张玉芝，杜彦良，孙宝臣

(1.石家庄铁道大学 河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室，河北 石家庄　050043；2.北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京　100044)

哈大高速铁路是我国在高寒季节性冻土地区修建的第1条高速铁路，对路基稳定性要求严格。

铁路设计时期，许健等[1-3]运用浅层冻土非稳态相变温度场的数学模型，研究了保温、换填等防冻胀措施可能对路基地温场和变形场造成的影响。路基修建之初，刘华等[4-5]依据哈大高速铁路长春段路基地温监测资料，初步分析了路基断面不同位置的地温分布规律，并建立数值模型研究了不同路基填料地温场的分布规律。牛富俊等[6-7]通过对现场监测资料的分析，研究了哈大高速铁路路涵过渡段路基及其下部地基土的冻结特征和时空变化特征及其对路基热稳定性的影响，并建立温度场模型分析了不同结构形式的涵洞对路基热稳定性的影响。上述研究成果在一定程度上指导了冻土地区高速铁路路基的工程实践，并初步评价了工程措施的效果。

对于季节性冻土地区而言，保证路基的力学稳定性是其设计和维护的关键，现场大量的实测路基地温和变形等资料有助于分析路基的稳定性状况，并为养护维修提供参考。冻土地区铁路路基的修筑打破了原地层的热量周转格局，路基及周边地区地温场需要一段时间才能逐渐稳定。张玉芝[8]等依据3年的地温实测资料数值分析了路基不同位置及坡脚、天然位置的地温分布规律，并研究了地温的发展趋势及对路基稳定性可能造成的影响。哈大高速铁路运营后首个冻融期(2012—2013年)的路基变形监测发现，路基普遍存在冻胀，个别区段出现了近20 mm的冻胀变形，且路基的冻胀变形以基床表层冻胀为主，主要发生在非冻胀敏感性的A和B组填料及级配碎石中。盛岱超等[9-10]认为列车循环动荷载引发的超静孔压将水压向冻结锋面，使冰层不断形成，并导致冻胀持续发展。石刚强等[11]依据哈大高速铁路沿线9 641个凸台观测点的监测资料得出结论，路基的冻胀程度与采取的填料和断面的位置存在内在联系。王春雷等[12]的研究则表明，路基填料质量不佳和防排水措施不到位等是冻胀的主要影响因素。由于缺乏对典型断面的连续监测分析，对于季节性冻土地区高速铁路路基变形特征及影响因素尚缺乏明确和系统的分析。

哈大高速铁路沈哈段的路桥过渡段采用了二次过渡形式，过渡段范围内不同断面处路基的填料组成变化比较大，同时，高速铁路的运营经验也表明：路桥过渡段路基沉降变形引起的病害是最为普遍的一类路基病害[13]。因此，本文结合哈大高速铁路德惠特大桥路桥过渡段2012—2014年2个冻融循环期间的地温和沉降实测数据，研究季节性冻土地区高速铁路运营后冻融周期内路桥过渡段的冻胀融沉和差异沉降等的发展变化特征。

1　现场监测

1.1　监测区域概况

监测区域为哈大高速铁路德惠特大桥桥头的填方过渡段，如图1所示。图中，L为过渡段长度；(h1-h2)为桥台后路堤的高度，a取过渡段内正梯形和倒梯形中短边长度的较大值。

图1　过渡段结构设置及沉降监测测点布设示意图

该处地下水为第四系孔隙潜水，主要由大气降水补给。水位埋深较大，一般为13.0～18.5 m。

该路桥过渡段的正梯形部分采用水泥稳定级配碎石(掺加3%～5%水泥)，其后设置一段倒梯形的过渡段，填料为A，B组填料，压实标准同基床底层。过渡段范围内0.4 m厚基床表层的级配碎石掺加3%～5%的水泥。过渡段范围以外，路基基床表层为0.4 m厚的级配碎石，下设1.0 m防冻层，采用非冻胀性A，B组填料(填料中细粒含量小于15%，且平均冻胀率η≤1%)填筑。在基床表层底面均铺设1层两布一膜的复合土工膜隔断层，土工膜上下各设0.05 m厚的中粗砂垫层。

1.2　监测方案

沉降测点布设基本方案为：自桥边缘处沿线路方向30 m范围内的东路肩表面每5 m布设1个沉降监测点，共布置6个测点，基准点固定在桥框架梁上见图1。

地温采用文献[8]和[14]的测点布设方案：轨道铺设前，在桥后过渡段K1 063+629东路肩处布设测温孔，在路基表面以下0.8～3.8 m深范围内每间隔0.5 m设1个温度测点。同时，在沉降测点的监测装置中集成温度传感器，测量地表温度。

