季节性冻土地区路基保温技术研究.pdf

2023.04 建设机械技术与管理 101施工技术1 引 言随着经济的快速发展和交通运输的不断改善，越来越多的公路和铁路在季节性冻土地区得以建设和使用。我国季节性冻土区约占总国土面积的 53.5%左右1，在这些地区，季节性冻土地区的冻融循环作用，引起路基结构不均匀沉降、翻浆冒泥等病害,给铁路公路安全运行带来隐患2。对道路基层和路面的稳定性造成了严重威胁。尤其是在寒冷的冬季，路面结冰和路基沉降的问题更加突出，严重影响了交通运输的安全和舒适性。为了保障冬季季节性冻土地区道路的正常使用，路基保温技术被广泛应用。其主要功能是通过保温材料3对路基和路面进行保温，限制季节性冻融循环对路基的影响，提高路面的抗冻性能，保障公路和铁路的正常运行。因此，研究季节性冻土地区路基保温措施，探索适合这些地区的保温材料和技术，具有重要的理论和应用价值。2 国内外研究现状近年来，随着我国经济的高速发展和建设的不断推进，对路基保温技术的需求日益增加。国内外学者对季节性冻土地区路基保温技术4进行了广泛研究。国内的研究主要集中在保温材料的选择和性能评价、铺设方式及保温层厚度的优化、保温层与路基结合的改进等方面。已有的保温材料主要包括发泡聚乙烯、聚苯板、挤塑板等，这些材料在保温效果、耐久性、施工方便性等方面都有不同程度的优势，但也存在一定的缺点。同时，国内学者还开展了对不同保温材料组合的实验研究，以提高保温效果。国外的研究主要集中在路面保温和抗冻结技术的研究上。路面保温技术常采用的方法是对路面进行加热，以降低路面温度，减少冻融循环对路面的损伤；抗冻结技术则主要包括路基排水、路基加固等措施，以提高路基的承载能力。另外，在保温材料的研究方面，国外还有一些新型材料和技术被提出，如微泡沫材料、太阳能路面等。总体而言，季节性冻土地区路基保温技术的研究已经相当成熟，但在保温材料的选择、保温层铺设方式等方面还存在一些问题，需要进一步研究和完善。同时，随着新材料和新技术的不断涌现，季节性冻土地区路基保温技术的发展前景也非常广阔。3 常见路基保温技术3.1 路面保温技术路面保温技术是指用保温材料将路面保温，降低冻融循环对路面的影响。常用的保温材料有聚苯乙烯泡沫、挤塑聚苯板、聚氨酯泡沫、岩棉、玻纤毡等，其中聚苯乙烯泡沫和挤塑聚苯板是最常用的材料。常用的保温方式有覆盆式、嵌入式和覆铺式等。覆盆式指将保温板铺在路面上，然后再用钢板将其封闭，保温效果好，但成本高；嵌入式指将保温板嵌入到路面中，可保证路面的平整度，但保温效果较差；覆铺式指将保温板直接铺在路面上，工艺简单，但保温效果受路面摩擦力等因素影响。对于路面保温来说，保温层厚度一般在 3 5cm 左右。路面保温技术可提高路面的抗冻融性能和耐久性，延长路面使用寿命，降低维修成本，是一种经济、实用的保温方案。3.2 路基保温技术路基保温技术是指在道路路基内部或路基表面铺设一季节性冻土地区路基保温技术研究Research on Thermal Insulation Technology for Roadbeds in Seasonal Frozen Soil Regions葛雷（中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西 西安 710021）摘要：结合东北某客专路基断面三年的现场监测数据，建立了路基温度场数值模型，通过对比现场数据验证模型的合理性；对比分析无保温措施的普通路基、保温护道路基和 XPS 保温板路基三种工况下路基温度场的分布规律;分析 XPS 保温板时效性，提出了一种新的保温方法护道与保温板相结合多层复合保温体系，该体系能够有效地提高路基的抗冻性、耐久性和稳定性，使路面平整度更高、更安全可靠且便于施工和维护。关键词：季节性冻土；路基温度场保温；护道路基；XPS 保温板；多层复合保温体系；抗冻性中图分类号：U213.1 文献标识码：A102建设机械技术与管理 2023.04 施工技术定的保温材料，减少土壤对路面的热传导，从而达到保温的目的。