高速鐵路滲透性基床防凍脹結(jié)構(gòu)研究

閆宏業(yè)，趙國(guó)堂，蔡德鉤，王仲錦，張千里，姚建平

(1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2．中國(guó)鐵路總公司，北京100844)

高速鐵路滲透性基床防凍脹結(jié)構(gòu)研究

閆宏業(yè)1，趙國(guó)堂2，蔡德鉤1，王仲錦1，張千里1，姚建平1

(1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2．中國(guó)鐵路總公司，北京100844)

基于填料抗凍理念，以合理的填料持水率、凍脹性及壓實(shí)特性為綜合目標(biāo)，探討了適用于高速鐵路路基防凍脹的滲透性級(jí)配碎石的級(jí)配組成。通過(guò)不同級(jí)配條件下室內(nèi)飽水持水試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)和凍脹試驗(yàn)，研究了不同級(jí)配填料的持水能力、滲透性能和凍脹特性，明確了滲透性級(jí)配碎石的級(jí)配范圍。依托中國(guó)東北地區(qū)一高速鐵路開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)填料制備、壓實(shí)及試驗(yàn)段防凍脹效果監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究，完善了滲透性級(jí)配碎石的制備和壓實(shí)工藝。研究結(jié)果表明，滲透性級(jí)配碎石基床應(yīng)用于高寒地區(qū)高速鐵路路基防凍脹是可行的。

高速鐵路 防凍脹結(jié)構(gòu) 滲透性基床 填料

中國(guó)正在東北、西北等季節(jié)性凍土地區(qū)開(kāi)展大規(guī)模的高速鐵路建設(shè)。截至2015年3月，東北地區(qū)已建成并投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路有哈大、長(zhǎng)吉、盤(pán)營(yíng)等線，在建的有哈齊、沈丹、哈牡、京沈、吉圖琿、哈佳等線路。西北地區(qū)已建成并投入運(yùn)營(yíng)的有蘭新、鄭西、大西等線路，在建的有西寶、寶蘭等線路。東北和西北地區(qū)投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路超過(guò)4 000 km，在建的近3 000 km。此外，擬修建的北京到莫斯科的歐亞高速運(yùn)輸走廊，全長(zhǎng)超過(guò)7 000 km。這些高速鐵路穿越了凍土廣泛分布的高寒地區(qū)，面臨著凍土路基凍脹問(wèn)題，合理的防凍脹基床結(jié)構(gòu)是路基抗凍脹成功的關(guān)鍵［1-4］。

我國(guó)學(xué)者對(duì)高寒地區(qū)高速鐵路防凍脹結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究。葉陽(yáng)升等［5-6］研究了我國(guó)路基填料凍脹性分類標(biāo)準(zhǔn)及防凍層的設(shè)置問(wèn)題。劉華等［7］討論了適應(yīng)我國(guó)季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基填料的凍脹分類技術(shù)指標(biāo)。從目前的實(shí)踐來(lái)看，高速鐵路防凍脹基床結(jié)構(gòu)有三種:①表面封閉層+基床表層級(jí)配碎石+兩布一膜+凍深范圍非凍脹土，如哈大線;②表面封閉層+基床表層摻水泥級(jí)配碎石+凍深范圍非凍脹土，如盤(pán)營(yíng)客專和哈齊客專;③地下水較高地段采用混凝土基床結(jié)構(gòu)+表層封閉措施，如哈齊客專部分地段和京沈客專。這些基床結(jié)構(gòu)適應(yīng)了不同環(huán)境條件，基本滿足了高速鐵路路基防凍脹要求。但由于建設(shè)期間所采用填料的凍脹敏感性歸類依據(jù)較早時(shí)期的規(guī)范，不完全適用于嚴(yán)格的高速鐵路變形控制要求。當(dāng)一些地段表層封閉措施部分失效時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一定程度的凍脹。對(duì)于基床表層級(jí)配碎石摻水泥的長(zhǎng)期凍融特性目前學(xué)界尚未形成共識(shí)，而對(duì)于混凝土基床結(jié)構(gòu)，從經(jīng)濟(jì)性上也存在爭(zhēng)議。

