高速列车与路基冻胀相互作用机理_盛岱超

Effects of train loads on frost heave of embankments
SHENG Dai-chao, ZHANG Sheng, LI Xi
(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 41007, China)
Abstract: Substantial frost heave is observed in coarse fills in high-speed railway embankment. These coarse fills have very low water content and are located above the groundwater. In an attempt to explain the unexpected frost heave, it is proposed that the cyclic train loads cause the development of the excess pore water pressure in the underlying subgrade soils and hence ‘pump’ up the water to the frost front, which in turn feeds the formation of ice and results in continuous frost heave. A simple quantitative model is developed to simulate the pumping-enhanced frost heave. The numerical results show that the proposed mechanism can indeed provide a legitimate explanation for the otherwise unexpected frost heave. The engineering implications of this new frost heave mechanism are also discussed, in the context of designing frost heave mitigation measures in seasonally frozen regions. Key words: frost heave; cyclic loading; excess pore water pressure; high-speed train
象，提出了一个简洁的“循环动载诱发冻胀”模型，认为高速列车循环荷载会导致地下水位以下饱和地基土中超静孔 隙水压力的发展，进而将地下水“泵送”至冻结线以上，从而为土中独立冰层的形成，及冻胀的发生持续地提供“原 材料”。模拟结果表明，本模型能够很好的揭示上述特殊工程现象发生的原因；同时，新模型对循环荷载诱发冻胀机 理的阐述，也为季节性冻土区高速铁路路基冻胀防治研究提供了一种新的思路。 关键词：冻胀；循环荷载；超静孔隙水压力；高速铁路 中图分类号：TU475.2 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2013)12–2186–06 作者简介：盛岱超(1965– )，男，湖南益阳人，博士，博士生导师，主要从事非饱和土力学、计算岩土力学、岩土材 料的本构模拟与试验和岩土环境工程等方面的研究与教学工作。E-mail: daichao.sheng@gmail.com。
2 1 循环动荷载诱发冻胀的机理
哈大铁路沿线属中温带亚湿润季风气候区，夏季 湿润多雨极端高温达 36℃～39℃， 冬季干燥寒冷极端 低温达-40℃， 为典型的季节性冻土区； 地下水主要为 第四系松散堆积层孔隙潜水；地表覆盖层为黏土、粉 土及砂土层，黄土台地多为黏质黄土[6]。图 1 是哈大 高速铁路典型路基横断面[7]。冬季，最大冻结线位于 冻胀非敏感性的 A、B 组填料内，地下水也位于填料 下方，通常难以发生冻胀。而现有理论无法解释含水 率低的粗颗粒土为何会产生如此大的冻胀。
很多研究者提出了循环动荷载下土体中超静孔压 力的经验估算方法，如 Seed 等[12]认为: [2 / π arcsin( N / N1 ) / 2 ] ， u 0 (1) 式中，u 为循环动荷载引起的超静孔压， N 为动荷载 峰值， N1 为土完全失去承载力所需的循环加载次数， 为动荷载大小、频率及土特性的函数， '0 为初始有效 应力， 为土的参数。式（1）主要针对地震荷载，与 列车动荷载频率及振幅等区别很大，N1 取值也很难确 定。因此，难以用该式直接计算列车荷载引发的超静 孔压力。 另外，可以利用土的弹塑性模型分析土在不排水 条件下超静孔压的发展。如：Dafalias 提出的边界面 模型[13]、Kolymbas 提出的超塑性模型[14]、Pastor 等提 出的广义塑性模型[15]等。结合固结理论，基于此类模 型的数值方法，可用于动荷载下的沉降及超静孔压等 边界值问题的分析，如 Biot 多孔动弹性理论[16]。这些 方法虽然能用于计算超静孔压，但普遍复杂。 Skempton 提出了由于压力增加导致孔隙水压变 化的简单计算公式[17]： (2) u B[ 3 A( 1 3 )] ，
最大超静孔压为 38.9 kPa，而轴重为 140 kN 时，最大 超静孔压力也有 24.2 kPa，且最大超静孔压力一般位 于铁轨下方 2.5～3 m 的范围。Alobaidi 等[10]发现高速 公路路基与地基接触面处的超静孔压正比于循环荷 载。 Kettil 等[11]发现当列车等效荷载为 20～35 kPa 时， 最大超静孔压为 18 kPa。由此可见，列车循环荷载会 引起路基中超静孔压的发展， 进而将地下水持续地 “泵 送”至冻结线以上，使处于非冻胀敏感性粗粒层中的 冰透镜体不断增长而产生冻胀。
式中，Δu 为孔隙水压增量或超静孔压力，与最大主应 力增量 1 及最小主应力 3 增量相关，A，B 为土的 参数，对于饱和土，取 B 1 。Wong 等[9]认为列车荷
