石太客专路基冻胀融沉特性试验与冻害控制措施.pdf

2023 年 6 月（总第 440 期）37检验与认证INSPECTION AND CERTIFICATION第 51 卷Vol.51第 6 期No.6铁 道 技 术 监 督RAILWAY QUALITY CONTROL收稿日期：2022-08-17作者简介：杨玉伟，工程师1概述冻胀和融沉会引起建（构）筑物及围护结构不均匀沉降，给建筑工程造成巨大损失。为减少冻胀和融沉的不良影响，国内外学者对冻胀和融沉问题展开了相关研究。李晓乐等1-3通过试验获得黏土融沉系数与含水率、超塑含水率之间的关系，提出融沉系数经验公式；伍绍红等4分析了低温条件下冻胀和融沉现象对于地层的影响；毕贵权等5通过试验得到土体含水率、干密度、冷端温度及所受荷载对冻胀和融沉的影响；孙喜来6根据高速铁路路基冻胀和融沉特点，提出更加合理的路基防冻胀措施。然而，由于冻胀和融沉的影响因素较多，以上研究具有一定局限性。由于石太客专铁路路基砂卵石地层较厚，因此，在冻胀和融沉测试系统的基础上，研究富水砂卵石地层温度场、冻胀量和融沉量，以及各物理量间的关联7-9，对掌握重塑砂卵石土样在饱水状态下，随干密度和补水条件变化而变化的规律具有重要意义。2冻害现状石太客专东起石家庄新客站，西至太原站，线路全长 190.9 km，有砟轨道采用 FC 扣件系统。石石太客专路基冻胀融沉特性试验与冻害控制措施杨玉伟（中国铁路北京局集团有限公司石家庄工务段，河北 石家庄 050051）摘要：为减少路基冻胀和融沉对石太客专的影响，对石太客专路基砂卵石地层冻胀融沉特性开展试验研究。试样取自石太客专路基，测定试样在不同干密度（1.91 g/cm3，2.05 g/cm3，2.15 g/cm3）条件下，饱水砂卵石在开放系统和封闭系统条件下的温度场、冻胀量和融沉量。试验结果表明，砂卵石土冻胀力、冻胀量和融沉量随干密度的增大而减小，冻胀融沉后的砂卵石试样不会回到初始状态；封闭系统中砂卵石试样冻结达到稳态的时间大于开放系统，干密度愈小，砂卵石试样冻结达到稳定的时间愈长。根据石太客专路基砂卵石地层冻胀和融沉特性，采取疏通排水、注盐、增加外保温层、路基注入高分子材料等预防措施，保障石太客专的安全运营。关键词：石太客运专线；冻土路基；土工试验；融沉；冻胀；干密度中图分类号：U213.14-34文献标识码：A文章编号：1006-9178（2023）06-0037-06Abstract：To reduce the influence of frost heaving and thawing settlement of subgrade on Shijiazhuang-Taiyuan Passenger Dedicated Railway,the frost heaving and thawing settlement characteristics of sandy cravel stratum of the subgrade were studied by experiments.The test sample were taken from Shijiazhuang-Taiyuan Passenger Dedicated Railway,and the temperature field,frost heaving and thawing settlement amounts of water-saturated sand and cravelswere tested and determined under different dry density,such as 1.91 g/cm3,2.05 g/cm3,2.15 g/cm3,in open andclosed systems.The results show that the frost heaving force,frost heaving quantity and thawing settlement quantity ofsandy cravel soil decrease with the increase of dry density,and the sandy cravels samples after frost heaving and thawing settlement will not return to the initial state.The time from freezing to steady state of sandy cravel test sample inthe closed system is