寒區高速鐵路路基混凝土基床試驗研究

，,，,， ,，,，,

(1.中國鐵道科學研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

我國東北部地區冬季溫度低且持續時間長，土壤最大凍結深度超過2.0m，受地表氣溫季節變化影響，呈周期性凍結和融化，屬于典型的季節性凍土環境。

季節性凍土區高速鐵路運營過程中面臨著抗凍防寒等問題，合理的路基基床防凍脹結構設計是預防路基凍脹的關鍵。文獻[1]分析了哈大高速鐵路混凝土基床試驗段的凍脹及凍脹變形發展情況，文獻[2-5]闡述了哈大高速鐵路的凍脹情況及機理。為更好地解決寒區高速鐵路路基凍脹問題，我國采取了一系列防凍脹措施[6-9]。京沈客運專線采用的是混凝土基床結構，在基床范圍內使用混凝土代替A，B組填料，從根源上減少凍脹的發生。

本文以京沈客運專線遼寧段四標段路塹地段縱向連續的路基混凝土基床為研究對象，通過監測混凝土基床不同部位的路基地溫、凍結深度及分層變形，研究路基混凝土基床結構的變形規律，為混凝土基床的結構設計提供依據。

1 工程概況

新建京沈客運專線是國家中長期鐵路網規劃的“四橫四縱”客運專線主骨架京哈客運專線的重要組成部分。線路起自北京站東咽喉，向東北方向經河北省承德市，遼寧省朝陽市、阜新市后接入沈陽鐵路樞紐沈陽站。線路全長709 km，正線采用 CRTSⅢ 型板式無砟軌道，設計速度350 km/h。

2 試驗方案

選取試驗工點為京沈客運專線遼寧段四標段DK347+688—DK347+733處路塹地段縱向連續的2塊混凝土基床板，長度分別為11.32，25.00 m，在最大凍結深度內，基床從上至下依次采用0.5 m C35混凝土、1.5 m C20混凝土;混凝土基床以下鋪設0.25 m厚碎石墊層；碎石墊層以下鋪設0.25 m厚三七灰土墊層。在混凝土基床板的中部及端部伸縮縫處分別安裝變形計進行長期變形監測。據勘查資料可知，該地區最大凍結深度在1.35～1.67 m。為充分保障測試結果，設計的地溫測試孔深度為4.0 m，分層變形測試深度分別為2.0,2.5,3.75 m，該設計足以保證監測到整個凍結深度范圍內的變形情況。地溫設計測試深度分別為0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.6，2.0，2.5，3.0，4.0 m。變形計用于測定設計深度范圍內的變形量，由于混凝土基床的整體性，在混凝土基床深度范圍內未設分段變形計。

3 試驗結果

3.1 路基地溫監測分析

圖1 溫度傳感器布置示意(單位：m)

DK347+710測試斷面溫度傳感器布置如圖1所示，該斷面共設置了5個地溫測試孔，分別設置在路肩左右側距基床邊緣1 m處和混凝土基床板的左右邊緣及基床線間。溫度測試時段由2017年1月開始至2017年7月結束，測試時間長達半年，累計監測700余次。DK347+710斷面不同深度的地溫時程曲線見圖2。

圖2 DK347+710斷面不同位置處地溫時程曲線

由圖2可知：①1—3月初，基床結構各層溫度隨深度而增加；3月初—5月初，路基表面溫度變化較大，路基表面和監測底面溫度較高而基床底面附近溫度較低，此階段基床各層之間的溫差較??；5月初—7月，基床結構各層溫度隨深度而降低；②基床表面淺層溫度變化受環境影響較大，越靠近表面溫度日變化幅度越大，且環境溫度影響逐漸向下傳遞，隨深度增加影響逐漸減??；③基床線間表面溫度波動幅度小于基床邊緣表面和路肩表面溫度波動幅度，這是由于混凝土與路肩填料的導熱系數不同所致；④混凝土基床線間深部溫度變化要大于基床邊緣和路肩處的溫度變化，各個溫度計監測結果均顯示全年溫差隨深度增加而減小。

3.2 凍結深度監測分析

圖3 DK347+710斷面凍結深度變化曲線

DK347+710斷面處各監測位置的凍結深度變化曲線見圖3。由于地溫初值采集時間為2017年1月份，此時已經產生凍結深度。影響路基凍結深度的因素主要有大氣溫度、太陽輻射、凍結時間等。其發展主要受地面氣溫的影響?？芍?，在1月11—31日，隨著氣溫下降和每天保持0 ℃以下低溫時段的增長，凍結深度增加速率基本上在1.6～3.0 cm/d。增加速率最大的是基床線間，最大值為3.2 cm/d。增加速率最小的是左側路肩，最小值為1.6 cm/d?；簿€間及基床左右邊緣增加速率均大于路肩處。2月1—17日凍結深度增加速率減緩，基床線間及基床左右邊緣處基本上在0.30 cm/d左右，路肩左右側凍結深度增加速率基本相同，在0.25 cm/d左右。2月18日—3月底，基床線間及左右邊緣凍結深度降低速率較快，而路肩填料處的凍結深度降低速率要小于基床處。對比路肩填料與混凝土基床可知，路肩填料在凍結深度快速發展階段和回暖階段的速率均明顯小于基床混凝土，這是由于二者的導熱系數不同。

DK347+710處左側路肩、基床左邊緣、基床線間、基床右邊緣、右側路肩監測期間的最大凍結深度分別為1.24，1.37，1.69，1.31，1.22 m。

3.3 分層變形分析

分層變形監測時間從2017年1月開始至2018年6月結束，監測頻次為每2 h 1次。通過對混凝土基床板不同部位的分層變形長期監測，研究路基基床的變形規律?；炷粱膊煌课桓鞅O測深度最大變形見表1。

表1 各監測部位最大變形 mm

由于分層監測初值采集時間是1月份，由傳熱學理論可知此時混凝土基床板已經產生翹曲變形，且1月中旬左右是基床板翹曲變形幅值階段，因此變形監測結果中包含溫度翹曲變形。不同位置處路基變形時程曲線見圖4?？芍?，混凝土基床中部和伸縮縫的最大變形量不超過2.5 mm，變形幅值在路基允許范圍之內(≤5 mm)，不會影響到線路平順性。

圖4 不同位置處路基變形時程曲線

DK347+714斷面基床端部不同層位變形曲線見圖5?？芍?，變形主要發生在路基混凝土基床內，而墊層和基床以下變形均在0.5 mm 左右，在測量誤差影響范圍內。由于監測期間最大凍結深度未超過混凝土基床的厚度，混凝土基床以下未產生凍脹變形，該變形在監測周期內呈周期性變化，與混凝土基床板的溫度翹曲變形規律和幅值均相似。

圖5 DK347+714斷面基床端部不同層位變形曲線

4 結論

1)地溫監測時段內，混凝土基床線間的最大凍結深度為1.69 m，兩側路肩處的最大凍結深度為1.24 m，混凝土基床的最大凍結深度大于路肩處填料的最大凍結深度，且均未超過混凝土基床厚度。

2)2017年1月至2018年6月監測時段內混凝土基床變形較小，變形幅值不超過2.5 mm，且混凝土基床以下變形在0.5 mm左右。該變形主要為溫度應力引起的混凝土基床板的翹曲變形。

3)采用混凝土基床代替傳統A，B組填料的設計能很好地解決路基凍脹引起的線路不平順問題，滿足高速鐵路線路平順性要求，但還需繼續監測混凝土基床的性能演變情況。