李 东，　程 佳

(1.中铁建大桥工程局集团第四工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150009；2.石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043)



季节性冻土地区泡沫混凝土保温板路基温度场数值模拟

李 东1，程 佳2

(1.中铁建大桥工程局集团第四工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150009；2.石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043)

摘要：近年来，泡沫混凝土作为一种轻质保温材料得到广泛应用，然而对泡沫混凝土作为保温材料应用于季节冻土区高铁路基的研究相对较少。以哈齐客专DK221+150断面的现场监测数据为依据，利用ABAQUS有限元分析软件，建立泡沫混凝土保温板路基的温度场模型，研究泡沫混凝土保温板在季节冻土区对铁路路基的保温效果。通过对不同工况下泡沫混凝土保温板路基进行温度场数值模拟，优化路基两侧泡沫混凝土保温板的铺设长度。模拟计算结果表明：泡沫混凝土保温板对路基具有明显的保温效果，当保温板的铺设方式为路基面全幅铺设且路基两侧的铺设长度由路肩延伸至4.0 m时保温效果最佳。

关键词：泡沫混凝土；保温板；季节性冻土；铁路路基；温度场

季节冻土地区因冬季寒冷，铁路路基极易出现冻胀现象,而春季路基又会发生融化，在这种冻融循环的作用下，导致铁路路基发生翻浆冒泥、下沉等路基病害，影响列车的运行安全[1]。因此，要想使得季节性冻土地区铁路路基病害得到控制，就应当首先确保季冻区路基的热稳定。

季节性冻土地区铁路路基中铺设保温材料是减少冷量传入路基、增加路基热阻的一种有效措施。此种措施在国内外都已得到广泛应用，对路基有良好的保温效果[2-7]。然而在之前的研究中，大多只是考虑保温材料对路基面的热阻作用，并没有考虑冷量从路基两侧传入时对路基土体的冻结影响。事实上，冷量由路基边坡两侧传入对路基内土体的冻胀有不可忽视的影响。此外，目前在铁路路基中应用较广泛的保温板材料为聚苯乙烯泡沫塑料，并且对其理论上的研究也相对较深入，而对泡沫混凝土保温性能的理论研究相对较少，并且应用于铁路路基保温材料中的研究也较少。

数值模拟是研究冻土区路基温度场的一种有效方法[8]，本文通过数值模拟的方法，以哈齐客专为背景，研究泡沫混凝土保温板在铁路路基中的保温效果，以及对泡沫混凝土保温板在路基两侧的铺设长度问题进行优化。

1 泡沫混凝土保温板路基温度场数值模拟

1.1 模型建立

哈齐客专是我国典型的季节性冻土地区的高速铁路，本文以其DK221+150监测断面为研究对象，通过有限元分析软件来对冻土区路基温度场进行数值模拟，目的是分析泡沫混凝土保温板对路基的保温效果。文中路基温度场的计算模型包括五种不同工况，分别对不同工况下路基的温度场进行数值模拟。

根据哈齐客专路基断面形式、尺寸和地质勘测资料，以DK221+150监测断面处路基的热稳定性为研究对象，路基计算模型的设计高度为3.97 m，顶面宽度为13.4 m，路基边坡坡度为1∶1.75。土质以粉砂为主，基床0～0.55 m范围内为级配碎石，0.55～3.97 m范围为非冻胀性A、B组填料，路基下部为混凝土筏板，如图1所示。根据哈齐客专现场监测资料、室内实验实测及有关参考文献，确定路基模型中各土层的热物理参数以及泡沫混凝土保温板的热物理参数[9]如表1所示，其中各土层的密度与温度无关。

图1　路基温度场计算模型

路基在纵向上可认为是无限延伸的，因此研究路基温度场的分布，可以只考虑其横断面内的二维温度场分布；该项目现场实测温度非常充分，因此边界条件直接输入现场实测数据，忽略土中水分迁移的影响；左右计算范围为路堤坡脚各向外延伸20 m；根据现场监测结果，计算深度为天然地面下10 m，年平均地温7 ℃。

表1 路基各土层的温度参数

注：ρd为土体干密度(kg/m3)；λ为导热系数(kJ/(m·℃·d))；C为比热(kJ/(kg·℃))。

1.2 初始条件及边界条件

通过ABAQUS有限元软件对路基温度场进行数值模拟，路基计算模型的网格为structure四边形单元，单元全部的长度为0.2 m，如图1所示。模型计算以d为时间单位。由数据实际监测频率，每天为一个荷载时间段，全年划分为365个时间段来进行模拟计算，计算精度达到0.01 ℃。其中材料属性中的时间单位也为d。根据现场温度监测数据及实际情况，初始温度场取2012年6月1号的路基温度场。模型上边界条件采用试验断面的现场温度，左右边界为绝热。下边界条件依据有关文献[10]及实际温度监测数据，可知该地区天然地面以下10 m处竖向热交换甚微，地温基本不变，年平均地温7 ℃。为了验证泡沫混凝土保温板的效果，五种工况的模型应用相同的初始条件，即边界条件都为现场实测值。

