哈大鐵路客運專線路基填料凍脹性試驗研究

石剛強，王 珣

(1.蘭州大學 土木工程與力學學院，蘭州 730000;2.中交股份哈大客專工程指揮部，長春 130000)

無論是季節(jié)性凍土還是多年凍土，表層都存在著一層冬凍夏融的凍結—融化層，作為路基的凍融層，在凍融過程中會引起土體性質的變化，發(fā)生路基變形、裂縫、翻漿冒泥等現(xiàn)象，嚴重影響著鐵路行車安全和運輸效率，如何防護和治理凍土路基是目前地處嚴寒地區(qū)鐵路工程所面臨和亟待解決的問題[1]。同時，隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，客運專線列車的高速、安全、平穩(wěn)運行對路基的變形提出了更嚴格的要求，進一步增加了路基施工的難度。

哈大鐵路客運專線是我國在嚴寒地區(qū)[2]設計、建造的第一條客運專線，沿線冬季寒冷漫長，最冷月平均氣溫在－13.5℃ ～－17.5℃，極端最低氣溫達－36.5℃，沿線最大積雪厚度30 cm，最大季節(jié)凍土深度可達2 m以上，每年從10月底開始凍結，次年5～6月全部融化。全線鋪設的無砟軌道對路基工后沉降的要求非常嚴格，允許的工后沉降不大于15 mm，差異沉降不大于5 mm[3]。消除凍脹危害是路基設計、施工重點考慮的問題，填料是影響路基凍脹的最主要因素，為了控制路基變形和凍脹性，路基施工需合理選擇填料，設置防凍層、隔斷層、防排水和防凍脹護道等處理措施。因此，為了更好地了解路基凍脹的影響因素，在室內進行了大量的路基填料的凍脹性試驗研究，找出各個可能因素對路基凍脹的影響規(guī)律，合理選擇路基填料，指導現(xiàn)場施工。

1 季節(jié)性凍土區(qū)路基填料要求

對于路基填料，鐵路規(guī)范有明確的規(guī)定，哈大客運專線路基不僅要滿足客運專線的路基填料要求，還要符合季節(jié)性凍土區(qū)填料抗凍性的要求，因此對于路基填料的選擇將更為嚴格，哈大客專公司對路基填料提出了具體要求[4]:

1)基床表層級配碎石。級配碎石粒徑、級配及材料性能在符合《客運專線基床表層級配碎石暫行技術條件》要求的基礎上，同時應限定細顆粒含量，滿足顆粒粒徑d≤0.075 mm含量不大于5%，壓實后顆粒粒徑d≤0.075 mm含量不大于7%(重量比)，避免凍脹發(fā)生。

2)路基填料選擇。防凍層選用0.075 mm細粒含量＜15%，平均凍脹率 η≤1且級配良好的非凍脹性A、B組填料?；驳讓硬捎肁、B組填料，粒徑宜控制在6 cm以內;基床以下路基優(yōu)先選用 A、B組填料[5-6]。

2 路基A、B組填料基本性能指標

2.1 A、B組填料顆粒組成

試驗的A、B填料取自吉林九臺鑫源料場，為一套巖石碎屑混合物，將其過31.5 mm篩作為進行凍融試驗和凍脹性試驗的基本材料。顆粒分析結果見表1，定名為角礫[7-8]。

為了檢驗填料的性質，對A、B填料的細粒液塑限進行了試驗，塑性指數(shù) Ip為13～14，符合10＜Ip≤17，屬于粉質黏土。

2.2 摻配用細粒土基本物理指標

為研究細粒土質和含量對粗粒土有關性能的影響，從陶賴昭松花江二級階地前緣采集了粉質黏土和粉土兩種細粒土料。采自現(xiàn)場的土料經風干、搗碎(或粉碎)、調制和過0.5 mm篩等工序后，進行基本物理指標試驗，見圖1。

表1 基本料顆粒組成

圖1 顆粒大小分布曲線

2.3 摻配的試驗土料重型擊實試驗

將細粒土按一定比例摻入基本土料中，最終形成供凍融試驗和凍脹率試驗用的試驗土料，進行重型擊實試驗。試驗結果見表2。由于粗碎屑土的特性以及細粒土摻量比較少，決定了最大干密度ρdmax和最佳含水率wop僅在很窄的范圍內波動。

表2 試驗土料重型擊實試驗結果

3 路基A、B組填料凍脹性試驗

主要在恒溫箱內進行凍脹率試驗，環(huán)境溫度變幅＜±0.1℃，采用φ150 mm土樣筒進行試驗，整個土樣處于半無限體表面冷源作用下單向凍結條件。

3.1 試驗準備

1)制備試樣。試樣尺寸為φ150 mm×120 mm，為保證試樣端面光平，以便于位移測量，同時也是為了減少側摩阻力，采用壓樣法制備樣品，然后將壓樣筒中樣品倒入試樣筒。

2)試驗要求。按有關規(guī)范進行凍脹率試驗，采用上冷閉式凍脹試驗(無外水分補給)研究5種試驗材料(見表2)的凍脹性。冷閉式凍脹試驗的優(yōu)點在于試樣的含水率、干密度、飽和度和壓實度都是事先確定的，不隨試驗過程和時間而變，因而易于建立凍脹率與這些指標間的關系，并進行分析比較和數(shù)理統(tǒng)計。試驗過程中，當位移讀數(shù)出現(xiàn)峰值或穩(wěn)定值以后，再繼續(xù)觀測幾小時即可結束試驗。