longer than that in the open system,and the smaller the dry density,the longer the time fromfreezing to steady state of sandy cravel test sample is.According to the characteristics of frost heaving and thawing settlement in sandy gravel stratum of Shijiazhuang-Taiyuan Passenger Dedicated Railway subgrade,preventive measures such as dredging drainage,salt injection,adding external insulation layer and injecting polymer materials intosubgrade are taken to ensure the safe operation of the railway.Keywords：Shijiazhuang-Taiyuan Passenger Dedicated Railway;Permafrost Subgrade;Soil Test;Thawing Settlement;Frost Heaving;Dry Density38石太客专路基冻胀融沉特性试验与冻害控制措施检验与认证太客专于 2009 年 4 月 1 日开通运营，运营速度为250 km/h。石太客专开通后，20092013 年，每年冬季都发生比较严重的路基冻害。其中，2013 年 15 月、2014 年 14 月间发生的冻害最为严重。石太客专路基地段长 74.25 km，冻害主要发生在气温较低的太行山隧道西口（K105+100）阳泉北站（站中心里程 K108+400）太原东站（局界 K222+400）间。冻害发生地点集中在海拔较高的 K139+600K165+200 地段，2013 年冬季，该地段发生冻害的数量占全部冻害的 68%。石太客专历年冻害分布如图 1所示。过渡段冻害 23.06%路基冻害 41.69%涵洞冻害 35.25%图 1石太客专历年冻害分布石太客专开通 5 年发生的冻害主要存在以下特点。（1）发生冻害的地段重复率高。20102013年冻害地段重复率为 72.8%。（2）冻害持续时间长。冻害在每年 11 月底或12 月初发生，在次年 5 月初回落到位。（3）冻胀隆起高度高。从路基冻胀数据看，石家庄地区未出现冻害地段。从测量观测数据看，冻害较为严重的石太客专 K139+800K165+000，路基冻胀隆起绝对高度一般在 15 mm35 mm，相对高度一般在 5 mm30 mm。这些冻害引起线路设备质量严重下滑，线路高低、70 m 长波高低、三角坑、轨向等几何尺寸超限。综合检测车平均扣分由 1.5 分左右上升至 4 分左右，在个别路段出现 3 级超限，人工添乘发现晃车点较多。在冻害回落到位后，进行卸砟、大机捣固等作业，一般在 6 月底完成整修。从冻害发生至整修完毕共历时 7 个月，持续时间长、工作量大。3砂卵石冻胀特性试验分析试样取自石太客专路基。采用恒温恒压冻胀融沉仪，在不同干密度（1.91 g/cm3，2.05 g/cm3，2.15 g/cm3）条件下，测定饱水砂卵石在开放系统和封闭系统条件下的温度场、冻胀量和融沉量。3.1温度场3.1.1温度与时间曲线在试验开始前，将试样在 23 恒温环境下放置24 h，使试样内部各测点温度保持均匀，并稳定在23 左右后开展试验。在相同冷源的情况下，试样横截面各测点温度与时间的关系曲线如图 2 所示。温度/7063564942352821147-14-2101615141312110123456789 1075-7时间/h（a）干密度 1.91 g/cm3，封闭系统温度/7063564942352821147-14-2101615141312110 1 2 3 4 5 6 7 8 9 107517-7时间/h（b）干密度 1.91 g/cm3，开放系统温度/7063564942352821147-14-210141312110123456789 1075-28-7时间/h（c）干密度 2.05 g/cm3，封闭系统39铁道技术监督第 51 卷第 6 期温度/7063564942352821147-14-210131211012345678910-7-2875时间/h（d）干密度 2.05 g/cm3，开放系统温度/7063564942352821147-14-2101312110123456789 10-7-281475时间/h（e）干密度 2.15 g/cm3，封闭系统温度/7063564942352821147-14-210181614024681012-7-282075时间/h（f）干密度 2.15 g/cm3，开放系统5 号测点，距冷源 15 cm；4 号测点，距冷源 12 cm；3 号测点，距冷源 8 cm；2 号测点，距冷源 4 cm；1 号测点，冷源图 2试样横截面各测点温度与时间的关系曲线3.1.2冻结过程根据图 2，试样冻结过程可大致归为快速降温、过渡和稳定 3 个阶段，各阶段的特点如下。