铁道建筑 ９８ Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 文章编号：１００３．１９９５（２０１３）０４—００９８—０３ 高速铁路路基防冻胀结构设计方法的研究 祁 辉 ，胡相钰 ，李廷刚 ，程爱君 （１．哈尔滨地铁集团有限公司，黑龙江哈尔滨 １５００８０；２．南昌轨道交通集团有限公司，江西南昌 ３３００００： ３．交通运输部公路科学研究院，北京１０００８８；４．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京１０００８１） 摘要：冻害是我国北方地区路基常见的病害之一，尤其对于高速铁路，微小冻胀变形将对列车运行的安 全性、稳定性带来影响。本文对路基防冻胀结构设计进行了初步探讨，首先论述了路基冻胀机理及影响 路基冻胀的主要因素，包括土质、温度、含水量等，在此基础上提出了路基防冻胀结构设计需要考虑冻结 指数、土性参数、设计冻深等因素；其次提出了路基防冻胀结构设计方法及设计流程，提出了高速铁路路 基冻深计算方法；最后根据该方法进行了路基防冻胀结构设计，并利用有限元仿真计算及现场实测对该 路基防冻胀结构设计的合理性进行了验证，实测数据及仿真计算结果验证了该防冻胀结构设计的合理 性及该设计方法的有效性。 关键词：冻土路基 冻胀变形 防冻胀结构设计 中图分类号：Ｕ２１３．１ ４文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３．１９９５．２０１３．０４．３０ 随着国民经济的快速发展，我国已经修建了大量 时，土体就会发生冻胀。 高速铁路或客运专线，初步形成了以哈大、京广、京沪、 土体的冻胀分为原位冻胀与分凝冻胀：孔隙水原 郑西为干线的高速铁路网。高速铁路对铁路路基变形 位冻结，引起体积增大９％，但由外界水分补给并在土 控制要求越来越严格，其中无砟轨道要求路基变形控 中迁移到某个位置冻结，则体积将增大１．０９倍。分凝 制在１５ ｍｍ以内。我国是一个冻土大国，全国冻结深 冻胀的机理包括两个物理过程：土中水分迁移和成冰 度＞０．５ ｍ的冻土区占全国总面积的６８．６％，其中季 作用。因为原位水分冻结引起的冻胀量十分微小，从 节性冻土占全国面积的４６．Ｏ％，尤其是我国的东北、 工程角度可以忽略，所以土体冻胀主要指水分迁移引 西北、华北地区，由于受当地气候、水文、地形地貌以及 起的分凝冻胀。 地质条件的影响，使得许多既有线路基变形十分严重。 总体来说，土体冻胀必须具备以下条件：具有冻胀 目前，我国已在东北地区修建了哈大客运专线，在不久 敏感性的土；初始水分及外界水分（地下水，大气降 的将来还将修建大量的高速铁路、客运专线及城际铁 水，人为活动引起的水源）的供给；适宜的冻结条件和 路，为了控制铁路路基的冻胀变形，有必要开展高速铁 时间。因此，提出以下参数作为防冻胀结构设计参数： 路路基防冻胀结构设计方法的研究，这对于我国寒区 ①冻结指数指冻结期间每天负温平均值的累计数；② 高速铁路建设、指导工程实际及保证工程质量具有十 土性参数包括压实系数、细粒含量、细粒填充率、比表 分重要的意义。 面积等；③设计冻深；④路基含水量。 １ 防冻胀结构设计参数选择 ２ 防冻胀结构设计及现场验证 路基是由散体状矿物颗粒、水和气体组成的三相 ２．１防冻胀设计 体系，除承受静力荷载和列车振动荷载外，还受自然界 ①收集气象资料和工程地质等资料；②填料选择； 各种恶劣气候环境影响，尤其在低温作用下，土体中水 ③设计冻深计算；④设计冻深如＜０．８ ｍ，则选择填筑 分会发生冻结，并发生体积膨胀，当土体中已冻和未冻 细粒含量＜５％的粗粒土，如冻深＞０．