1.3 模型验证

通过对比路基温度场的实测值与计算值，可以验证计算模型的合理性与可靠性。模型验证根据哈齐客专DK221+150断面的温度监测数据，2012年6月1日为起始时间。

为使模型的验证更加有代表性，选取一年中典型时间进行对比。包括2013年4月22日(年平均气温)，2012年7月22日(年最高气温气温)，2013年1月18日(年最低气温天气)，2013年4月1日(路基最大冻深天气)。

由图2可知，路基计算模型及参数的选择，可以较好地模拟天然地表以下土体的温度分布情况。

图2　天然地表处地温验证

2 数值计算结果及分析

有关研究表明[11]，铁路路基中保温板的埋设深度越浅其保温效果越好，因此本文在路基面全幅铺设泡沫混凝土保温板。其中路基面铺设泡沫混凝土保温板时，考虑列车荷载作用和耐久性，必须具有足够的强度；而路基两侧铺设泡沫混凝土保温板时，考虑环保效果，在保温板表面覆盖1.5 m宽度的细粒土护道。

五种工况下的路基温度场计算模型：不设置保温板(普通路基)(工况1)、路基面全幅铺设泡沫混凝土保温板(厚15 cm)(工况2)，路基面及两侧路肩向下分别延伸2.6 m(路基高度1/3)(工况3)、4.0 m(路基高度1/2)(工况4)、5.2 m(路基高度2/3)(工况5)处铺设泡沫混凝土保温板，如图3所示。

2.1 泡沫混凝土板的保温性能分析

图4为普通路基与路基面铺设泡沫混凝土保温板的温度场分布云图，从图中可以看出，温度场并未关于路基中心对称分布，是由于此处存在阴阳坡效应[12]，其中路基左侧为阳坡，右侧为阴坡，左侧温度相对于右侧温度偏高。

图3　路基计算模型示意图

图4　路基温度场分布

由图5及表2可知，路基表面铺设泡沫混凝土保温板可以有效的防止路基冻胀，其中路基中心处最大冻深抬升为1.93 m。此外，泡沫混凝土保温板的保温效果从路基中心向两侧逐渐降低，产生此种现象主要是因为冷量由路基两侧坡面传入路基土体，从而使得保温板对路基两侧的保温效果降低。可见，如果在路基两侧沿边坡上再铺设一定长度的保温板，保温效果会更好，同时根据冻深变化情况，进一步优化路基两侧边坡保温板的铺设长度。

图5　最大冻深对比曲线

左路肩距左路肩1m路基中心距右路肩1m右路肩普通路基-2.19-2.10-2.08-2.30-2.63路基上表面铺设保温板-1.86-1.36-0.15-1.67-2.31差值0.330.741.930.630.32

2.2 不同工况下路基温度场分布规律

观察不同工况下，泡沫混凝土对铁路路基温度场的影响情况，如图6所示。

由图6可知，通过对4种工况的数值模拟，可以发现随着路基两侧保温板铺设长度的延伸，两侧路肩下部土体的冻深范围逐渐减少，其中铺设至路基高度三分之一处，冻深范围影响幅度变化最大。此外，由于阴阳坡的存在，使得不同工况下路基左侧的保温效果都优于右侧。

图6 不同工况下路基等温线分布(单位：m)

2.3 不同工况下路基最大冻深线分布规律

由图7及表3，当路基两侧保温板铺设长度为2.6 m时，路肩处的冻深范围变化最大，其中左路肩处抬高1.17 m，右路肩处抬高1.17 m。随着两侧铺设长度的增加，左侧边坡的冻深线已经接近保温板面层，但由于右侧边坡位于阴面，其冻结深度较大，因此并未将冻深线抬升至保温板面层。通过对现场实测数据分析，得出路基中心处的最大冻深为-2.4 m、右路肩最大冻深为-2.3 m、左路肩最大冻深为-1.9 m，对比上述工况可以发现，泡沫混凝土板的保温效果明显。

图7 不同工况下路基最大冻深对比曲线

综上所述，根据哈齐客专现场实测数据分析，当路基两侧泡沫混凝土保温板铺设长度为2.6 m时，可以很好地保护路肩下土体；但是如果经济允许，并且线路较为重要时，建议将保温板铺设长度延伸至4.0 m。