（1）快速降温阶段。各横截面位置的温度变化近似呈线性，越接近冷源，降温速率和幅度越大。冷端温度对 4 cm 范围内的试样影响较为明显，底部土体降温速率明显大于顶部土体。（2）过渡阶段。由于 1 号测点贴合试样底端，所以温度变化较为剧烈；4 号、5 号测点远离冷源，温度梯度相对 1 号、2 号测点更小，单位时间内传递的热量较少，故相变（0）经历时间较久。（3）稳定阶段。这个阶段各测点温度曲线近似水平，孔隙中自由水全部冻结成冰。此时，冻胀位移几乎不再随温度的降低而增大（砂卵石地层未冻水含量较少），可以认为此时冻胀达到稳定。封闭系统冻结达到稳态的时间大于开放系统，各测点的温度，均高于开放系统。例如：图 2（e）中，封闭系统 4 号测点温度为-13.18，而图 2（f）中，开放系统 4 号测点的温度为-13.69。出现这种现象的主要原因是，封闭系统的水分迁移量比开放系统大，水分堆积在试样内。冻结时，由于已冻区中含有一定量的未冻水，水分通过相邻颗粒的公共水膜，不断从未冻区向冻结区迁移，导致邻近颗粒表面水膜变薄。水分子的不断传递，使冻结锋面上形成的分凝冰增多，导致内部的导温系数增大。为保持热平衡状态（稳定状态），通过冷源进入试样中的冷能，需与薄膜水、自由水、孔隙水、弱结合水等在冻结成冰晶体相变时放出的潜热，以及未冻土传来的热能相平衡。在相同的冻结温度-35 以下，由冻结达到稳定状态过程中，封闭系统内试样的温度高于开放系统内试样的温度。因此，砂卵石的冻胀过程是典型的水热传输过程。3.1.3融化过程由图 2 可见，将冷端温度调至 75 后，试样逐渐融化。融化过程可分为温度骤升、过渡和自然冷却 3 个阶段，各阶段具有以下特点。（1）温度骤升阶段。在这个阶段，由于试样内温度梯度增大，温度变化剧烈，呈线性增长趋势，并且越接近热源，升温速率及幅度越大，达到设定温度的时间越短。例如：5 号测点由于距离热源最远，温度梯度减小，试样达到设定温度的时间变长，并在 0 处停留较久，相变较为剧烈。（2）过渡阶段。随砂卵石试样温度梯度逐渐趋于冷端温度，各监测点间的温度梯度逐渐减小。这个阶段的温度变化与上阶段比较，略为平缓，类似于降温阶段。40石太客专路基冻胀融沉特性试验与冻害控制措施检验与认证（3）自然冷却阶段。当各监测点均达到设定温度时，停止端部热量供给，依靠自然传热，使试样温度趋于统一温度，以模拟地基缓慢升温过程。3.2冻胀量、融沉量变化3.2.1冻胀量、融沉量与时间的关系曲线以密度 2.15 g/cm3砂卵石试样为例。密度为2.15 g/cm3砂卵石冻胀量、融沉量与时间的关系曲线如图 3 所示。01.51.41.31.21.11.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10变形量/mm冻缩冻胀快速发展冻胀缓慢增长冻胀稳定热胀融沉快速发展融沉稳定融沉过渡1.613.512.61.83.65.47.29.010.81.7时间/h（a）封闭系统（饱水不补排水）024681012141618201.51.41.31.21.11.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10变形量/mm冻缩冻胀快速发展冻胀缓慢增长冻胀稳定热胀融沉快速发展融沉稳定融沉过渡22时间/h（b）开放系统（饱水补排水）监测点 1；监测点 2；监测点 3；监测点 4；平均变形量图 3密度为 2.15 g/cm3砂卵石冻胀量、融沉量与时间的关系曲线图 3（a）中，各监测点曲线变化趋势大体相同，但融沉稳定段有明显区别，原因可能是，砂卵石经过一定时间后，不同位置的含水量存在差异。图 3（b）中，变形量稳定段的跨度与冻胀稳定时间有关，在 4 h16 h 时间段内变形量比较稳定，增长呈现平台特征。3.2.2冻胀量变化在给定的冷端温度条件下，将砂卵石试样冻胀过程划分为以下 4 个阶段。（1）在冻缩阶段，砂卵石颗粒受冷缩小。