８ ｍ需进行特殊 水总体的增量超过了该土体原来无孔隙水的孔隙体积 设计。 防冻胀设计流程图如图１所示。 收稿日期：２０１２．１０．１５；修回日期：２０１３一Ｏ１—２０ ２．２填料选择 基金项目：中国铁道科学研究院基金项目（Ｊ２０１２Ｇ００１） 影响填料冻胀性的土性参数包括细粒含量、细粒 作者简介：祁辉（１９６９一），男，黑龙江绥化人，工程师。 填充率、渗透系数、比表面积等，其中细粒含量（粒径 ２０１３年第４期 祁辉等：高速铁路路基防冻胀结构设计方法的研究 有三种。 １）经验公式法：利用标准冻深乘以相应的修正系 数，我国的公路、水利和建工均采用这种方法。 ２）Ｂｅｒｇｇｒｅｎ法计算冻深：采用该方法的国家包括 德国和法国。 ３）改进的Ｂｅｒｇｇｒｅｎ法：此方法可用于多层结构路 基的设计 Ｘ：Ｃ 式中，Ｘ为冻结深度；Ｃ：Ａ．／１７２ ８００ｋ，Ａ为有关体积 图１ 寒区客运专线铁路路基防冻胀设计流程 ＜０．０７５ ｍｍ）是影响土体冻胀的主要因素，图２为填 料冻胀特性与细粒含量关系曲线。 １ ８ １ ６ １ ４ 静１ ２ 崔１ ０ 蜷０．８ ０ ６ ０ ４ Ｏ ２ ０ 图２细粒含量与冻胀关系 填料选择步骤如下：①颗分试验，确定填料内细颗 粒含量；②渗透试验，确定土的渗透系数；室内试验结 果表明，当渗透系数＞１×１０ 时，属于弱冻胀性土；③ 进行击实、比重试验，计算土体的细颗粒含量体积填充 率，根据体积填充率进一步验证填料的冻胀性；④根据 以上结果，选择合适填料；⑤根据选择填料性质及外界 环境，计算路基冻深；⑥对于细粒含量＞３％的填料进 行室内冻胀试验，根据试验结果计算路基冻胀变形，满 足要求，使用该填料，不满足要求，更换填料或采取防 排水措施或保温措施。 ２．３设计冻深计算 冻深一般是指标准冻深，即为在观测场无植被无 雪盖的裸露地面上测得的多年平均冻深值。但由于铁 路路基填料类型、结构等与地基有较大差异（一般来 说，路基结构冻深比标准冻深大），采用标准冻深推算 路基防冻胀设计深度是不合适的，需要计算出实际冻 深用于路基的设计。冻深的计算方法目前采用的主要 热容量的无因次系数，ｋ为热传导率，ｃａｌ／（ｃｍ・ｓ・℃）， ￡为潜热，ｃａｌ／ｃｍ。；Ｆ为地面的冻结指数，℃・ｄ。 该法求冻结深度中考虑了地基的热力特性、气象 条件以及地基条件的影响。式（１）还适用于多层土组 成的地基情况。这样，无论对由特性各异的土层构成 的地基，还是铺有隔热层的情况，均可求其冻结深度。 ２．４ 防冻胀结构设计方法的有限元计算 根据以上方法，设计了如下路基结构：路基面宽 １５ ｍ，坡率１：１．５，计算范围坡角向外延伸３ ｍ，基床表 层包括路肩沥青混凝土、其下为细粒含量＜５％的级配 碎石路基（表层为级配碎石，底层为细粒含量＜５％的 Ａ、Ｂ类土），并采用有线元数值模拟及现场测试方法 对结构进行了验证。 ２．４．１有限元数值模拟 建立土的温度场、水分场及位移变形耦合模型，计 算路基在温度变化情况下路基土体内部的温度场、水 分场及位移变化，如图３所示。分别计算了降温１０ ｄ， ５０ ｄ，１００ ｄ，１９０ ｄ后，路基体内温度场、水分场及变形 场的变化，图４～图６分别为路基温度场、水分场及变 形场变化云图。表１为路基冻结锋面及不同位置冻胀 量的变化。 图３路基模型网格划分 图５为路基中水分场变化情况，可以看出随着温 度场的变化，冻结锋面以下１．５ ｍ范围内的水分发生 少量的迁移。图６为路基中竖向位移场的变化情况， 可以看出路基的最大竖向位移主要发生在路肩的位 置，而路基中心位置的冻胀并不是最大的。从表１中 可以看出，仿真１９０ ｄ后，温度回升时，路肩上的冻胀