高速鐵路路基粗顆粒填料凍脹特性改良試驗研究

金　蘭，熊治文，程　佳，蔡漢成，史向陽

( 1．中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅蘭州　730000; 2．青海省凍土與環(huán)境工程重點實驗室，青海格爾木　816000; 3．蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州　730070)

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高速鐵路路基粗顆粒填料凍脹特性改良試驗研究

金蘭1，2，熊治文1，2，程佳1，2，蔡漢成1，2，史向陽3

( 1．中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅蘭州730000; 2．青海省凍土與環(huán)境工程重點實驗室，青海格爾木816000; 3．蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070)

摘要:針對寒區(qū)高速鐵路出現的路基凍脹變形影響行車的問題，以含有一定量粉土的級配碎石和A組填料為改良對象，向其中摻入水泥，通過擊實、界限含水率、滲透和凍脹試驗，研究不同粉土和水泥摻量的粗顆粒填料的凍脹規(guī)律。結果表明，水泥的摻入可將粗顆粒填料的凍脹率控制在一定范圍內。在增加粉土摻量的情況下，分別以凍脹率0. 1%和0. 2%為標準，確定了級配碎石和A組填料的水泥最佳摻量，可將路基凍脹變形控制在3. 55 mm以內，小于規(guī)范要求的路基變形限值。

關鍵詞:高速鐵路路基凍脹粗顆粒填料凍脹特性改良

哈大高速鐵路在凍結影響范圍內選用凍脹率≤1%的非凍脹粗顆粒填料，季節(jié)凍土區(qū)最大凍結深度超過2 m，產生的凍脹量會在20 mm以上，不符合《高速鐵路設計規(guī)范》( TB 10020—2009)［1］中路基變形量不得大于15 mm的要求。研究［2-3］表明:哈大高速鐵路局部地段的路基凍脹較為嚴重，冬季以降速運行應對凍脹變形。目前在基床表層應用的級配碎石中的細顆粒土含量控制在5%以內，而從路基的各種結構縫滲入的水分使填料的含水率增大，繼續(xù)降低細顆粒土的含量并不能減小凍脹變形，而且影響填料的壓實度。因此考慮向粗顆粒填料中加入無機材料，在增加細顆粒土摻量的同時，減弱填料的凍脹性。

經過無機材料改良的填料已經應用在一般地區(qū)的高速鐵路路基中，針對改良填料物理力學特性的試驗研究較多，而對改良填料凍脹特性的研究較少。譚麗華［4］通過加入水泥使土體的透水性降低，同時有效控制了水分的遷移，降低了析冰作用，從而控制了凍脹的發(fā)生。劉華等［5］對高速鐵路填料按凍脹敏感性進行分類，認為哈大高鐵路基防凍層宜采用細顆粒土含量＜5%的A，B組填料，并向A，B組填料中加入4%水泥，通過數值計算得出改良后填料具有良好的保溫效果和升溫速率。張傳［6］基于季節(jié)凍土區(qū)的路基凍脹問題，使用石灰和鹽對填料進行改良，研究改良土的抗剪強度、抗壓強度、凍融循環(huán)下的強度損失。韓春鵬等［7］以低液限黏土為原料，通過試驗研究發(fā)現石灰可以抑制黏土的凍脹。這些研究主要針對細顆粒土的凍脹特性進行改良。

寒區(qū)高速鐵路主要為路基基床凍脹，級配碎石和A組填料分別填筑在基床表層和底層，因此本試驗以級配碎石和A組填料為改良目標，向其中摻入水泥，通過擊實、界限含水率、滲透和凍脹試驗，研究不同摻量粉土和水泥的粗顆粒填料凍脹規(guī)律。