3)數(shù)據(jù)整理。根據(jù)試驗記錄數(shù)據(jù)，繪制凍脹量—時間關系曲線，然后取最大凍脹量，按下式計算凍脹率

式中 η——凍脹率，%;

ΔH——試驗期間最大凍脹量，mm;

H0——試樣凍結深度，取120 mm。

3.2 各組填料凍脹性試驗結果分析

3.2.1 含水率對填料凍脹性的影響

根據(jù)表2配制的試樣，進行凍脹率試驗，將摻配土質相同的試樣η—w數(shù)據(jù)曲線分別繪于一張圖上，結果如圖2所示。可以看出，當含水率增加到一定值時(大約是在最優(yōu)含水率以后)，凍脹率均有加速增大的趨勢，凍脹率最大值可達η=3～4。說明即使是粗顆粒土，當其含水率達到一定值時，亦會產生相當可觀的凍脹量。

圖2 含水率、細粒土含量大小對凍脹的影響

3.2.2 細粒土含量對填料凍脹性的影響

由圖2可看出，無論圖2(a)和圖2(b)，隨細粒含量增加，曲線沿橫軸(w)向右偏移，說明材料的起始凍脹含水率在增加。試樣起始凍脹含水率見表3，表中同時給出了η=1(臨界含水率)和η=3.5(凍脹界限含水率)時相對應的界限含水率值。

表3 不同凍脹等級的界限含水率 %

3.2.3 摻配土質對填料凍脹性的影響

將摻配量相同、土質不同的η—w數(shù)據(jù)曲線分別繪于一張圖上，結果如圖3所示?？煽闯鰮搅肯嗤瑫r，隨著摻配土質塑性增強，曲線沿橫軸向右偏移。

圖3 細粒土質條件影響

圖2 和圖3實質上表達的是同一規(guī)律，即土質條件(粗粒土常用粒度成分、細粒土常用塑性大小表達)對凍脹量的影響。摻配塑性較大細粒土的樣品親水性強，所以在有限含水率范圍內，含水率相同時凍脹量大。

3.2.4 水分變化對填料凍脹性的影響

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立各種土料的η—w線性回歸方程，進行回歸方程差異顯著性計算，各數(shù)值均小于理論臨界值，說明摻配不同細粒土質及其含量的試料η—w回歸方程間雖有些差異但并不顯著，可以綜合起來進行統(tǒng)計。圖4為綜合散點圖，按一元線性回歸

按式(2)可得，初始凍脹含水率為8.41%，臨界凍脹含水率為10.32%，相應凍脹等級含水率為15.09%。

圖4 試料η—w綜合散點圖

3.2.5 干密度對填料凍脹性的影響

干密度對凍脹也有一定影響，二者呈負相關關系，根據(jù)經典土力學，對給定土質，飽和度一定時，試樣隨含水率增加，相應干密度減小或孔隙比增大。用基本料過篩0.5 mm的土，按照2#試料粒徑＜0.5 mm成分比例，配15%粉土后配制3種試樣。樣品飽和度按Sr=0.80計算，控制含水率分別為 w=9%，10.5%和12%，控制干密度分別為 ρd=2.008，1.945和 1.875 g/cm3。樣品風干后，在立體鏡下觀察可以看出，當飽和度一定時，隨樣品含水率增加或干密度減小，土的孔隙有變多和變大的趨勢，從而預示了凍脹量將會變大。

4 結論

1)含水率是影響填料凍脹的主導因素，即使是粗顆粒土，當其含水率達到一定值時，亦會產生相當可觀的凍脹量。因此，路基設計施工應做好防排水措施，阻斷地表水和地下水的滲透，保證路基填料的抗凍性，從而保證線路路基在季節(jié)性凍土區(qū)的平穩(wěn)運行。

2)試驗路基填料的起始凍脹含水率為8.41%，臨界凍脹含水率為10.32%，相應凍脹等級含水率為15.09%;起始凍脹含水率隨細粒含量增加而增加;摻量、含水率相同時，摻配土質塑性增強，凍脹量增大;飽和度一定時，樣品含水率增加或干密度減小，凍脹量變大。

3)嚴寒地區(qū)客運專線路基工程，應嚴格控制A、B組填料中的細粒含量，控制填料的含水率，嚴格按照壓實度要求進行施工，以盡量避免路基凍脹的發(fā)生。

[1]田亞護，溫立光，劉建坤.季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基變形監(jiān)測及凍害原因分析[J].鐵道建筑，2010(7):104-107.

[2]鐵一院.鐵路工程地質手冊[M].北京:中國鐵道出版社，1999.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB10020—2009 高速鐵路設計規(guī)范(試行)[S].北京:中國鐵道出版社，2009.

[4]哈大客專公司.哈大客專路基檢測和質量控制指導意見[Z].沈陽:哈大客專公司，2008.

[5]中華人民共和國鐵道部.TB10035—2002 鐵路特殊路基設計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2006.

[6]中華人民共和國鐵道部.TZ212—2005 客運專線鐵路路基工程施工技術指南[S].北京:中國鐵道出版社，2005.

[7]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，2004.

[8]葉陽升.論鐵路路基填料分類[J].中國鐵道科學，2004(2):35-41.