[发明专利]现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的方法及装置

说明书

技术领域

    本发明属于季节冻土区筑路技术领域，具体涉及一种现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的方法及装置。

背景技术

表层冬季冻结，夏季全部融化的土（岩）称为季节性冻土。我国季节性冻土主要分布于长江以北各省区，其面积约占国土面积的 53%，并且气候的温室效应使得寒区季节冻土面积正在逐年增大。在世界范围内约有 35%的公路、铁路线路位于季节冻土地区，我国位于季节冻土区的交通线路约占道路总量的30%。

寒冷地区的公路经验表明，在季节冻土区，冻胀对公路路面寿命有着严重的影响，除了直接引起的路面变形外，另一重要因素在于其对土体强度的弱化而导致道路无法通行。冻胀为冻结过程中，土体中水分（包括土体孔隙原有水分及外界水分向冻结锋面迁移来的水分）冻结成冰，且以冰晶、冰层、冰透镜等冰侵入体的形式存在于土体的孔隙中，引起土颗粒间的相对位移，使土体体积产生不同程度的扩张变形现象。冻胀严重影响着铁路轨道的平顺，以青藏铁路西宁至格尔木段为例，根据 2000 年的统计，冻起高度大于 50mm 的严重冻害有百余处；在东北地区，沈阳铁路局原通辽分局管内的铁路在 1984～2000 年期间的季节性冻土病害共有 803 处，累计长度 77.6km。春季季节性冻土融化，土体强度降低，在列车动应力作用下，基床翻浆冒泥，路基下沉。冻胀每年影响时间达 2 个月之久。可以说，由于冻胀以及由此而产生的其它病害，造成的线路养护维修工作量十分繁重，并对安全行车带来了严重危害。

基于冻胀对工程的严重危害，我国冻胀研究始于上个世纪 50 年代末，土体冻胀历来是季节性冻土研究中的重点，研究土体冻胀的一个重要手段是现场观测季节性冻土层的冻胀量，一般是采用光学仪器观测。图1为东北地区长余高速公路路基冻胀变形观测图，设置高程观测基点，在半幅路面上布置36个冻胀钉，冻胀钉间距6m，用水准仪定期观测冻胀钉的高程。通过各冻胀钉高程的变化量反映各点的冻胀量。图2为东北地区松原至肇源一级公路丰华镇连接线路基冻胀变形观测图，在BK0+563、BK0+640、BK0+720处路基表面各布设80个冻胀钉，冻胀钉共8排，排距为1m，沿路基横断面方向的行距1米，共10个。用水准仪定期观测钉的高程。通过各冻胀钉高程的变化量观测各点的冻胀量。

采用光学仪器观测季节冻土层的冻胀量存在以下不足：

1、通过光学仪器观测的冻胀量为总冻胀量，不能观测冻结深度内各分层土的冻胀量，无法分析各分层土的冻胀占总冻胀的比例；

2、对高速铁路，冻结层内采用了不冻胀、弱冻胀土填筑，有时冻胀量微乎其微，量值为毫米级，光学仪器的观测精度已很难满足的要求，无法为分析土体冻胀提供准确的数据；

3、采用光学仪器观测冻胀量，需要专门的仪器和专业的观测技术人员观测，对仪器和观测人员的专业素质要求高，观测效率低，而且观测不能自动化。

哈尔滨至大连高速铁路是我国在东北严寒地区设计、建造的第一条无砟轨道高速铁路，季节性冻土层厚度由南向北为 1.48～2.05m，每年从 10 月底开始冻结，次年 5～6 月全部融化。季节性冻土普遍发育，是哈大客运专线有别于其它地区客运专线的突出特点。严寒地区的无砟轨道高速铁路路基工程，对冻胀极其敏感，为满足高速铁路轨道高平顺的特点，需严格控制路基的冻胀变形。中国铁道科学研究院研究报告《寒区铁路路基防冻胀结构及设计参数研究》提出：无砟轨道、等级为200～250km/h、300～350km/h的高速铁路路基冻胀变形应不大于5mm。为研究路基冻胀变形对无砟轨道高速铁路的影响，保证列车的运营安全，维修养护因冻胀变形导致的不平顺轨道，需进行大量、精确、高效的路基冻胀变形观测工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的方法及装置，克服采用光学仪器观测季节冻土层冻胀量的技术不足。

本发明所采用的技术方案是：

现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的装置，其特征在于：

所述装置埋置于季节性冻土层中，包括圆形片状的下锚盘和上锚盘，下锚盘和上锚盘的中心处连接有直立的测杆位移计，测杆位移计通过传输电缆与上锚盘以上填土外设置的读数仪相连接。

下锚盘和上锚盘之间的测杆位移计外套置有塑料管，测杆位移计与塑料管之间填充有低温润滑脂。

塑料管自上而下分成若干节，各节塑料管上下端部均设置有连接丝扣，各节塑料管衔接处通过环套塑料环进行固定连接。

塑料管外包裹有防水土工膜包裹层。