（2）冻胀快速发展阶段，冻胀量随着冻结时间的增加快速增长，使冻结锋面顺利向远端发展。（3）冻胀缓慢增长阶段，范围较小，起过渡作用。这个阶段冻结较上阶段更充分，在阶段末尾冻胀量达到最大值。（4）在冻胀稳定阶段，所有监测点温度均降至 0 以下，冰晶体、分凝冰停止增长，冻胀量不再发生变化。但此时试样内仍会存在一定量的未冻水，主要因为土体颗粒表面能的作用，使土体颗粒中未冻水的含量与试样整体温度保持动态平衡。3.2.3融沉量变化当冻胀量稳定后，开始加热。将融沉过程划分为以下 4 个阶段。（1）在热胀阶段，砂卵石颗粒受热膨胀。（2）在融沉快速发展阶段，随着温度持续升高，试件高度减小，融沉量不断增加。（3）在融沉过渡阶段，融沉速率虽然有所减小，但融沉量仍在增加。（4）在融沉稳定阶段，融沉速率减小到近似为 0，融沉量达到初步稳定后的最小值。在这种情况下，砂卵石试样的融沉量均存在残余值，说明冻胀融沉后的砂卵石试样不会回到初始状态，会有一定残余量。3.3冻胀力砂卵石冻胀力与干密度的关系曲线如图 4 所示。0.0690.0670.0650.0630.0610.0590.0571.901.952.002.052.102.152.202.25 2.30冻胀力/MPa0.071干密度/（g/cm3）图 4砂卵石冻胀力与干密度的关系曲线封闭系统；开放系统；封闭系统拟合；开放系统拟合41铁道技术监督第 51 卷第 6 期在干密度相同的条件下，封闭系统砂卵石的冻胀力大于开放系统的冻胀力，并且冻胀力随着干密度的增大而减小。例如：对于 4 种干密度试样，在封闭系统条件下，稳定后的冻胀力分别为 0.070 2 MPa，0.065 4 MPa，0.062 7 MPa，0.058 5 MPa；在开放系统条件下，稳定后的冻胀力分别为 0.066 7 MPa，0.063 4 MPa，0.061 1 MPa，0.057 9 MPa。在人工压实条件下，能够压实的最大密度为2.27 g/cm3左右。原始地层的密度只能推算。对散点线性拟合，拟合式的相关性较好。通过拟合公式，推算原始地层密度为 2.436 g/cm3，在开放系统和封闭系统条件下的冻胀力分别约为 0.053 8 MPa和 0.063 1 MPa。4冻害控制措施为保证石太客专运营安全，根据石太客专路基砂卵石冻胀特性试验结果，本着“安全可靠、技术可行、经济合理、分类整治、减少对运营影响”的原则，对冻害问题进行综合整治。4.1疏通排水全面检查路基排水情况，做好道床基面排水及路堤、路堑两侧排水。对路基排水采取以下措施：一是及时清除土垅，保持道床清洁；二是平整路肩和边坡，保持无裂缝、无坑洼积水；三是及时检查各种排水设备，发现排水不畅，及时疏通，使排水设备发挥良好作用，确保不积水、不堵塞；四是整修已损坏的浆砌排水沟，并更换为混凝土排水沟，确保排水通畅，防止地表水渗漏。4.2注盐石太客专冻害地点重复率高，冻害持续时间长、整治工作量大，冻胀隆起高度大，冻害引起设备质量严重下滑。因此，在石太客专冻害地段采取注盐方式，延缓冻害发生时间，缓解冻害发生幅度。在 2011 年和 2012 年冬季，累计注盐 280 t。注盐后，冻害发生时间推迟 20 天左右，冻胀隆起高度减少 3 mm10 mm。注盐情况如图 5 所示。注盐时，应根据现场钢轨上标记的冻高，计划好每个轨枕盒内的用盐量，按单股、双股注盐效果图均匀注盐。注盐时本着宁少勿多的原则，以减少冬季出现低洼地段。同时做好注盐原始记录，比较每年的注盐效果，以便深入分析冻害产生原因。对冬季标记的冻害位置全部安排注盐。对注盐后效果不显著的，要查找原因，并记录。切勿在未进行分析的情况，第 2 年又盲目注盐。为保证盐量准确，应用衡器称量。注盐要均匀，对钢轨下、辙叉下等隐蔽部位，不能少注或不注。4.3采用外保温层防护由于冻结时，已冻区中含有一定量的未冻水，通过相邻颗粒的公共水膜，不断由未冻区向冻结区迁移，导致邻近颗粒表面水膜变薄。为保持热平衡状态（稳定状态），通过冷源进入试样中的冷能，需与薄膜水、自由水、孔隙水、弱结合水等冻结成冰晶体相变放出的潜热，以及未冻土传来的热能相平衡。因此，路基需采用外保温层防护。外保温层主要由粘结层（聚合物粘结砂浆）、保温层（聚苯板，导热系数为土体的 1/10）、保护层（热镀锌钢丝网及抗裂砂浆）、饰面层（涂料或面砖）组成。保温层规格为 600 mm600 mm80 mm，各项性能指标符合 05J3-1 要求的阻燃型挤塑聚苯板。将保温材料用特制粘结料，粘贴在基层上。外部用钢丝网及胶结料保护，形成隔热体系，以保温和阻热。砂浆选用经建设主管部门备案核准并经现场取样检验各项性能指标符合 05J3-1 要求的聚合物粘结砂浆和抗裂砂浆。