本文旨在提出一種基于滲透性級(jí)配碎石的高速鐵路路基防凍脹結(jié)構(gòu)，可作為上述防凍脹基床結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充。在高速鐵路途徑的一些區(qū)域，如果沿線級(jí)配碎石供給條件充足，可就地取材進(jìn)行填筑。同時(shí)由于采用了滲透性級(jí)配碎石填料，可降低對(duì)表面封閉層的要求，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)最優(yōu)。

本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)碾壓和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，對(duì)滲透性級(jí)配碎石的級(jí)配特性、滲透特性、凍脹特性、壓實(shí)性能和試驗(yàn)段凍脹情況進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對(duì)滲透性級(jí)配碎石的適用性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 滲透性級(jí)配碎石基床

滲透性級(jí)配碎石是一種具有良好級(jí)配、高滲透性、低凍脹性、滿足壓實(shí)要求的填料，是基于“填料抗凍”理念，以滿足高速鐵路路基凍脹控制要求為目標(biāo)而提出的。滲透性級(jí)配碎石基床就是以滲透性級(jí)配碎石為填料的基床。由于該種填料具有高滲透性，水分進(jìn)入基床之后，短期內(nèi)得以排出，其自然持水率不足以產(chǎn)生影響線路平順性的凍脹。

路基凍脹是由于填料中的水分而產(chǎn)生，若想減小凍脹，關(guān)鍵途徑之一就是減小填料的水分含量。在不利條件下，路基直面大氣降水時(shí)，填料本身的滲透性能、持水性能及路基的排水能力從根本上決定了填料中的水分含量。而前二者與填料的級(jí)配、壓實(shí)特性尤其是細(xì)粒含量密切相關(guān)。細(xì)粒土與水的結(jié)合能力較強(qiáng)，是填料中持水的主要組分。此外，細(xì)粒含量對(duì)填料的滲透性能也有重要影響，細(xì)粒含量越小，滲透系數(shù)越大。因此，滲透性級(jí)配碎石主要特點(diǎn)就是細(xì)粒含量較低。對(duì)于工程應(yīng)用而言，減小細(xì)粒含量會(huì)降低填料的可壓實(shí)性。所以，滲透性級(jí)配碎石填料的基本理念就是，在填料的滲透性能和壓實(shí)性能之間尋找一個(gè)合適的平衡點(diǎn)，即填料在具備必要的滲透性能和持水能力的同時(shí)，也須滿足工程壓實(shí)性能要求，其設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖1。

圖1 滲透性級(jí)配碎石設(shè)計(jì)流程

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要涉及篩分試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、持水試驗(yàn)和凍脹試驗(yàn)，前三者按現(xiàn)行規(guī)范《鐵路土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB 10102—2010)執(zhí)行。為了保證試驗(yàn)連貫性，將擊實(shí)試驗(yàn)、持水試驗(yàn)和凍脹試驗(yàn)的試筒設(shè)計(jì)成相同的形式，試筒內(nèi)徑15 cm，筒高18 cm，筒內(nèi)試樣高度15 cm。

對(duì)持水試驗(yàn)的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，先稱量擊實(shí)后的試筒和試樣總質(zhì)量，然后將其在滿水的水桶中浸泡24 h，使試樣充分飽和后迅速提起試筒并及時(shí)稱總質(zhì)量，連續(xù)2 h質(zhì)量變化不超過(guò)0.1 g視為穩(wěn)定。通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)記錄的土樣質(zhì)量、試筒質(zhì)量及試樣含水量換算出不同時(shí)刻試樣的含水率。