1　改良試驗

1. 1試驗原料

級配碎石由開山塊石、砂礫石等組成，本試驗所用級配碎石的粒徑級配符合《高速鐵路設計規(guī)范》的要求，見表1。

表1級配碎石的粒徑級配

本試驗所用A組填料的不均勻系數Cu為9. 92，曲率系數Cc為1. 01，為礫砂土，級配良好( Cu≥5，1＜Cc＜3)。本試驗所用細顆粒土經界限含水率試驗測定，液限為24. 9%，塑限為15. 1%，塑性指數為9. 8，定名為低液限粉土。

1. 2試驗方案

由于級配碎石和A組填料的顆粒粒徑不同，在相同溫度、水分條件下，其凍脹特性也有區(qū)別，因此采用不同的試驗方案。

1. 2. 1級配碎石

向級配碎石中分別摻入15%，20%粉土，在此基礎上，向每組試樣中摻入3%，5%，7%水泥，進行滲透和凍脹試驗。為利于敘述，將級配碎石和A組填料的試樣進行編號，見表2。

表2試樣參數

1. 2. 2 A組填料

向粉土摻量為12%的A組填料中分別摻入5%，7%，9%，10%水泥，通過凍脹試驗，確定水泥的最佳摻量，然后再增加粉土摻量，研究摻入水泥后不同粉土摻量A組填料的凍脹性。

1. 3主要試驗

本文中試驗按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》( TB 10102—2010)［8］進行。

1. 3. 1擊實試驗

擊實試驗可以測定試樣的最大干密度和最優(yōu)含水率。根據本試驗所用材料的粒徑范圍和規(guī)范要求，采用重型擊實。

1. 3. 2滲透試驗

由于土體顆粒之間存在孔隙，水在重力作用下由高處向低處透過土體的孔隙流動，土體可被水透過的性質稱為土的滲透性。衡量土體滲透性能的指標稱為滲透系數。根據所測土樣的滲透性，滲透試驗分為常水頭法和變水頭法。由于未摻入水泥的粗顆粒填料的滲透系數較大，所以采用常水頭滲透試驗。水泥改良后的填料滲透系數減小，常水頭試驗無法測出，改用變水頭試驗測定。

1. 3. 3凍脹試驗

土體的凍脹是當土體凍結時，土體孔隙中原有的部分水分結冰體積膨脹以及部分未凍水向凍結鋒面遷移、聚集并凍結，使土體的體積產生不同程度增大的現象。衡量土體凍脹變形的特征值是凍脹量，當土體單向凍結側向不發(fā)生變形時，以土體凍后高度與凍前高度之差作為凍脹量。在實際應用中，由于不同地區(qū)的土質、氣候條件不同，土體的凍結深度不同，凍脹量相差很大。用凍脹量很難比較不同地區(qū)土體凍脹性的大小，因此常采用土體凍脹量與凍結深度的比值作為土體凍脹變形的特征值，即凍脹率η。

式中:Δh為土體凍脹量，mm; Hf為土體凍結深度，mm。本試驗采用的凍脹裝置見圖1。

圖1安裝就緒的凍脹試樣

2粗顆粒填料的試驗結果與分析

根據擊實試驗結果，填料在改良前后的最優(yōu)含水率變化不大，在6%～7%之間。因此統一規(guī)定各組凍脹試樣含水率為7%，在壓實度0. 95、開放補水的條件下進行凍脹試驗。滲透試驗的試樣含水率為7%、壓實度為0. 85。

2. 1滲透試驗

滲透試驗結果見表3。從表中可以看出:未摻入水泥的級配碎石的滲透系數較大，相當于細砂(滲透系數1×10－3～6×10－3cm/s)［9］級別;摻入水泥后改良填料的滲透系數減小了2～3個數量級，相當于粉質黏土(滲透系數6×10－6～1×10－4cm/s)［9］。此外，隨著水泥摻量的增加，滲透系數呈現下降的趨勢，說明水泥對減小粗顆粒填料滲透性作用顯著。

