高速鐵路路基微凍脹填料凍脹發(fā)育機制研究

杜曉燕,葉陽升,張千里,2,蔡德鉤,2,鄒文浩

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室,北京 100081； 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081)

引言

針對凍土問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開了大量研究[1-5]，然而這些研究多集中于凍脹率較大的凍脹土，且多是從宏觀上的土質(zhì)、溫度、水分等方面[6-9]進行研究。隨著高鐵建設(shè)的快速推進，線路布設(shè)范圍擴大，微凍脹填料土應(yīng)用日益廣泛[10-15]，由于該類微凍脹性土中細顆粒含量低，內(nèi)部沒有連續(xù)的薄膜水及水分遷移通道，前人關(guān)于凍土的相關(guān)研究理論及模型不足以解釋其凍脹發(fā)育機制，同樣這類微凍脹填料的凍脹特性及規(guī)律研究也較少，因此有必要對其凍脹發(fā)育機制進行研究。

1 微凍脹填料組成與凍脹特點

根據(jù)微凍脹填料的組成成分的粒徑大小將其分為孔隙與水、細顆粒、粗骨料、細骨料，分別用V1、V2、V3、V4表示，如圖1所示，并將粗骨料與細骨料稱為粗顆粒，粗骨料稱為骨架顆粒。其中細骨料粒徑視為2～0.075 mm，細顆粒小于0.075 mm。

圖1 微凍脹填料組成

粗骨料與細骨料在低溫下凍脹較小，而且微凍脹填料中僅有細顆粒凍脹。細顆粒的滲透性影響著整個填料的凍脹性，如圖2所示，當(dāng)含量小于10%，滲透系數(shù)大于1×10-3，也就是隨著細粒含量的提高，滲透系數(shù)將變小。所以填料中細粒含量非常重要。

圖2 滲透系數(shù)與細粒含量關(guān)系曲線

由于細顆粒粒徑較小，在填料中常常附著于細骨料，將細顆粒完全分離出來較為困難，且細顆粒與細骨料混合后凍脹效果與細顆粒一樣，所以細顆粒與細骨料合稱為填充料。

如圖3所示，微凍脹填料持水能力本身不高，隨著時間的推移，其水分快速恢復(fù)到初始含水量，含水量如表1所示。從表1中可以看出，水分變化較小，也即水分未發(fā)生宏觀遷移。這是由于微凍脹填料結(jié)構(gòu)離散性較大，組成部分之間連通性較差的緣故，因此微凍脹填料凍脹具有瞬時性。

圖3 試樣含水率隨時間變化曲線

表1 填料凍脹前后含水量

如圖4所示，隨著溫度的降低，微凍脹填料并沒有緩慢凍脹，而是在達到某一值后即發(fā)生凍脹，因此微凍脹填料為“原位凍脹”。

圖4 溫度與凍脹變形關(guān)系

2 填充料凍脹發(fā)育機制

2.1 填充料凍脹受力分析

2.1.1 填充料凍脹完全約束時受力分析

試樣凍脹前的狀態(tài)如圖5(a)所示，紅色圓形代表粗顆粒，藍色圓形代表細顆粒，在外荷載的擠壓作用下，粗顆粒形成骨架，填充料分布于骨架孔隙中。在凍脹過程中，如圖5(b)所示，填充料凍脹逐漸填滿骨架空間，但由于外載荷較大，骨架間連接力較大，所以填充料無法突破骨架，式樣表現(xiàn)為無凍脹，如圖5(c)所示。

圖5 填充料被完全約束時凍脹機制示意

2.1.2 填充料凍脹完全無約束時受力分析

假設(shè)無外載荷作用，開始時狀態(tài)如圖6(a)所示，隨著填充料凍脹的不斷進行，填充料先填滿骨架孔隙，隨后將突破骨架連接，如圖6(b)所示，試樣表現(xiàn)為宏觀凍脹。

圖6 填充料完全無約束時凍脹機制示意

2.1.3 顆粒膨脹力與約束平衡時受力分析

凍脹前顆粒狀態(tài)如圖7(a)所示，當(dāng)填充料顆粒凍脹至與骨架顆粒接觸時，隨著凍脹的持續(xù)進行，填充料與骨架之間的作用力逐漸增大，如圖7(b)所示，當(dāng)填料凍脹力與外荷載作用下的骨架連接力相等時，處于平衡狀態(tài)，若凍脹力再增加則骨架約束被填充料沖破，填充料顆粒會頂起骨架顆粒。如圖7(c)所示。

圖7 填充料顆粒膨脹力與約束力平衡時凍脹機制

2.1.4 填充料凍脹受力分析

如圖8所示，外載荷P1=0，P5為無窮大，P1

圖8 混合料膨脹量與外部約束及溫度關(guān)系

2.2 水分微遷移影響機制

通常情況下，宏觀上認為凍脹土水分來源主要為地下水因毛細作用上升到土體內(nèi)[16-18]。其過程如圖9所示，形成冰透鏡體造成宏觀凍脹，如圖10所示，而對于微凍脹填料，由于細粒含量低，水分難以遷移。

圖9 水分轉(zhuǎn)移示意

圖10 宏觀凍脹示意

由于粗顆粒本身含水較少[19-22]，凍脹過程中水分沒有轉(zhuǎn)移，水分在原位直接凍結(jié)成冰，凍脹的部分為水的相變體積增量，粗顆粒凍脹示意如圖11所示。細顆粒凍脹與粗顆粒不同，細顆粒本身含水量較大，細顆粒聚集在一起，導(dǎo)致水分聚集在一起，其凍脹效果將遠大于粗顆粒，如圖12所示。

圖11 粗顆粒凍脹示意

圖12 細顆粒凍脹示意

2.3 填充料凍脹發(fā)育機制

微凍脹填料主要由粗顆粒組成，細顆粒含量較少。由于離散性較大，所以微凍脹填料內(nèi)部水分通道不連續(xù)，各個部分之間處于相對封閉狀態(tài)，因此微凍脹填料凍脹具有瞬時性，與凍結(jié)時間關(guān)系不大。

微凍脹填料含水率較低，粗顆粒相變體積增量較小，對整體凍脹影響不大，細顆粒凍脹時，水分從小孔隙向大孔隙中遷移，遷移過程中小孔隙依然存在，而大孔隙中凍脹體積較大，是形成微凍脹填料凍脹的主要原因。如圖13所示。

圖13 凍脹前后細顆粒表面水分轉(zhuǎn)移積聚示意

3 結(jié)論

(1)微凍脹填料主要由骨架顆粒與填充料組成，其中填充料包括細骨料與細顆粒，當(dāng)無外界約束作用或填充料膨脹力大于外界約束作用時，微凍脹填料將表現(xiàn)為宏觀凍脹。

(2)微凍脹填料內(nèi)部離散性較大，水分遷移通道不連續(xù)，由此造成凍結(jié)為“原位凍脹”，呈“瞬時性”。

(3)細顆粒凍脹是微凍脹填料凍脹的主要原因，細顆粒凍脹時水分轉(zhuǎn)移造成空間體積占位，加大了凍脹程度。