擊實功對粗顆粒填料凍脹特性影響的試驗研究

劉鳳云，邵珠山，張碩成，劉 華

(西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安710055)

路(地)基的凍害問題嚴重制約著寒區(qū)線路工程的安全穩(wěn)定運營，每年交通和建設部門必須花費大量的人力、物力和財力來消除或減輕該問題的影響.吳青柏等[1]和劉永智等[2]指出，路基主要的凍害問題是由凍脹、融沉病害及其引發(fā)的次生病害，在季節(jié)性凍土區(qū)主要是凍脹，而在多年凍土區(qū)主要是融沉.在我國，2016年7月多部門聯(lián)合發(fā)布的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)絡規(guī)劃計劃中，大部分線路不同程度的穿越了季節(jié)性凍土地區(qū)，因此高速鐵路路基在負溫環(huán)境下的熱穩(wěn)定性問題極其重要.在現(xiàn)行的高速鐵路設計與建設中，由于路基變形控制要求極為嚴格(<15 mm)[3]，相關技術規(guī)范、路基填料凍脹敏感性分類及相應的工程應對措施都難以普遍滿足路基凍脹控制的要求[4-5]，李安原等[6]和劉泉聲等[7]分別就粗粒土和裂隙巖體凍融損傷進行了總結和深入的探討.路基填料的凍脹特性體現(xiàn)了路基宏觀變形的發(fā)展和變化規(guī)律，因此對路基填料的凍脹特性研究有著至關重要的意義.

粗顆粒土因其優(yōu)良的工程特性，在公路和鐵路工程建設中被廣泛用做路基填料，因此國內(nèi)外學者對粗顆粒土的凍脹特性進行了大量有針對性的研究.王天亮等[8]基于葡式擊實下的凍脹試驗，發(fā)現(xiàn)當細粒組分含量為9%時細圓礫土試樣的壓實效果最好，并得出當細粒含量含量低于10%時，細圓礫土屬于弱凍脹填料.Konrad等[9-10]分析了粗粒土凍脹的主要影響因素，并通過室內(nèi)試驗研究發(fā)現(xiàn)，當細顆粒土的含量小于7%時，凍脹量較小，但是隨著補水量的增加，粗顆粒土的凍脹量隨之增加，并將1%的凍脹率作為粗顆粒土凍脹敏感性的標準.Bilodeau[11]等研究了級配對3種不同粗骨料凍脹敏感性的影響，得出細粒含量對分凝勢有較大的影響的結論.王青志等[12]對不同工況下級配碎石的凍脹特性進行了室內(nèi)封閉系統(tǒng)的凍脹正交試驗，得出了最有利于凍脹發(fā)展的組合，且提出為了滿足高速鐵路變形量的要求，建議控制級配碎石含水率小于5%.聶志紅等[13-14]發(fā)現(xiàn)含水率為影響級配碎石凍脹的主導因素，提出在控制級配碎石的含水率小于4%的要求下，其凍脹量滿足要求，并建議在實際分析中，應綜合考慮含水率、孔隙率和細粒含量這三種因素對其凍脹性的影響.

上述研究重點關注了含水量和細粒含量兩個指標對粗顆粒土凍脹性能的影響，但路基的壓實度是控制路基施工質(zhì)量的重要標準之一.在考慮擊實功作用下，耦合結果對基床底層上部填料的影響仍不確定.Konrad[9]，程展林等[15]試驗發(fā)現(xiàn)土顆粒間的位置排列和粒間作用對粗粒土的力學性能有著重要的影響.在高速鐵路路基施工中，路基工程應保障列車高速行駛的安全性和舒適性，即保證路基的穩(wěn)定性，因此在工程施工過程中需確保路基的壓實效果，規(guī)范中以最大干密度來確定壓實度.針對粗顆粒土的最大干密度的工程意義，眾多學者進行了大量研究.史彥文[16]通過小粒徑土石混合料推斷出大粒徑土石混合料的最大干密度；郭慶國等[17]根據(jù)最大干密度與粗顆粒含量、最大粒徑之間的相似性，提出了其最大干密度確定方法；蔡銘等[18]等利用相似級配法對粗顆粒土的最大干密度進行研究，并建議了最大干密度的檢測方法；左永振等[19]在前人的基礎上發(fā)展了縮尺方法計算最大干密度.由此可見，在粗顆粒土中，確定最優(yōu)擊實功以尋求最大干密度是保證路基穩(wěn)定性非常重要的參數(shù).因此眾多學者在研究高速鐵路路基粗顆粒土填料的凍脹特性時，首先從尋求路基填料的最大干密度著手.因而在凍土地區(qū)的路基工程中，需要探討最大干密度是否是保證路基穩(wěn)定的最佳選擇.本文為查明各種組合中粗顆粒土的凍脹特性，得到其凍脹變形隨各影響因素的分布關系，對不同擊實功條件，不同細粒含量和不同含水率的試樣進行了對比性的凍脹試驗.