路基保温技术主要有以下几种：（1）保温毡垫技术：利用聚酯纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维等材料制成的保温毡垫覆盖在路基表面上，起到隔热保温的作用。适用于较小的路面。（2）保温板技术：利用聚苯乙烯泡沫板、挤塑聚苯板、挤塑聚丙烯板等材料制成的保温板铺设在路基内部，防止土壤与路面的热传导，达到保温的目的。有较好的抗弯曲性和抗冲击性。（3）保温夹层技术：将保温材料夹在两层防水材料中，与路面铺装形成的整体防水层一起使用，避免了个别保温材料的缺陷。适用于高速公路等大型路面。路基保温技术的优点是不占用道路交通空间，不需要大规模的工程施工，相对比较经济实用。同时，合理选择材料和保温层厚度也可以实现较好的保温效果。但是，路基保温技术相对于路面保温技术，其保温效果略逊一筹，且施工过程中对道路原有基础的损毁也是一个需要考虑的问题。3.3 抗冻结技术抗冻结技术是针对冻结融化循环引起的路面和路基的结构变形和破坏所采取的措施。该技术主要包括以下几种方法：（1）加筋：可以通过在混凝土或沥青混凝土中添加纤维材料或钢筋增加其抗裂、抗拉和抗弯能力，从而增强路面和路基结构的整体性能。（2）加固：通过加厚路面面层或路基结构，增加其屈服强度及走纵和横向抗拉强度，从而增强其抗冻性。（3）预处理：采取在路面和路基结构中添加化学药剂的方法，如钠氯化物等，来控制水分的冻融过程，进而减轻材料的破坏程度。（4）改性：通过在路面和路基结构中加入改性剂，如聚醚、聚氨酯等，来提高其抗冻性能和耐久性能。（5）改善排水：采取如加设隔水层、加大排水管口径等措施，改善路基排水条件，以减少冻融过程中水的渗透和积聚，从而降低路面和路基结构的受损度。4 多层复合材料保温体系技术结合某高铁客专断面三年的现场监测数据，首先通过设置初始温度场，对数学模型优化，并验证其准确性。然后对比分析不同保温措施下，路基温度场的分布规律4，给出合理化建议。最后研究了不同边界条件下保温板的时效性。在进行分析总结常规的抗冻保温技术的基础上提出了护道与保温板相结合多层复合材料保温体系技术并对该保温体系进行数值模型研究6与实践检测结合相互印证。4.1 模型建立正确的路基温度场数值模型是研究季节性冻土地区的重要方法和手段。利用某铁路连续三年的监测数据，建立了有限元模型，并对初始温度场进行了验证和优化。4.2 几何模型参照东北高寒地区某客专路基断面，建立了计算模型，如图 1 所示。计算中路堤高度为 3.97m,路面顶面宽度为13.4m,保温护道宽度为 2.5m，高度为 3.42m。路基基床表层 0 0.55m 为级配碎石层，基床底层项面以下填筑级配砂砾石（非冻胀性A、B组填料层）7。路基下设置混凝土板，地基为粉土,基底采用 CFG 桩加固。计算断面以平面应变二维问题处理，计算宽度为路堤坡脚各向外延伸 20m,计算深度取天然地面向下 20m,认为此深度处温度基本稳定。上边界条件采用附面层原理，即原路基表面向下 0.4m 处的温度为温度边界条件。由勘察资料可知，该客专采样试验8断面地区最大冻深在 2.7m 以上，因此温度测孔深度均铺设为 3.6m，其布置如图 1 所示。通过数采仪进行数据采集，测量周期为 1d/次，监测时间为从 2019 年 11 月 29 日到 2022 年 5 月 31 日。图 1 路基断面组成及测温孔布设（单位 mm）2000级配碎石中心测孔路肩测孔坡脚测孔天然测孔39706678,534.3 边界条件及初始条件采用有限元软件进行路基温度场分析，因路基属于平面应变问题，计算选用四边形单元进行网格划分，单元长度取 0.2m。分别定义土体单元的材料特性:计算区域的上边界条件选用 0.4m 处的现场实测值：地面 10m 以下的温度基本稳定，因此下边界条件选用温度实测值 7。