季节性冻土地区路基冻结深度试验研究_张聪颖

第58卷第11期铁道标准设计

ＲAILWAY

STANDAＲD

DESIGN

Vol．58No．11

2014年11月

2954（2014）11-0032-04文章编号：1004-

Nov．2014

季节性冻土地区路基冻结深度试验研究

张聪颖

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251）

摘

要：在季节性冻土地区修建无砟轨道铁路，路基冻胀变形控制是突出技术难题。通过对填筑粗颗粒填料的路

基、天然地基与保温路基的温度及变形测试，确定不同土质冻结指数与冻结深度的关系，证明设置保温层可以降低冻结深度，是路基冻胀变形控制的一种有效措施。关键词：路基; 季节性冻土区; 保温板; 冻胀观测

+

中图分类号：U213. 14

文献标识码：A DOI ：10．13238/j．issn．1004－2954．2014．11．008

Study on Frozen Depth Test of Subgrade in Seasonal Frozen Soil Area

Zhang Congying

（The Third ＲailwaySurvey and Design Institute Group Corporation ，TianJin 300251，China ）

Abstract ：Where ballastless track is constructed in the area with seasonal frozen soil ，the embankment deformation control is a prominent problem．The test of subgrade filled with coarse grain soil and the test of temperature and deformation of the natural foundation and insulated embankment are conducted to determine the relationship between different soil frozen index and frozen depth．Test results show that

08-26收稿日期：2014-2011年毕业于中国地质大学作者简介：张聪颖（1987—），女，工程师，

（北京）资源与环境遥感专业，工学硕士。

檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾

73-79．振动加速度Z 振级作为评价指标，更为科学和规范。以后的地铁动力学检算也应严格按照该规范执行，逐渐在业内形成一个统一的地铁动力学检算和评价

体系。

（3）经计算和检算可知，在铺设减振垫浮置板的隧道内运行速度120km /h的地铁A 型车，其车辆平稳性指标、钢轨、浮置板和隧道结构的动力学计算结果均满足动力学检算标准。

（4）从满足减振要求同时兼顾安全的角度出发，建议减振垫面刚度取值范围宜为0. 01 0. 02N /mm，这样一方面能达到10dB 以上的减振效果，并留有一定的减振能力富余量，同时不会引起轨道结构的动位移超限。参考文献：

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insulating layer can reduce the frozen depth prove to be an effective way to control subgrade deformation caused by frost heave．

Key words ：Subgrade ；Seasonal frozen area ；Insulation board ；Frost heaving observation

中国国土面积约有53. 5%的地区属于季节性冻［1］

土区。季节性冻土是指寒季冻结暖季全部融化的土层。路基在经受年复一年的周期性冻融循环作用后，冻害严重影响了铁路路基寿命。冻害主要特征表明：冻胀变形多为不均匀变形，且发生位置具有随机性。路基病害的不断发生，不仅给铁路运输安全带来重大的危害，而且还影响运输成本

［2］

安装温度传感器，其深度分别为路基或地基表面下

0. 2m ，0. 6m ，0. 8m ，1. 0m ，1. 2m ，1. 6m ，1. 7m 至4. 1m 共计20个温度计。

温度传感器测温精度为0. 1ħ 。1. 2

变形监测

为监测土体的整体变形和分层变形，对不同部位路

2m ，3m 深度分别埋设了冻胀计。基或地基表面下1m ，

冻胀计量程为60mm ，精度为0. 01mm 。2

粗颗粒填料路基与天然地基

。因此，研究路

基防冻胀措施对于在季节性冻土区修建无砟轨道具有

重要的意义。

建设中的哈齐客运专线为无砟轨道铁路，位于松嫩平原。沿线地势低洼，河流水系发育，地下水丰富。沿线最冷月平均气温－23. 8 －27. 3ħ ，极端最低温度－36. 8 －39. 3ħ ，最大冻结深度1. 89 2. 72m ，路基冻胀变形控制难度极大。

本文依托哈齐客运专线路基试验段，通过一个冻融周期的冻胀和温度监测，对比天然地基、粗颗粒填料填筑路堤及铺设保温板的路基的冻结深度及冻胀变形情况，分析冻结深度与路基结构、冻结指数的关系，探讨合理的防冻路基结构形式。1

监测系统温度监测

为观测温度分布及发展状况，在不同位置及深度

2. 1

粗颗粒填料路基

路基基床表层0. 4m 填筑级配碎石，其下2. 0m

B 组土。级配碎石及非冻胀A 、范围内填筑非冻胀A 、

B 组土细颗粒含量应控制在5%以内，压实后细颗粒

－5

含量应小于7%，渗透系数应大于5ˑ 10m /s。非冻

B 组土以下0. 3m 填筑A 、B 组土，胀A 、基床以下填筑

A 、B 组土或C 组粗颗粒土。分别选择左线底座板外边缘、右线底座板两侧边缘和中心、右侧路肩位置布设传感元器件，布设位置如图1所示。

从2012年11月中旬路基开始冰冻至2013年6月全部融化，对其进行一个冻融周期的观测，绘制期间1m ，2m ，3m 深度处气温变化曲线及路基向下0. 6m ，

如图2、图3所示

。的温度随时间变化的曲线，

1. 1

图1传感器布设位置（单位：m

）

图气温变化曲线

图3

粗颗粒填料路基温度随时间变化曲线

从11月中旬至次年3月上旬，

地温始终缓慢下

降，地表温度最低，地温随深度增大而升高。从3月上

4月中旬后，旬开始逐渐融化，地温急剧升高，地表温度最高，地温随深度增大而减小。整个冻融周期中，地呈余弦变化，但不同深度处温为先降低后升高的趋势，

的温度极值、相位均有显著差别。

在不同深度，地温变化趋势相似，地表温度变化的幅度较大，随着深度的增加，地温的变化幅度逐渐变小，地温曲线逐渐变得平缓。路基温度场沿深度方向呈非线性分布

，这主要是因为路基不同深度处温度变化受外界环境变化影响，并且热量在传递过程中伴

［3］

图5天然土体温度随时间变化曲线

随着能量的衰减所致。主要表现为进入冬季，路基内部温度显著高于环境温度，热量从路基内部向外界环境扩散；春季转暖后，一部分热量由周围环境通过路面及两侧传向路基，路基内部温度逐渐升高，至夏季，其温度升至最高，但仍低于气温。