1 試驗材料及方案設計

依據(jù)相關技術規(guī)范[20]和施工要求，寒區(qū)高鐵無碴軌道路基基床底層選用粗顆粒填料進行填筑，該類填料屬于優(yōu)質(zhì)填料(A/B組填料).但出于路基熱穩(wěn)定性的要求，其凍脹量仍要求控制在一定的范圍內(nèi).考慮到擊實功，細粒含量和含水率三個因素對凍脹量有較大影響，在前人研究細粒含量和含水率對凍脹量影響的基礎上，本文考慮了擊實功這一影響因素，結合路基具體工況采用封閉不補水條件下的凍融試驗方法，對不同擊實功，不同細粒含量和不同含水率的試樣進行凍脹試驗，以期得到不同組合中粗顆粒土的凍脹特征，并得到其凍脹變形隨各影響因素的分布關系.

1.1 土樣物理力學參數(shù)

土樣取自大西高鐵(大同-西安)路基基床底層上部的填筑料，依據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T50123-1999)[21]測定的土樣物理特征如表1所示.取土后進行碾壓烘干，其篩分粒徑范圍≤0.075 mm，0.075～0.25 mm，0.25～0.5 mm，0.5～1 mm，1～2 mm，2～5 mm，5～10 mm，10～20 mm.并依據(jù)試驗方案的七組不同細粒含量重新配置土樣.土樣的顆粒級配與高速鐵路設計規(guī)范中規(guī)定的級配上下限值(MIN,MAX)[3]和天然土樣的級配曲線見圖1.

1.2 土樣擊實試驗設計

試驗中采用JDS-1型數(shù)控電動擊實儀進行重型擊實，如圖2(a)所示.依據(jù)表2中設置的擊實條件分別按照0、80%、100%和120%標準擊實功進行分組，每組試樣設置3個平行試樣，最終結果取算術平均值，且三個試樣的極差不超過平均值的30%.試樣準備完畢后，放入凍融箱，如圖2(b)，安裝溫度探頭和位移傳感器，靜置6 h后開始進行試驗.凍融試驗溫度控制分兩個步驟：試樣的凍結過程，凍結溫度為-20 ℃，凍結時間為12 h；融化溫度為20 ℃，融化時間為12 h；若12 h后試樣內(nèi)部溫度未達到恒定，且凍脹變形持續(xù)增加，需繼續(xù)進行試驗直至凍脹變形穩(wěn)定后方可終止試驗.在整個試驗過程中實時采集試樣內(nèi)部溫度和頂端位移變化量.圖3為大同某試驗場地近十年的典型大氣溫度曲線，由于該場地環(huán)境溫度的年波動區(qū)間在-20～20 ℃之間，考慮到試驗溫度和多年地表溫度波動的一致性，因此試驗設定環(huán)境溫度變化為-20～20 ℃，倉室溫度波動區(qū)間見圖4.

表1 試驗土樣基本物理指標

圖1 土樣顆粒級配曲線Fig.1 Grain size curve of coarse grained soil

圖2 試驗儀器Fig.2 Laboratory instrument

擊實名稱擊實功/KJ·m-3擊實次數(shù)不擊實(J0)00欠擊實(J1)2 170.83層×76擊標準擊實(J2)2 684.93層×94擊超擊實(J3)3 313.33層×113擊

2 試驗結果分析

2.1 土樣的典型凍(脹)融(沉)過程

結合本次試驗試樣采取的是不補水的快速凍結和快速融化，由圖5可見凍脹變形和融沉變形在多次凍融循環(huán)后基本保持穩(wěn)定，這一曲線同參考文獻[22]的實測數(shù)據(jù)對比分析可得，其趨勢較為一致.本試驗選取凍結后的最大凍脹量為計算凍脹率的依據(jù).