凍脹試驗(yàn)的試筒采用分環(huán)形式，主要是為了消除凍土區(qū)段與試筒側(cè)向摩擦力對(duì)其下部土體凍脹的抑制作用，保證土體的豎向自由凍脹。凍脹試驗(yàn)時(shí)采用頂部施加冷域的方法，在1℃環(huán)境下將試樣放置24 h，使其內(nèi)部全部達(dá)到1℃，然后以1℃/h的降溫速率降溫，直至試樣全部?jī)鐾?。凍結(jié)過(guò)程中，測(cè)試試樣不同深度處溫度的變化和土體的凍脹。

主要對(duì)不同級(jí)配填料開(kāi)展上述試驗(yàn)，基準(zhǔn)級(jí)配為目前高速鐵路基床表層碎石采用的級(jí)配，之后不斷減小礫以下填料的比例。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)級(jí)配與滲透系數(shù)的關(guān)系分析

在不同級(jí)配條件下制樣，待試樣飽水后，自由滲透24 h，然后進(jìn)行凍脹試驗(yàn)，分析最不利條件下填料的凍脹性能。級(jí)配對(duì)凍脹率和滲透系數(shù)的影響如圖2所示，可知隨著礫以下顆粒的不斷去除，試樣的凍脹率不斷降低。去除0.75 mm以下粒徑后，粗骨料的凍脹率均＜0.65%。

圖2 級(jí)配對(duì)凍脹率和滲透系數(shù)的影響

滲透系數(shù)與凍脹率的關(guān)系如圖3所示，可知隨著滲透系數(shù)的增大，凍脹率迅速減小，其關(guān)系式為y= 0.003 8x-0.57。滲透系數(shù)為2×10-4m/s時(shí)，凍脹率約為0.5%。

圖3 滲透系數(shù)與凍脹率的關(guān)系曲線

2)初步確定級(jí)配

以凍脹率為最終評(píng)定依據(jù)，以某一安全凍脹率為界限劃定級(jí)配，確定滲透性級(jí)配碎石填料的級(jí)配范圍。以凍深3 m為界限，凍脹率0.5%作為界限凍脹率，按保守計(jì)算，其凍脹變形為15 mm，因此界限凍脹率取為0.5%。按表1所劃定級(jí)配范圍的填料凍脹試驗(yàn)表明，劃定范圍內(nèi)的填料均滿足凍脹率＜0.5%要求。自然持水和滲透試驗(yàn)表明，填料的滲透系數(shù)均不小于1× 10-4m/s，自然持水率基本上在3%～5%。該范圍內(nèi)級(jí)配碎石不均勻系數(shù)＞10，曲率系數(shù)介于1～3，為良好級(jí)配。

表1 滲透性級(jí)配碎石粒徑級(jí)配

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)配確定

根據(jù)表1的級(jí)配進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碎石級(jí)配的配制。由于現(xiàn)場(chǎng)缺乏細(xì)粒含量較低的細(xì)集料，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，決定采用四站砂場(chǎng)的中粗砂。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拌合站的設(shè)備條件確定了滲透性級(jí)配碎石的級(jí)配曲線，見(jiàn)表2和圖4。雖然最大顆粒直徑有較小比例超過(guò)級(jí)配范圍，但對(duì)凍脹來(lái)說(shuō)是有利的，其壓實(shí)效果需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)獲得。由于工期較為緊張，試驗(yàn)時(shí)間有限，集料中的細(xì)粒含量無(wú)法全部消除，最終混合料的細(xì)粒含量為2.7%。

表2 滲透性級(jí)配碎石各集料級(jí)配及比例%

圖4 現(xiàn)場(chǎng)填料級(jí)配及其合理范圍曲線

3.2 現(xiàn)場(chǎng)填料制備

滲透性級(jí)配碎石的制備必須采用廠拌的方式(圖5)。由料廠生產(chǎn)前述幾種集料，在制備過(guò)程中需要增加風(fēng)洗或水洗的環(huán)節(jié)，確保細(xì)粒含量被控制在合理范圍內(nèi)。采用自動(dòng)拌合站對(duì)各集料的配合比和含水率進(jìn)行精確控制，保證填料級(jí)配達(dá)到設(shè)計(jì)要求。3.3現(xiàn)場(chǎng)填料壓實(shí)