表3級配碎石滲透試驗結果

級配碎石填筑在基床表層，路基表面的水分從路基結構縫、纖維混凝土裂縫、電纜槽接縫處滲入級配碎石內，而下方鋪設的兩布一膜隔水層使水分不能繼續(xù)下滲，使級配碎石內有積水的可能。隨著氣溫的降低，填料開始凍結，積聚的水分會使局部地段路基產生過大的凍脹變形。經過改良后的級配碎石的滲透性降低，使從路基表面滲入的水分減少，這樣就從水分來源角度減弱了基床表層的凍脹。

2. 2凍脹試驗

2. 2. 1級配碎石

級配碎石在開放補水條件下的凍脹試驗結果見表4。

表4級配碎石的凍脹率

由表4可見:水泥對減小級配碎石凍脹率的作用明顯，并且隨著水泥摻量的增加，凍脹率進一步減小，當凍脹率降到0. 1%以下時，不必要繼續(xù)增加水泥的摻量。因為當水泥摻量過大時，改良后的土體收縮性增大，容易產生較多的收縮裂縫，而且增加經濟成本。

以改良后填料凍脹率小于0. 1%為控制標準，15%粉土的級配碎石水泥最佳摻量為3%，20%粉土的級配碎石水泥最佳摻量為5%。這樣基床表層的凍脹量可控制在1 mm以內，很大程度上減少高速鐵路路基來自基床表層的凍脹。

2. 2. 2 A組填料

A組填料在開放補水條件下的凍脹試驗結果見表5。

表5 A組填料的凍脹率

由表5可見:粉土摻量為12%時A組填料凍脹率是1. 61%，而摻有15%粉土的級配碎石在相同條件下凍脹率為0. 49%，說明土的凍脹特性與土的顆粒組成有密切關系，即土的凍脹具有隨顆粒粒徑減小而增大的特點。粉土摻量一定時A組填料凍脹率隨水泥摻量的增加而減小。在水泥摻量從5%增大到7%的過程中，凍脹率減小幅度最大;當超過7%后，減小趨勢逐漸趨于平緩。所以當凍脹率可以控制在一定范圍內時，再增加水泥的摻量是不合適的。對于粉土摻量為12%的A組填料，水泥最佳摻量為9%，再考慮試驗過程中的誤差，可將凍脹率控制在0. 2%以內。

為研究一定水泥摻量時不同粉土摻量A組填料的凍脹性，在水泥摻量為9%時，將粉土摻量增加至15%和17%，測定其凍脹率變化情況。結果參見表5。可見，摻入15%粉土時A組填料凍脹率為0. 25%，摻入17%粉土時A組填料凍脹率為0. 49%，即隨粉土摻量增加凍脹率在增大。粉土摻量在17%以內時，9%水泥可將A組填料凍脹率控制在0. 5%以內，這時總凍脹量不超過8. 05 mm。如果將A組填料的凍脹率減小至0. 2%，則需進一步增加水泥的摻量。

丁靖康等人的研究［10］表明:當顆粒粒徑＞0. 1 mm時，水分向背離凍結鋒面的方向遷移，引起凍脹的水分主要是土中孔隙水，凍脹率一般＜0. 2% ;當粒徑為0. 1～0. 02 mm時，水分向凍結鋒面遷移，形成薄層冰，凍脹率一般為0. 5%～2. 0% ;當顆粒粒徑為0. 02～0. 002 mm時，水分向凍結鋒面遷移作用強烈，可形成厚層冰或冰透鏡體，凍脹率一般＞3%，如果有水分補給，凍脹率可超過10% ;粒徑＜0. 002 mm后，因為黏土顆粒的表面能大，能強烈吸附土中水分，成為黏土顆粒表面的強結合水和弱結合水，這時水分遷移困難，凍脹性減弱。對比級配碎石和A組填料的顆粒篩分試驗結果可以得到: A組填料中粒徑＜0. 1 mm的土顆粒含量為26. 7%，而級配碎石為15%，級配碎石的顆粒粒徑較大，因此A組填料在凍結時水分向凍結鋒面的遷移作用比較強，產生的凍脹量較大。

