是建造者面临的一个难题。
哈大高铁南起大连市,经辽宁省营口、鞍山、辽阳、 沈阳、铁岭市,吉林省四平、长春、松原市,终于哈尔滨 市,线路纵贯东北三省,途径 3 个省会城市和 7 个地级 市及其所 辖 区 县。其 沿 线 气 候 寒 冷,极 端 最 低 温 度 - 39. 9 ℃ ,最大积雪厚度 30 cm。沿线土壤最大冻结 深度在 93 ~ 205 cm,每年从 10 月开始冻结,次年 4—5 月全部融化,经历时间长达 5 ~ 6 个月。
哈大高 铁 沿 线 路 基 冻 结 深 度 统 计 结 果 见 表 2, 2012—2013 年观测最大冻结深度与天然土壤最大冻 结深度之比在 1. 16 ~ 1. 79,平均为 1. 43; 2013—2014 年观测最大冻结深度与天然土壤最大冻结深度之比在 0. 76 ~ 1. 44,平均为 1. 21。
哈大高铁路基设计参数参考当地气象部门提供的 最大冻结深度。由于铁路路基最大冻结深度普遍较天 然土壤最大冻结深度大,因此渗水盲沟等排水设施在 冬季易冻结,加剧路基冻胀变形。
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铁道建筑
November,2016
在后续设计中,应基于填料的物理特性,通过理论 计算和实测分析确定适用于高速铁路路基防冻胀设计 的冻结深度,并根据线路等级、荷载、运行速度、轨道条 件等确定是否采用有害冻结深度的概念。
左路肩 右路肩
左路肩 右路肩
含水率 /% 5. 82 2. 84
4. 82 4. 60
7. 15 5. 54
4. 93 4. 06
4. 36 7. 10
5. 39 5. 78
4. 90 6. 20
2. 99 4. 28
细粒含量 /% 4. 19 9. 95
5. 66 5. 25
13. 72 14. 12
166
193
1. 16
137
245
1. 79
150
205
1. 37
1. 43
148
240
1. 62
156
207
1. 33
182
242
1. 33
197
300
1. 52
205
281
1. 37
205
268
1. 31
2013—2014 年 断面最大冻结
深度 / cm 115 81 156 179 171 198 182 208 191 228 268 236 227
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