圖5 滲透性級(jí)配碎石制備流程

圖6 壓實(shí)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

針對(duì)選定的級(jí)配填料，在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了壓實(shí)試驗(yàn)。采用23T振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行了分層振動(dòng)壓實(shí)，見(jiàn)圖6。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，確定現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)工藝為1遍靜壓+ 1遍弱振+4～6遍強(qiáng)振+1遍弱振+1遍靜壓?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果顯示98%測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變形模量Evd＞40 MPa，平均值為50 MPa，滿足要求。干密度基本上在2.20～2.35 g/cm3，壓實(shí)度滿足95%要求。該種填料細(xì)粒含量較小，且采用了圓礫狀中粗砂(圖7)，由于壓路機(jī)的反復(fù)碾壓及施工機(jī)械行走導(dǎo)致路基表層存在5～10 cm的松動(dòng)層，按常規(guī)檢測(cè)方法地基系數(shù)K30偏低，平均在125 MPa/m，不滿足高速鐵路對(duì)于基床底層的壓實(shí)要求。因此必須去除該松動(dòng)層的影響，可采取兩種方法:①先手動(dòng)清除松動(dòng)層，再進(jìn)行K30指標(biāo)檢測(cè);②先增加預(yù)壓荷載將松動(dòng)層壓實(shí)至實(shí)際路基填筑完成后的狀態(tài)，再進(jìn)行K30指標(biāo)檢測(cè)。

采用第一種方法時(shí)由于填料中大粒徑顆粒較多，在挖除松動(dòng)層后依然有較大的突出點(diǎn)，試驗(yàn)時(shí)造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，砂層鋪設(shè)較薄不能有效解決該問(wèn)題，鋪設(shè)太厚則造成試驗(yàn)結(jié)果偏低。第二種試驗(yàn)方法，按23 t荷載計(jì)算，振動(dòng)輪與填料接觸面寬取0.15 m，振動(dòng)輪寬2 m，強(qiáng)振時(shí)接觸力約為767 kPa。當(dāng)碾壓其上一層時(shí)，按45°擴(kuò)散角計(jì)算，本層松動(dòng)層受到傳遞過(guò)來(lái)的壓力為153 kPa，見(jiàn)圖8。因此，檢測(cè)過(guò)程中可施加150 kPa的預(yù)壓荷載，使表面填料達(dá)到壓實(shí)狀態(tài)。按照此方法進(jìn)行檢測(cè)，K30均在150 MPa/m以上，滿足高速鐵路對(duì)基床底層的壓實(shí)要求。

圖7 中粗砂團(tuán)聚在大顆粒表面

圖8 擾動(dòng)層得到再次碾壓

4 試驗(yàn)段凍脹監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

試驗(yàn)段于2014年9月填筑完畢。隨后在現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)了位移和溫度傳感器，采用無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)段的凍脹和凍深進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。圖9為凍深和凍脹的變化曲線?？芍囼?yàn)段最大凍深為2.69 m，凍脹為1.2 mm，凍深范圍內(nèi)平均凍脹率為0.04%，滿足路基凍脹的控制要求。

圖9 凍脹變形與凍深變化曲線

5 結(jié)論

本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)和冬季凍脹觀測(cè)，對(duì)滲透性級(jí)配碎石級(jí)配特性、滲透特性、壓實(shí)性能、凍脹特性和試驗(yàn)段的凍脹效果進(jìn)行了系統(tǒng)研究，主要得到以下結(jié)論:

1)滲透性級(jí)配碎石填料的基本理念是在填料的滲透性能和壓實(shí)性能之間尋找一個(gè)合適的平衡點(diǎn)，體現(xiàn)在降低細(xì)粒含量和調(diào)整級(jí)配方面。