圖3 大同某試驗場大氣溫度演變曲線Fig.3 The typical temperature curve in Datong site

圖4 環(huán)境倉溫度典型演變曲線Fig.4 The temperature in the controlling box

圖5 凍融循環(huán)條件下典型試樣的凍脹(融沉)曲線Fig.5 The frost heave and thaw settlement curve under the freezing-thawing cycles

2.2 擊實功對凍脹率的影響

對比分析圖6中四種不同擊實功影響下的各組試樣凍脹率分布圖：圖6(a)為不擊實土樣，由圖可見，凍脹率分布曲線較為平順，在細粒含量為8%左右有階越現(xiàn)象出現(xiàn)，當細粒含量小于10%情況下，凍脹率隨著含水率的增加而增加；但細粒含量超過10%之后，隨著細粒含量的增加，凍脹率變化平緩，在此擊實功下，其凍脹率小于1%的面積[15]占到了一半以上，即在此試驗條件下，凍脹率小于1%的變量組合達到一半以上.圖6(b)為欠擊實土樣，依然是在細粒含量為8%左右時，曲線密集，凍脹率變化非常明顯，當細粒含量超 過20%后，所有變量組合的凍脹率都在1%以下.圖6(c)為標準擊實土樣，在細粒含量小于15%時，大部分區(qū)域的凍脹率都大于1%，但從總體看來，其凍脹率小于1%的組合不足一半，且左上方區(qū)域出現(xiàn)了凍脹率大于2%.圖6(d)為超擊實土樣，在細粒含量為8%左右時，其凍脹率出現(xiàn)突變，其凍脹率小于1%的區(qū)域與圖6(b)接近，大于圖6(c)但小于圖6(a).由此可知，標準擊實時凍脹率最大，欠擊實和超擊實次之，最優(yōu)的是不擊實工況.細粒含量在5%～10%之間，有凍脹率大于1%的區(qū)域出現(xiàn)，考慮為此細粒含量區(qū)間級配較均勻，有利于土樣的密實，土樣密實會導致孔隙率的減小，容易形成較小孔隙，造成毛細管的形成，在毛細作用下，水分會在孔隙中遷移，在表面張力作用下，水分遷移的范圍較大，進而出現(xiàn)了較嚴重的凍脹現(xiàn)象.

圖6 擊實功對凍脹率的影響Fig.6 The relationship between compaction energy and frost heave ratio

2.3 含水率對凍脹率的影響

圖7所示為含水率對凍脹率影響的分布曲線，四個不同擊實功下的凍脹率分布圖趨勢基本一致，表明含水率對凍脹率的影響受擊實功這一因素的干擾很小.但隨著細粒含量的增加，凍脹率出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，即存在一個凍脹率的局部極大值；當凍脹率增大時細粒含量在7%～9%之間，且細粒含量為9%時的細圓礫土試樣的壓實效果最好[8]，這一區(qū)間內(nèi)粗顆粒土中的毛細管作用很強，導致了凍脹率的增大.隨后，凍脹率隨著細粒含量的增大而減小，粗顆粒的較大孔隙比和較小表面化學能使得水分較難吸附在粗顆粒表面，大部分的水分被細顆粒吸附形成結合水，因此在細粒含量增加時，土體中的水分更多的以結合水的形式存在.在凍脹的過程中，只有較少的水分參與凍脹，因此凍脹率出現(xiàn)了遞減的現(xiàn)象，文獻[23]對這一現(xiàn)象，也進行了相關描述.現(xiàn)提出一個參數(shù)K(為細顆粒組分中單位面積吸附的水分質(zhì)量)來解釋這一現(xiàn)象，見式(1).

(1)

式中：mw為粗顆粒試樣中細顆粒組分的水分質(zhì)量；nf為細顆粒數(shù)目；ρsf為細顆粒顆粒密度(文中取1.85 g/cm3)；msf為細粒組分的質(zhì)量；D為等效粒徑(=0.075 mm).式(1)當土樣中含水量不變，增加細粒含量，即細顆粒數(shù)量增加時，細顆粒的總表面積增加，增大了吸附水分的面積(圖8縱坐標表示了1 cm2的細顆粒表面吸收的自由水質(zhì)量)，即增大了自由水變?yōu)榻Y合水的比率，則自由水變少.在凍脹過程中，凍脹量相應變小.