保护层选用钢丝直径为0.9 mm、网孔大小为 12.7 mm12.7 mm 的热镀锌钢丝网，以及配套的专用膨胀螺丝钉。4.4路基注入高分子材料石太客专路基基床填料为级配碎石，设计厚度为 0.7 m，空隙比为 18左右。路基过渡段（涵路过渡段和桥路过渡段）填料为级配碎石，孔隙比为 28%左右。冻害主要发生在基床表层，由于砂卵石试样的融沉量均存在残余值，说明冻（b）钢轨左侧（a）钢轨右侧图 5注盐情况42石太客专路基冻胀融沉特性试验与冻害控制措施检验与认证胀融沉后的砂卵石试样不会回到初始状态。因此，采用注入高分子材料的方法，排出引起冻害的水分子。注入材料为高分子液态胶。高分子液态胶在液态下具备良好的渗透性，固结后具备阻水、封闭、稳定长效的性能。为保持路基弹性一致，在冻害点及两端各 25 m 范围内注胶。注胶宽度为道床底边宽度，即 11 m。路基段注胶深度为 0.5 m，涵洞（或桥梁）与路基过渡段注胶深度为 0.5 m1 m，呈梯度过渡。所有冻害段均须注胶。4.5人工与大机清筛道床石太客专有砟轨道采用的特级碎石道砟，虽然在铺设前已经水洗，但在铺设施工过程中仍然难以避免石粉等杂物混入其中。道砟渗水性尚可，在雨季，地表水可顺利渗透。但在冬季降雪后，随着积雪在白天消融、夜间冻结，道床中的杂物必然冻胀，形成冻害。此外，石砟一般在装车后进行水洗，其中的石粉集中在车底部。卸车后，石粉在道床上分布不均匀，也会加剧相对冻高。因此，在既有冻害基础上，统计筛选冻害数值加大地段，调查现场道床杂物情况，对存在石粉较多的地段，安排人工清筛枕底道床及道床边坡。清筛深度为：道袖侧为轨枕底向下 250 mm，边坡侧为轨枕底向下 300 mm，边坡做成斜坡型。清筛宽度为道袖侧向外 300 mm，边坡侧全部清筛，并安排大机清筛道床。5结论通过对重塑砂卵石土样在饱水状态下随干密度和补水条件变化规律的研究可知，砂卵石冻胀过程是典型的水热传输过程。当冻结稳定后，封闭系统内试样各测点的温度略高于开放系统。为保证石太客专运营安全，结合石太客专路基砂卵石冻胀特性试验结果，本着“安全可靠、技术可行、经济合理、分类整治、减少对运营影响”的原则，对冻害问题开展综合整治。通过疏通排水、注盐、采用外保温层防护、路基注入高分子材料和人工与大机清筛道床等控制措施，石太客专路基冻胀减小平均约 74%。研究结果可为与石太客专相似线路的设计、施工及安全运营提供理论参考和技术指导。参考文献1 李晓乐，王伟长春地区粉质黏土融沉性质及影响因素试验研究J 科学技术与工程，2020，20（36）：14854-148612 郭红梅长春地区季节性冻土冻融作用下的力学性质研究J 岩土工程技术，2020，34（5）：290-2953 朱杰，王蒙淮南弱膨胀土冻胀融沉特性J 科学技术与工程，2020，20（14）：5757-57634 伍绍红地铁施工冻胀融沉对于地表变形的影响规律 J 石家庄铁道大学学报（自然科学版），2018，31（S1）：62-655 毕贵权，穆丽静，王冬兰州地铁沿线粉质黏土的冻胀融沉特性J 兰州理工大学学报，2018，44（2）：113-1166 孙喜来寒区高速铁路路基冻胀融沉影响因素的概述 J 青海交通科技，2016（2）：43-457 沈宇鹏，刘越，邰博文，等冻融循环下含砂粉土冻胀率和融沉系数的试验研究J 铁道学报，2021，43（9）：118-1268 黄俊，汤国毅，严刚，等常州典型土层冻胀融沉特性试验研究J 山西建筑，2021，47（9）：58-609 李思齐，杨平，张婷，等粉质黏土水泥土冻胀融沉特性研究J 冰川冻土，2021，43（4）：1102-1110（编辑牛建利）6结论通过实物检测，发现轨头、轨腰部位有异常回波信号，并对异常部位取样分析，确认为内部伤损回波信号。尖轨、心轨实物试验验证了通过人工伤损对比试块试验确定的检测工艺方法是有效的。对超标伤损部位金相检验发现，伤损均为原材料材质伤损（A 类细系夹杂物）。由于伤损形状细长并沿纵向分布，导致斜探头复查时不易被发现。为了更准确地评定轨腰伤损当量大小，宜增加 60AT2 钢轨轨腰部位不同埋藏深度的平底孔人工伤损。参考文献1 高速铁路道岔制造技术条件第 1 部分：制造与组装：TB/T3307.12020S 2 钢轨第 2 部分：道岔用非对称断面钢轨：TB/T 2344.22020S 3 钢轨第 3 部分：异型钢轨：TB/T 2344.32018S 4 高速铁路道岔制造技术条件钢轨件无损检测：TJ/GW 1672020S 5 工务作业第 21 部分：钢轨焊缝超声波探伤作业 TB/T2658.212007S 6 钢轨超声波探伤方法：YB/T 9512014S（编辑牛建利）（上接第 30 页）