根据相关文献，各材料的热力学参数具体见表 1,路基开始施工于 2015 年 11 月，路基主体施工结束于 2018 年 6月 30 日，考虑到现场 2019 年 5 月 1 日前堆载预压土体尚未清场，间接影响路基实际温度场。因此，为得到更为精确的初始温度场，在有限元分析中创建三个分析步。因 2020年 5 月 1 日前有堆载预压土，故第一个分析步上边界条件为2020 年 5 月 1 日全部实测温度，并采用稳态分析得到当天的温度场:第二个分析步采用 2020 年 5 月 1 日至 6 月 1 日的实测温度作为上边界条件，该分析步采用瞬态分析，得到6 月 1 日路基温度场，作为第三个分析步中路基初始温度场，第三个分析步上边界条件为 2021 年 6 月 1 日至 2022 年 5 月31日一个冻融循环周期的实测值，采用瞬态分析。通过第一、2023.04 建设机械技术与管理 103施工技术二分析步的计算，为计算起始天 2020 年 6 月 1 日提供初始温度场，使整个冻融循环分析更为精确。4.4 初始温度场验证由断面实测温度与数值模拟值进行对比，验证初始温度场的正确性。初始温度场为 2020 年 6 月 1 日时路基的温度场。为了使验证更加具有说明性，选取初始温度中所有测孔处实测值与模拟值进行对比，即天然地表处，右坡脚处、右路肩处、路基中心处、左路肩处、左坡脚处模拟温度与实测温度吻合，故提出的模拟初始温度场方法能够较精确地模拟季节性冻土地区路基温度场的分布。4.5 不同保温措施对比分析应用上述建模方法，重新构建另外两个模型。即无保温措施的普通路基、保温护道路基和 XPS 保温板9路基三种工况，其中 XPS 保温板路基中保温板的铺设位置根据相关研究结果，铺设于路基项面向下 0.5m 处，铺设厚度为 10cm。对比分析上述三种工况，探讨路基温度场变化规律及最大冻深线发展趋势。提取路基最大冻深天(2022 年 4 月 1 日)的模拟结果进行分析,计算结果如图 2 所示。通过图 2 可知，没有保温措施的路基冻深范围最大：而保温护道达到设计高度时，明显抬升了左右坡脚的温度，对路基中心处没有太大影响:铺设XPS保温板工况下，在铺设面形成了明显的绝缘层，对路基中心处的冻深有很大提升，但对于左右坡脚处提升不明显。为了更直接的了解最大冻深线的变化规律，绘制三种工况下的最大冻深线，如图6所示。由图 3 可知，保温板对路基中心处的冻深线有很大提升，保温护道对左右坡脚处有较大提升。不同工况下各处的最大冻深值,见表 2。图 2 各个工况温度场分布图无保温措施保温护道措施XPS 保温措施-2.7-1.73-0.68-0.371.422.473.534.586.897.74-2.7-1.74-0.69-0.351.42.453.54.555.66.657.70.221.72.273.924.315.336.357.37-0.79-2.83图 3 冻深线对比图无保温最大冻深护道最大冻深XPS最大冻深 温度 材料-20-10-5-1-0.5-0.30.030级配砂砾石d21852185218521852185218521852185120.95 120.95 120.95 120.95 120.95 120.95 99.3699.36c0.7580.7580.7900.8130.8330.8530.9510.951级配碎石d17801780178017801780178017801780166.75 166.75 166.75 166.75 166.75 166.75 147.74 147.74c2.112.112.112.112.112.112.792.79粉土d16301630163016301630163016301630168.48 168.48 168.48 168.48 168.48 168.48 125.28 125.28c0.9430.9510.9610.99411.031.271.27钢筋混凝土d24002400240024002400240024002400112.90 112.90 