表3 不同工况下路基特殊位置最大冻深对比　m

3 结论

(1)通过对五种不同工况下路基温度场进行数值分析，可以发现：对于具有明显保温效果的泡沫混凝土板，如果仅在路基面铺设时，两侧路肩处保温效果较差，说明在路基两侧边坡延伸铺设保温板非常必要。

(2)路基两侧保温板的铺设长度的选择应当综合考虑造价、施工以及线路重要程度等因素，如果线路较为重要，建议将该地区路基两侧边坡的泡沫混凝土铺设长度延伸至4.0 m。

(3)尽管泡沫混凝土对路基具有良好的保温效果，但需要足够的强度和稳定性，而这两项与导热系数负相关。因此，需要对泡沫混凝土板的强度、保温性和稳定性做进一步的优化研究。

参考文献

[1]林风国. 青藏铁路冻土沼泽化斜坡湿地路基稳定性研究[J]. 国防交通工程与技术,2009(3):29-30，63

[2]Clarke E S,Krzewinski T G,Metz M C.The Trans-Alaska pipeline system synthetically insulated workpad an evaluation of present conditions[C]//Proceedings of the ASME Energy Resources Technology Conference and Exhibition.Texas:ASME,1981:413-416

[3]Esch D C.Insulation performance beneath roadsand airfields in Alaska[C]//Proceedings of 4th International Specialty Conference.New York:ASCE,1986:713-722

[4]Gandahl R.The use of plastics foam insulation in roads[C]//Proceedings of the 4th Canadian Permafrost Conference. Ottawa: National Research Council of Canada,1982:570-576

[5]Larsen L A,Krzewinski T G,Bergman J B.Use of rigid insulation below grade for roadways and parking areas[C]//Proceedings of the 6th International Specialty Conference.New York: ASCE,1991:428-437

[6]顾红新.东北地区高速铁路路基及桥梁冬季施工技术[J].国防交通工程与技术,2011(2):37-39

[7]胡 宇.TIF保温板在青藏高原多年冻土区路基工程中的应用研究[D].成都:西南交通大学, 2003:39-52

[8]张玉芝,杜彦良,孙宝臣.季节性冻土地区高速铁路路基地温分布规律研究[J].岩石力学与工程学报,2014,33(6):1286-1296

[9]中华人民共和国住房和城乡建设部.JG/T 266—2011 泡沫混凝土[S].北京:中国标准出版社,2011

[10]徐斅祖,王家澄，张立新.冻土物理学[M].北京:科学出版社，2010:35-45

[11]肖 伟. 季节冻土区高速铁路路基温度场及保温措施研究[D].北京：北京交通大学,2014:32-38

[12]孙立平,董献付,周 勇,等.青藏线冻土区“阴阳坡”问题及其辐射机制[J].冰川冻土,2008, 30(4):610-616

On the Numerical Simulation of the Temperature Field of a FoamedConcrete Insulation Board Subgrade in Seasonally Frozen Regions

Li Dong1，Cheng Jia2

(1.The 4th Engineering Co. Ltd. of the Bridge Engineering Bureau Group of China Railway,Haerbin 150009,China;2.Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)

Abstract:As a kind of lightweight thermal insulation material, foamed concrete has been widely used in recent years.However,there is comparatively little study of the application of foamed concrete to the subgrade of high speed railways in seasonally frozen regions,in which case a model of the temperature field for the subgrade made up of foamed concrete boards is established in the paper in the light of the site-monitored data from the cross-section of DK221+150 section of the Ha-Qi Passengers-oriented Railway and by means of the ABAQUS finite element analysis software to study the thermal insulation effect of foamed concrete insulation boards for the railway subgrade in seasonally frozen regions.Through numerically simulating the temperature fields of the foamed insulation board subgrade in various construction conditions, the laying length of the foamed insulation boards on both sides of the subgrade is optimized.The simulated results show that: foamed concrete has obvious thermal insulation effects on the subgrade.When the full-width of the subgrade surface is covered with foamed concrete thermal insulation boards and the laying length on both sides of the subgrade extends to 4.0 m,the thermal effect is the best.

Key words:foamed concrete;insulation board;seasonally frozen soil;subgrade of the railway;temperature field

收稿日期：2016-03-04

基金项目：铁道部科技研究开发计划(2011G026-A)

作者简介：李东(1966—)，男，高级工程师，主要从事铁道工程技术管理工作731191861@qq.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.009

中图分类号：U213.14

文献标识码：A

文章编号：1672-3953(2016)03-0035-04