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载引起的最小主应力增量可以忽略，建议取 A=1/3， B=1 来估算列车动荷载诱发的超静孔压力。Li 等[18] 的数值分析表明列车荷载作用下的最大超静孔压为最 大主应力的 40%～60%。Wong 等[9]和 Li 等[18]所求的 均为列车轨道下 2.5～5 m 处的超静孔压，与本文图 1 Wong 等[9]和 Li 等[18] 所示深度相同。 结合 Skempton[17]、 的研究成果，可确定列车循环荷载引起的路基中超静 孔压大小。需要说明的是，式（1）计算的是循环动荷 载加载结束时的残留超静孔压力，而式（2）计算的则 是由于应力增量引起的瞬时超静孔压力。在高速铁路 路基中，残留超静孔压与瞬时超静孔压都对冻胀有影 响，其重要性取决于列车运行频率。
循环动荷载诱发超静孔隙水压力
土是典型的弹塑性材料，循环荷载使得土在排水 条件下产生体积应变，在不排水条件下孔隙水压力上 升（图 2） 。随着循环次数的增加，不排水条件下土中 孔隙水压力会逐渐上升到某一定值。
图 2 土体动力响应 Fig. 2 Soil response to recyclic loads
图 1 高铁路基横断面及“泵送”冻胀图 Fig. 1 Schematic view of a high-speed railway embankment and mechanism of pumping-enhanced frost heave
为解释该现象，笔者认为：高速列车的循环动载 会导致路基下部地下水位以下的饱和土产生超静孔隙 水压力。在冻结期，由于冻结锋面以上土层渗透性下 降，超静孔隙水压力难以很快消散，促使孔隙水流向 冻结锋面并使冰透镜体不断发育，从而导致地下水位 以上的粗颗粒土发生冻胀。由此可以看出，路基中冻 胀分布与超静孔隙水压力分布的趋势相似，即最大冻 胀往往会发生在路基中轴线附近。 哈大线路基的粗颗粒填料约 2.9 m 厚， 上覆 0.6 m 厚的下层道砟，冻结深度基本都位于粗颗粒土内，一 般为 1.5 m[7-8]。因此，需要 14 kPa 的超静孔压才能将 孔隙水挤压到冻结锋面处。而列车循环荷载完全可能 使路基超静孔压达到 14 kPa。Wong 等[9]监测到，当轴 重 350 kN 的列车以 40～60 km/h 速度运行时， 路基中
─────── 基金项目：国家自然科学基金项目（51208519） ；国家重点基础研究发 展计划（973 计划）课题（2013CB036201） 收稿日期：2013–04–15
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盛岱超，等. 高速列车与路基冻胀相互作用机理
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土中的水和细颗粒土向上迁移至道砟层[4-5]。 翻浆冒泥 的发生与饱和土动力特性密切相关。 冻胀和翻浆冒泥都是铁道工程中常见病害，但是 两者内在的共通点从未被关联。本文将两者发生机理 结合起来：首先，阐述列车循环动荷载诱发路基冻胀 的机理；其次，结合列车循环动载诱发路基中超静孔 隙水压力的经验模型，建立起超静孔隙水压力力作用 下，冻土中热–质耦合迁移的冻胀模型，并通过分析 来验证所建立模型的合理性；最后，基于该冻胀模型 所揭示的冻胀机理，探讨防止路基冻胀的工程措施。
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哈大铁路客运专线是中国，也是全世界在高寒地 区投入运营的第一条客运专线。 而在季节性冻土地区， 冻胀等冻害对工程的影响普遍存在，尤其是高速铁路 这种对路基变形控制要求极高的重大工程项目，其潜 在的危害更需要审慎研究。对于冻胀敏感的湿润细颗 粒土，其冻结过程是热传递–物质迁移的耦合过程， 即水迁移使冰透镜体不断增长的结果。而粗颗粒土通 常被认为是冻胀非敏感性土[1]；只有当冻结锋面到达 地下水位， 地下水成为冰透镜体形成和发展的水源时， 粗粒土才会发生冻结，并在冻结锋面后形成较厚的冰 层[2]。针对哈大高速铁路可能出现的冻胀问题，结合 现场前期试验，从选择非冻胀敏感性土、防水、防寒 3 个方面入手，工程技术人员已采取了一系列防治措 施。 然而， 由沈阳至哈尔滨 400 多公里范围内 12 处路
第 35 卷 2013 年
第 12 期 12 月
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Chinese Journal of Geotechnical Engineering
Vol.35 No.12 Dec. 2013
高速列车与路基冻胀相互作用机理
盛岱超，张 升，李 希
（中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075）
摘
要：针对高速铁路路基中低含水率、远离地下水的级配碎石等冻胀不敏感性粗颗粒土，却普遍发生冻胀的特殊现
为 0；而通过前面的分析，列车循环动荷载会使该处 产生超静孔压。因此，本文对之进行了调整。其中， 未冻土层中水流速度为 k u ( xgw ) u ( xf ) vu u ku ， (3) xf xgw w g 式中，ku 为地下水位处与冻结缘之间未冻土层的渗透 g 为重力加速度， xgw 为地下水平面的位置， u(xgw) 系数， 为地下水平面的超静孔压力， u(xf) 为冻结缘 xf 处的超 静孔压力。其中，列车循环动荷载引起的地下水平面 处超静孔压力，可由式（2）求得。此外，该超静孔压 ， 使得原本位于地下水位 会抬升地下水位 （图 1 所示） 以上的土层的饱和度增加，从而改变该处土层的渗透 性。由饱和土渗透系数的计算方法[22]，可以估算该部 分接近饱和的未冻土层的渗透系数：
基监测点的监测资料发现，在 2012—2013 年负温期， 路基普遍存在约 5 mm 冻胀， 个别区段出现了近 20 mm 冻胀变形，已远超出相关规范。而且大部分冻胀都发 生在非冻胀敏感性的 A、B 组填料和级配碎石中。实 际上，类似现象在秦沈客运专线中也时有发生[3]。这 种与传统对冻胀机理认识相悖的科学现象，难以用现 有理论合理解释。同时，换填或挖除冻胀敏感性土、 通过隔（降）水等措施将冻结线控制在粗颗粒土等冻 胀不敏感性土内等现有防冻措施，在高速铁路路基防 冻胀中的有效性，也需要深入的探讨。 另一方面， 铁道工程中也经常发生翻浆冒泥病害， 即在列车循环动荷载作用下，路基下层及地基内饱和