112.90 112.90 112.90 112.90 112.90 112.90c0.9630.9630.9630.9630.9630.9630.9630.963XPS保温材料d30303030303030302.5922.5922.5922.5922.5922.5922.5922.5920.9630.9630.9630.9630.9630.9630.9630.963表 1 各个土层温度参数注：=导热系数 KJ/(m d)；d=土干密度 kg/m3；C=比热 KJ(kg)位置 措施天然地表右坡脚右路肩 路基中心 左路肩左坡脚无保温措施2.512,211.720.551.151.50保温护道2.501.812.32.081.981.1保温板2.512.211.710.551.151.50表 2 不同工况冻深值（m）4.6 保温板时效性分析XPS 保温板具有闭孔蜂窝结构，这种结构使其具有极低吸水性、低导热系数、高抗压性，而且在正常使用情况下几乎不老化分解。通过计算模拟，保温板路基在十年内路基中心处的最大冻深线几乎无变化，说明保温板保温效果较稳定;但是保温板路基的最大冻深线在路肩处稍有下降，主要是因保温板只铺设在路基上部，冷量由坡道渗入所致。相关文献显示，在实际使用过程中，大气温度、太阳辐射、水分迁移等其他因素都会引起保温板效果降低10,十年内保温板总体稳定性较好。所以，在季节性冻土地区铁路路基铺设保温板是可行的，但对 XPS 保温板路基顶面弯沉问题11仍需研究解决。护道保温+铺设保温板复核保温体系技术将极大提高路基抗冻能力，可以有效缓解路基冻胀12和沉降等问题。104建设机械技术与管理 2023.04 施工技术5 结 论首先，路面保温技术、路基保温技术和抗冻结技术是常用的季节性冻土地区路基保温技术。路面保温技术主要适用于温度较高的地区，而路基保温技术和抗冻结技术主要适用于温度较低的地区。其次，通过不同保温措施对比，得出保温护道对路基坡脚处保温效果较好:XPS 保温板的抗老化性能较强，时效性较好，能大幅度降低路基中心处冻深。再次，提出了采用护道与保温板相结合的保温措施，便于施工和维护，可以更好的保护季节性冻土路基，保证高速铁路和公路的行车安全。冻土地区路基保温方案应根据不同地区的气候条件、土质特点和交通负荷等因素进行设计，针对性强的保温方案可以有效减少路基冻胀和沉降等问题。在实验验证和方案优化方面，可以借助数字模拟和实验室试验等手段来进行。综上所述，合适的季节性冻土地区路基保温措施可以有效缓解路基冻胀和沉降等问题，提高路面稳定性和运输效率。参考文献1 胡田飞,袁一飞,岳祖润,等.季节性冻土区铁路路基保温材料应用现状及展望 J.水利与建筑工程学报,2023,21(02):169-177.2 陈欣怡,毛雪松.多年冻土路基隔热保温材料研究进展C.中国科学技术协会,交通运输部,中国工程院,湖北省人民政府.2022 世界交通运输大会(WTC2022)论文集（公路工程篇）,2022:316-321.3 戴文革.复合泡沫混凝土用作寒区高铁路基保温研究J.铁道建筑技术,2019(04):5-7+32.4 张峻.永久冻土地区路基保温施工控制技术 J.石家庄铁路职业技术学院学报,2020,19(02):97-100.5 李元强.高原高寒地区高速铁路保温护道路基温度场的分布研究 J.甘肃科技纵横,2020,49(06):47-49+53.6 李林,白彦辉,孙永乐,等.季节性冻土地区路基保温性能数值计算分析 J.建筑与预算,2022(06):80-82.7 刘晓贺,岳祖润,胡田飞.新型寒区高速铁路路基保温强化层的抑制冻胀效果研究J.铁道学报,2022,44(02):108-116.8 闫宏业.季节性冻土地区高速铁路路基保温技术试验研究 J.铁道建筑,2019,59(02):1-4.9 姚力.公路黄土路基应用 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