张聪颖

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

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)

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。

路基；季节性冻土区；保温板；冻胀观测

中国国土面积约有53.5%的地区属于季节性冻土区[1]。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]。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～-27.3 ℃，极端最低温度-36.8～-39.3 ℃，最大冻结深度1.89～2.72 m，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

1.1 温度监测

为观测温度分布及发展状况，在不同位置及深度安装温度传感器， 其深度分别为路基或地基表面下0.2 m，0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.2 m，1.6 m，1.7 m至4.1 m共计20个温度计。

温度传感器测温精度为0.1 ℃。

1.2 变形监测

为监测土体的整体变形和分层变形，对不同部位路基或地基表面下1 m，2 m，3 m深度分别埋设了冻胀计。

冻胀计量程为60 mm，精度为0.01 mm。

2 粗颗粒填料路基与天然地基

2.1 粗颗粒填料路基

路基基床表层0.4 m填筑级配碎石，其下2.0 m范围内填筑非冻胀A、B组土。级配碎石及非冻胀A、B组土细颗粒含量应控制在5%以内，压实后细颗粒含量应小于7%，渗透系数应大于5×10-5m/s。非冻胀A、B组土以下0.3 m填筑A、B组土，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，绘制期间气温变化曲线及路基向下0.6 m，1 m，2 m，3 m深度处的温度随时间变化的曲线，如图2、图3所示。

图1 传感器布设位置(单位：m)

图2 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月上旬开始逐渐融化，地温急剧升高，4月中旬后，地表温度最高，地温随深度增大而减小。 整个冻融周期中，地温为先降低后升高的趋势，呈余弦变化，但不同深度处的温度极值、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[3]，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1.5 mm。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。

图4 冻胀冻深变化曲线

冻结深度在冻结期是逐渐向下发展的，3月中旬后，下层路基冻结深度开始缓慢抬升，4月中旬开始，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，对其进行一个冻融周期的观测，绘制0.1 m，1 m，2 m，3 m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。

图5 天然土体温度随时间变化曲线

路基类型12月冻结速率/(cm/d)1月冻结速率/(cm/d)2月冻结速率/(cm/d)最大冻结深度/m天然土体1.51.40.51.42粗颗粒填料2.51.61.32.15

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]

Hf=A(-∑Tf)0.5

式中，Hf为冻结深度；-∑Tf为负温累计值，称为冻结指数；A为拟合参数，有

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大的[6]。

3 设置保温层粗颗粒填料路基

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0.2 m，不同部位的保温板搭接长度0.1 m。

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。

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0.2 m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0 ℃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，在整个冻融周期内，保温板铺设完毕后，地温一直保持在0 ℃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0.9 m，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。

图8 右侧路肩温度变化

4 结论

(1)冻结深度与冻结指数及土质有关，拟合结果表明，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。

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

Zhang Congying

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

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

Subgrade; Seasonal frozen area; Insulation board; Frost heaving observation

2014-08-26

张聪颖(1987—)，女，工程师，2011年毕业于中国地质大学

1004-2954(2014)11-0032-04

U213.1+4

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.008

(北京)资源与环境遥感专业，工学硕士。