沉降变形传感器选择文献[15]中研发的基于液体压差的传感器，能够实现变形的同步连续测读。传感器在200 mm的有效量程内测试精度可达到±0.2 mm。温度传感器采用热敏电阻作为主要元件，测量范围为-40～60 ℃，在-20～20 ℃范围内测量精度为±0.03 ℃。

路基地温采集频率为每5 d采集1次，变形和地表温度数据采集频率设定为每6 h采集1次。

2　过渡段沉降变形分析

以0 ℃作为冻结温度，依据地表温度和路基地温实测值通过线性插值得到冻深实测值。2个冻融循环期间冻深和变形的时程曲线如图2和图3所示，2个冻融循环期间冻胀稳定期的最大冻胀变形量如图4所示。

由图2—图4可知，2个冻融循环期间冻胀变形均呈阶段性的增长，最大冻胀量差异很小，且各测点冻胀变形最大值的大小次序基本相同。由冻胀基本稳定时对应的冻深可知，冻胀量基本发生在冻深0～1.2 m范围内。因此，2013年冬季的冻深虽然减小(从2.47 m降至2.25 m)，但冻胀量并未显著降低。季节性冻结层融化后，融沉压缩变形逐渐稳定，基本上回复到冻融之前的状态。

各测点变形均可分为冻胀和融沉压缩2个阶段，本文以变形量较为明显的2012—2013年期间路桥过渡段的变形为基础，基于文献[16]中的冻深—表面冻胀量对比法，研究冻胀变形随冻深的发展变化。而后比较路基不同结构层的冻胀量对总冻胀量贡献，并进一步分析过渡段的融沉压缩及差异沉降的变化。

图2　2012—2013年各测点变形和冻深时程曲线

图3　2013—2014年各测点变形和冻深时程曲线

图4　冻融循环期间冻胀变形稳定期路基各测点的最大变形

2.1　冻胀变形阶段

各阶段冻胀变化量和平均冻胀速率见表1。

由表1可见： 冻深在0～0.40 m时，监测区域的冻胀量为0.2～2.0 mm，其中K1 063+614—K1 063+624区域内冻胀量增长较快，平均冻胀速率为0.12～0.17 mm·d-1； 随着冻深的增大，冻深在0.40～1.24 m时冻胀量持续增长，冻深为1.24 m时冻胀量达到2.8～8.3 mm，其中，冻深分别在0.40～0.66 m及0.97～1.24 m范围内时，各测点的冻胀较为明显，平均冻胀速率为0.08～0.44 mm·d-1，而冻深在0.66～0.97 m内时，冻胀处于相对平稳时期；冻深继续发展，K1 063+614—624区域内的冻胀量继续缓慢上升，而其余区域基本没有增长；冻深超过1.24 m后，监测区域内冻胀量基本保持稳定，平均冻胀速率为0～0.01 mm·d-1。在冻胀稳定期监测区域的冻胀量在2.7～8.0 mm之间。

2.2　各结构层冻胀量贡献

按路基的结构层划分，各结构层冻胀量占总冻胀量的比例如图5所示。测点K1 063+604和K1 063+624处的冻胀量最大，达到8.0 mm左右，靠近桥梁的K1 063+629处的冻胀量最小，仅为2.8 mm左右，其余测点的最大冻胀量基本在5.0～6.0 mm之间。结合图2、表1及图5分析可知，冻胀量占总冻胀量的比例较大的位置为路基以下0～0.66 m以及0.97～1.24 m深范围。

表1　冻结期间不同阶段冻胀变化量、平均冻胀速率及冻胀量占总冻胀量的比例统计表

图5　路桥过渡段不同结构层冻胀量占总冻胀量比例

结合以上分析可得如下初步判断结果。

(1) 基床表层范围内的级配碎石及粗砂垫层(路基以下0.5 m深范围内)冻胀量占路基总冻胀量的平均比例为37.77%，其中，K1 063+614—624基床表层范围内级配碎石的冻胀量所占比例较大，接近60%。由于隔断层中土工膜的存在，级配碎石内的水分不能向下迁移。因此认为，此部分冻胀是由于轨道结构封堵不严及排水不畅导致水分积聚而引起的原位冻胀。