通过监测路基的冻胀量和冻深变化情况（图4），发现总体冻胀量并不大，未超过1. 5mm 。在冻结初期，冻胀量迅速发展，后处于平稳期，至春融开始，冻胀量逐渐下降至接近初值

。

基中心的实际冻结深度要大于天然地表的冻深。在一个冻融周期内，天然地表下和路基下冻结深度随着冻结指数的变化大致呈现平方根趋势变化（图6），依据传统Stephen 问题的解析解，冻结深度与冻结指数有如下拟合关系

［4］

H f =A （－

H f 为冻结深度；式中，

∑T f ）0. 5

－∑T f 为负温累计值，称

为冻结指数；A 为拟合参数，有

A =

{

297（Ｒ

443（Ｒ2=0. 955，路基中心处）

2

=0. 953，天然地表下）

图4冻胀冻深变化曲线

3月中旬冻结深度在冻结期是逐渐向下发展的，

4月中旬开始，后，下层路基冻结深度开始缓慢抬升，上层路基也开始融化，且融化速率大于下层的融化速

率，主要是因为外界热量向路基内部传递速度较快。4月底至5月初路基冻土全部融化。2. 2

天然土体

从2012年11月中旬路基开始至2013年6月，对

图6

冻结深度与冻结指数拟合关系

经过拟合对比，得出拟合参数A ，发现路基中心的

拟合参数大于天然地表的拟合参数，并且根据此拟合参数、气温，可以模拟下一年度的冻深发展状况及最大冻深。由此发现，由于具体地点的土质、水分状况、日照、周围环境等的不同，冻结深度变化差异还是很

［6］

大的。3

设置保温层粗颗粒填料路基

1m ，2m ，3m 其进行一个冻融周期的观测，绘制0. 1m ，深度处的温度随时间变化的曲线，如图5所示。

天然土体和粗颗粒填料路基在不同时间的冻结速率如表1所示。

表1

路基类型天然土体粗颗粒填料

12月冻结速

率/（cm /d）

1. 52. 5

冻结速率

2月冻结速率/（cm /d）

0. 51. 3

最大冻结深度/m1. 422. 15

1月冻结速率/（cm /d）

1. 41. 6

粗颗粒填料路基基床底层施工完成后，于轨道板底座下浇筑中空钢筋混凝土板，混凝土板空腔内填充XPS 保温板；轨道板底座范围以外位置，在基床表层顶部铺设XPS 保温板，保温板上浇筑纤维混凝土保护。电缆槽底部和侧面设置XPS 保温板。XPS 保温板厚0. 2m ，不同部位的保温板搭接长度0. 1m 。

根据部分现场实测观测资料，发现天然土体的总体变化趋势与粗颗粒填料路基相似，

但粗颗粒填料路

图7为2012年11月中旬至2013年6月右线位置不同深度温度测试曲线

。表明，冻结深度与冻结指数呈指数关系，在相同冻结指数条件下，粗颗粒填料路基冻结深度明显大于黏性土天然地基。

（2）在冻结过程中，地表温度最小，随深度增加逐渐升高，融化过程则刚好相反，路基温度场沿深度方向呈非线性分布，冻融周期中，温度总体呈余弦规律变化。

（3）粗颗粒填料路基冻胀量在初期发展较快，短时间内即进入平稳期，且最大变形量较小，说明粗颗粒填料路基防冻胀变形效果较好。

（4）铺设保温板后，线路中心测点温度一直在零

图7右线下温度变化曲线

可以看出，表层温度是呈先陡然降低，至深0. 2m

处已降至零度以下，到12月初达到最低点，之后骤然升高，然后呈缓慢降低缓慢升高的趋势。深层地温未受影响。12月中旬后，温度变化趋势与普通路基和天然土体类似。

这主要是因为在12月初之前，还未铺设保温板，表层温度降到了0ħ 以下，随后12月上旬开始施工，进行清除表层，搭建保温棚，浇筑中空钢筋混凝土板，铺设保温板等工作，导致上层路基温度逐渐上升，在整

保温板铺设完毕后，地温一直保持在0个冻融周期内，ħ 以上。

但右侧路肩位置的测点（图8）出现了负温区，最

大冻结深度约0. 9m ，出现于12月下旬，之后温度逐渐升高。值得注意的是哈齐客运专线12月下旬仍处于负温累积阶段，即正常情况下，冻结深度应处于持续发展而非融化阶段，因此该点的测试结果受施工过程影响较大，其保温效果需结合进一步的观测进行评估验证

。

度以上，说明通过保温措施将冻结深度控制在一定范

围是可行的。边缘测点出现负温区，是源于保温方案尚存在不完善的方面还是施工过程的干扰，尚需结合进一步的观测进行验证。参考文献：

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4结论

（1）冻结深度与冻结指数及土质有关，拟合结果