3　結論

1)經過水泥改良的級配碎石的滲透性大幅度降低，并且隨著水泥摻量的增加，滲透系數呈減小趨勢。由于級配碎石層在冬季凍結后進入的水分無法排出，會產生一定量的凍脹變形，而改良后級配碎石滲透性較低，這樣從路基表面滲入的水分減少，控制了產生凍脹變形的水分來源。

2)在開放補水的凍結條件下，水泥有效地減弱了級配碎石和A組填料的凍脹性，并且隨著水泥摻量的增加，這種凍脹率減小趨勢逐漸趨于平緩，分別以凍脹率0. 1%和0. 2%為控制標準，確定了級配碎石和A組填料的最佳水泥摻量。

3)在粉土摻量相當的條件下，級配碎石的凍脹率小于A組填料，而且若將凍脹率控制在同一范圍內，A組填料需摻入更多的水泥，說明A組填料的凍脹性較強，即土的凍脹具有隨顆粒粒徑減小而增大的特點。

參考文獻

［1］中華人民共和國鐵道部．TB 10020—2009高速鐵路設計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2009．

［2］中鐵第一勘察設計院集團有限公司．哈大高鐵線路凍脹情況分析及防治措施研究報告［R］．西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2013．

［3］哈大客運專線有限責任公司．哈大高速鐵路路基凍脹情況研究報告［R］．哈爾濱:哈大客運專線有限責任公司，2012．

［4］譚麗華．水泥改良土凍脹融沉特性研究［D］．上海:同濟大學，2008．

［5］劉華，牛富俊，牛永紅，等．季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基填料及防凍層設置研究［J］．巖石力學與工程學報，2011，30 ( 12) : 2549-2557．

［6］張傳．季凍區(qū)路基填料凍脹與防治的試驗研究［D］．阜新:遼寧工程技術大學，2012．

［7］韓春鵬，何東坡，賈艷敏，等．石灰改良路基土的凍脹特性［J］．長安大學學報(自然科學版)，2013，33( 3) : 27-31．

［8］中華人民共和國鐵道部．TB 10102—2010鐵路工程土工試驗規(guī)程［S］．北京:中國鐵道出版社，2011．

［9］陳希哲．土力學地基基礎［M］. 4版．北京:清華大學出版社，2004．

［10］丁靖康，韓龍武，徐兵魁，等．多年凍土與鐵路工程［M］．北京:中國鐵道出版社，2011．

(責任審編葛全紅)

Experimental study on frost heave performance improvement of coarse grain filling in high speed railway subgrade

JIN Lan1，2，XIONG Zhiwen1，2，CHENG Jia1，2，CAI Hancheng1，2，SHI Xiangyang3

( 1．Northwest Research Institute Co．，Ltd．，China Railway Engineering Corporation，Lanzhou Gansu 730000，China; 2．Qinghai Province Key Laboratory of Permafrost and Environmental Engineering，Golmud Qinghai 816000，China; 3．School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China)

Abstract:Given that the high speed railway subgrade in extremely cold areas is plagued by frost heave-induced deformation，the paper takes graded crash stones with silty soil and group-A fillings as the experiment subjects and adds cement within．By performing compaction，test of moisture content limit，permeability and frost heave test，the paper identifies the frost heave patterns for different coarse grain with different soil and cement mix．T he results show that cement helps maintain the frost heave ratio within certain range．As silty soil is added，the paper works out the most preferable cement mix for both specimens with frost heave ratio of 0. 1% and 0. 2% as standard value．By doing so，the deformation occurred falls below 3. 55 mm，lower than the deformation limit value．

Key words:High Speed railway; Frost heave of subgrade; Coarse grain filling; Frost heave performance; Improvement

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0102-04

作者簡介:金蘭( 1989—)，女，碩士。

基金項目:中鐵西北科學研究院創(chuàng)新項目( K2014009)

收稿日期:2015-05-10;修回日期: 2015-09-28

中圖分類號:U416．03

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．25