2)在滲透性級(jí)配碎石生產(chǎn)制備過(guò)程中須嚴(yán)格控制細(xì)顆粒含量，應(yīng)設(shè)置水洗或風(fēng)洗環(huán)節(jié)。滲透性級(jí)配碎石須用自動(dòng)化拌合站制備，精確控制各集料拌合比例。

3)滲透性填料應(yīng)采用富于棱角及表面紋理豐富的軋制碎石，避免采用圓礫狀集料，以提高顆粒之間的“咬合力”和碾壓性能。

4)夏季施工時(shí)，滲透性級(jí)配碎石表層水分易流失，易受施工機(jī)械行走影響形成擾動(dòng)層。應(yīng)做好灑水工作，并盡量連續(xù)施工，確保碾壓質(zhì)量。碾壓后，控制大型施工機(jī)械的行走路線及速度，避免壓實(shí)層受到擾動(dòng)。

5)滲透性級(jí)配碎石應(yīng)用于高寒地區(qū)高速鐵路路基防凍脹是可行的，但應(yīng)繼續(xù)開(kāi)展更寬范圍的級(jí)配調(diào)制試驗(yàn)，提出更易于工程實(shí)施的級(jí)配范圍。

［1］哈大鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司.哈大高鐵運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)技術(shù)及凍脹整治技術(shù)研究［R］.沈陽(yáng):哈大鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司，2014.

［2］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.高寒地區(qū)高速鐵路路基凍脹綜合防治技術(shù)試驗(yàn)［R］.北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2014.

［3］喬連軍.哈大客運(yùn)專線路基凍脹線路養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)［J］.鐵道建筑，2014(1):72-74.

［4］馬榮田，仇鵬，歐志強(qiáng).季節(jié)性凍土區(qū)鐵路客運(yùn)專線路塹路基凍害成因分析及對(duì)策研究［J］.鐵道建筑，2014(6):101-105.

［5］葉陽(yáng)升，王仲錦，程愛(ài)君，等.路基的填料凍脹分類及防凍層設(shè)置［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2007，28(1):1-7.

［6］葉陽(yáng)升，王志堅(jiān)，王仲錦，等.青藏鐵路清水河段細(xì)粒土用作路基填料問(wèn)題的探討［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2002，23(6):86-89.

［7］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(shè)置研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30 (12):2549-2557.

Research on anti-frost heaving structure of permeable subgrade bed on high speed railway

YAN Hongye1，ZHAO Guotang2，CAI Degou1，WANG Zhongjin1，ZHANG Qianli1，YAO Jianping1
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.China Railway Corporation，Beijing 100844，China)

Based on the concept of anti-freeze filling material，by setting up a series of comprehensive targets which include the reasonable water retention rate，the frost heave characteristic and the compaction characteristic of filling material，a type of permeable graded gravel has been proposed，which was suitable for the high-speed railway subgrade.T hrough a series of in-door water retention tests，the permeability tests and frost heave tests under different graded conditions.T he water retention characteristic，the permeability characteristic and the frost heave characteristic of different graded filling materials can be determined，in order to define the gradation range of permeable graded gravel.Relied on the frost-heave monitoring record of high speed railway in Northeast China，a series of experimental study have been carried out，which include the on-site filler production，the compaction test and the anti-frost effect test，in order to improve the production and compaction techniques of permeable graded gravel.T he research results show that using permeable graded gravel subgrade as the anti-frost structure for the high speed railway subgrade in the cold area is feasible.

High speed railway;Anti-frost heaving structure;Permeable subgrade bed;Filling material

U213.1+4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．05．25

1003-1995(2015)05-0098-05

(責(zé)任審編李付軍)

2015-01-10;

2015-03-20

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(Z2012-062);中國(guó)鐵路總公司科研試驗(yàn)任務(wù)(Z2013-038);鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心科研項(xiàng)目(J2014G003);中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2013G009-G，2014G003-A);中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目(2013YJ032)

閆宏業(yè)(1981—)，男，河北定州人，助理研究員，碩士。