圖7 含水率對凍脹率的影響Fig.7 The relationship between water content and frost heave ratio

結合試驗方案設計，由圖8可見，K值隨著細粒組分含量的增加而減小，在較低的含水率狀態(tài)下，細粒含量的增加直接導致了土樣中自由水含量的減小，因此在封閉不補水條件下凍脹率隨著細粒含量的增大呈現(xiàn)減小趨勢.由表3所示，公式擬合度較高.

表3 不同含水率下單位面積吸附水質(zhì)量擬合表

注：x為細粒組分含量去掉百分號后的數(shù)值

圖8 K值隨細粒含量演變圖Fig.8 The relationship between K and fine content

2.4 細粒含量對凍脹率的影響

細粒含量對凍脹率的作用受擊實功的影響，如圖9b可知，相同細粒含量，不同擊實功條件下，細粒含量對凍脹率的影響呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即相同細粒含量下，標準擊實時凍脹率最大，其次是欠擊實，超擊實，最小的是不擊實.但是在圖9a和圖9b中，整體上凍脹率是隨著細粒含量的增大而減小，擊實功對其干擾不大，但仍可看出，代表標準擊實的曲線大部分是在其他曲線上方，其中在圖9a，9c中大部分在其他曲線上方，即標準擊實大多數(shù)工況下比其他擊實功工況下的凍脹率大.綜合可知，擊實功條件改變了細粒含量對凍脹率的影響，細粒含量一定時，標準擊實條件下的凍脹率最大.

圖9 細粒含量對凍脹率的影響Fig.9 The relationship between fine content and frost heave ratio

3 討論

細粒含量相對增多，導致填充至大孔隙中的細粒含量也越多，大孔隙逐漸轉(zhuǎn)變成為中小孔隙，毛細通道數(shù)增多使得毛細作用更為顯著，有利于水分在溫度梯度下的遷移.但細粒含量較小時，細顆粒總表面積較小，吸附水分的能力相對較弱；隨著細粒含量增大，同時增大了細顆?？偙砻娣e，吸附水分的能力逐漸增強，同時增強了毛細管作用，一定程度上有利于水分的遷移，但總的可遷移水分含量減小，減弱了凍脹.可見在不補水條件下，本實驗可以推斷，在粗顆粒土中，細粒組分吸附水含量對凍脹的影響要大于由于擊實而形成的毛細管作用增強的影響.而若采用補水凍結方式，毛細作用與細粒含量的影響則可能會出現(xiàn)正向疊加的現(xiàn)象.

考慮擊實功影響時，試驗中不擊實情況下的凍脹率是最小的，這是由于顆粒的最松堆積形成較多的大孔隙所導致.當考慮到附加機械作用下的最密堆積工況，隨著擊實功的增加，最大干密度也隨之增加，且增加幅度越來越少.這種情況一方面使得中小孔隙數(shù)目增多，另一方面又增大了毛細通道路徑的長度，則在含水率一定的封閉狀態(tài)下，細粒含量的增加使得可自由遷移的水分減少，從而可以考慮適當放寬細粒含量的上限.因此在寒區(qū)修筑路基時，考慮到凍脹率的限制，粗顆粒土的擊實功與細粒含量對凍脹率貢獻的影響是反向的，但增加幅度仍有待確定.

4 結論

通過在室內(nèi)設計四種擊實功條件配合7種細粒含量、3種含水率的粗顆粒土填料土樣，對其進行不補水凍結試驗，得出如下的結論：

(1)含水率對凍脹率影響受擊實功干擾較?。患毩：繉雒浡实挠绊懯軗魧嵐l件的干擾較大；

(2)只考慮擊實功條件，標準擊實條件下的凍脹率最大，其次是欠擊實，超擊實，不擊實條件下凍脹率最小；

(3)細粒含量為8%左右，凍脹率普遍較大，此種工況下，其密度接近最優(yōu)干密度；

(4)提出細粒單位面積上的吸附水質(zhì)量系數(shù)K，得到了K值隨著細粒含量的增加而呈現(xiàn)減小趨勢，探索性解釋了隨著細粒含量增大凍脹率減小的試驗現(xiàn)象.