(2) 基床0.50～0.66 m及0.97～1.24 m范围内A和B组填料防冻层的冻胀量占总冻胀量的平均比例分别为14.65%和37.03%。由于土工膜的存在以及季节性冻土地区路基下部较高的土体地温，在温度势作用下水分向上迁移到防冻层上部后滞留，导致含水率持续增加，故冻胀较为明显。随着冷端温度快速下降，冻结锋面向下发展(路基表面以下0.66～0.97 m)时，迁移至冻结锋面的水分逐渐减少，含水率增加较少，故冻胀量较小。随着冻深继续发展至0.97～1.24 m处A，B组填料，由于温度梯度有利于分凝冻胀的形成，其冻胀量比较大。而1.5 m以下的土体，由于水分已发生了向上迁移，导致地下水水位较低，超过了毛细水的上升高度，加之季节性冻土地区单向冻结造成路基土体越往下地温越高，冻结越不充分等原因，导致含水率较低，故冻胀量小。

(3) 由K1 063+629处基床表层以下填料的冻胀量来看，级配碎石掺加水泥可减少路基的冻胀。K1 063+614—624区域内的基床表层级配碎石掺加水泥后的冻胀量虽占总冻胀量的比例相对较大，但其冻胀率为0.05%～0.5%，仍然是比较低的。

2.3　路桥过渡段融沉压缩和差异沉降

对比图2及图3可知，路基双向融化导致冻结区域内土体在1个月左右的时间内快速融化，融化过程中季节冻结层出现冻土核现象。且由于路肩位置融化较晚，冻土核现象更为明显[8]，导致剧烈相变过程中融化的水分不能及时下渗，也不能由两侧路肩顺畅排除，加之列车动荷载的作用，监测区域出现了比较明显的融沉压缩变形。并且，在冻胀较大的区域，路基聚冰多且多位于路基本体上部，融化期水分多，有可能伴随路基基床强度的下降[14]，在列车荷载的作用下融沉压缩变形较大。路基土体全部融化后，融沉压缩变形也逐渐趋于稳定。

按照高速铁路设计规范(TB 10621—2009)[17]规定，当设计时速为250～350 km时，路桥过渡段轨面弯折角限值为θ≤1.0×10-3rad。

路桥过渡段轨面弯折角θ=H/L，其中H为工后沉降差。2012—2013年冻融循环期间，路桥过渡段路肩处由差异沉降引起的弯折角列于表2。可见，靠近桥梁位置的K1 063+624—629区域差异沉降引起的弯折角在12月20日达到1.06×10-3rad，但之后基本上没有变化。在融化期间，差异沉降逐渐消失，弯折角迅速减小。差异沉降引起的弯折角基本满足规范的相关要求。

表2　不均匀变形引起的弯折角统计表

显然，控制沿线的冻胀变形是避免路桥过渡段产生较大差异沉降的关键。

2.4　讨论

随着冻融循环次数的增加，路基防排水措施的效果会降低，导致雨雪水的入渗和积聚；土体的物理力学性质也会逐步劣化，加之路桥过渡段土体性质不均匀以及土体中的水分发生迁移和重分布等，都可能导致冻胀变形和不均匀变形的增大。并且，由于路肩覆盖层较线路中心薄，又毗邻边坡，有利于散热，导致其处地温较低，从而在横断面上引发差异变形。

综上所述，在气候环境影响下，哈大高速铁路路基的地温场及采用的土工膜、粗颗粒填料、防排水设施等工程措施均不同程度地影响了路基内水分的迁移和重分布，从而形成了路基冻融变形发展的特征。因此，应提前采取措施防止路基的冻胀和融沉压缩变形引起的病害：一方面，继续跟踪监测，及时发现路基病害，加强线间积水和地下水的整治，重视路基封堵排防水设施的维护；另一方面，必须结合现场实际工程环境等，继续开展改善路基填料、保温等防冻胀技术措施的研究。

3　结　论

(1)冻胀变形主要发生在冻深0～1.2 m左右的范围内，冻结期间变形随冻深的增加呈现阶段性增长的特征。基床表层级配碎石的冻胀量约占路基总冻胀量的40%。

(2)路基的融沉压缩变形约在1个月内完成，趋于稳定后变形基本上恢复到冻融之前的状态。在冻胀变形较大的区域，融沉压缩变形相对较大，持续时间更长。冻融期间，差异沉降引起的弯折角基本满足规范≤1.0×10-3rad的要求。

(3)在气候环境影响下，路基采取的各项工程措施及形成的路基地温场等引起了水分的迁移和重分布，进而影响路基土体冻融变形的特征。

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