微凍脹填料中填充料凍脹與骨架顆粒的相互作用機制

杜曉燕

(中國鐵道科學研究院 高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京　100081)

凍脹率小于1%的填料具有良好的壓實性能、抗變形能力、抗剪強度與透水性，同時具有較高的填筑密度，是嚴寒地區高速鐵路路基防凍脹的主要填料[1]。本文將此填料稱為微凍脹填料[2]。為便于研究，將其分為骨架顆粒和填充料，骨架顆粒為粒徑大于1.7 mm的顆粒，填充料為粒徑小于等于1.7 mm的顆粒。對于普通構筑物，如工民建、公路等，微凍脹填料的凍脹作用可忽略不計。但對高速鐵路而言，軌道結構的高平順性要求不允許微凍脹填料產生凍脹引起路基不均勻沉降。目前關于土的凍脹機理及模型的研究主要針對填充料，即細顆粒含量較高的凍脹敏感性土，相關的界限劃分及凍脹規律的研究也主要針對此類填充料[3]。目前在高速鐵路中大量采用低細顆粒含量粗粒土(即微凍脹填料)，由于其凍脹率小于1%，以往的研究將其看作不凍脹土，加之其含細顆粒較少，填料內部無法形成連續的薄膜水及水分遷移通道，故普通填料的凍脹機理不適用此類填料。鑒于目前對這類微凍脹填料的凍脹特性及規律研究較少，且凍脹對高速鐵路危害大，因此有必要對其凍脹機制進行研究。

本文結合室內試驗和理論分析，研究填充料、含水率及外荷載等因素對凍土區高速鐵路路基微凍脹填料凍脹的影響及凍脹過程中填充料的凍脹與骨架顆粒的相互作用機制。

1　凍脹試驗

1.1　試驗裝置

凍脹試驗裝置由試樣盒、恒溫箱、溫度控制系統、溫度監測系統、變形監測系統、加壓系統及補水系統構成，如圖1所示。試樣盒直徑15 cm、高15 cm。

1.2　試驗方法

稱取風干土樣，加水拌和至所需含水率，將土樣按一定密實度分層(5層，每層高3 cm)裝入試樣盒內，然后放入恒溫箱中，將熱敏電阻溫度計分別置于試樣盒頂板、底板和周側，試樣盒周側包裹5 cm厚的泡沫塑料以保溫，分別由2臺高精度低溫循環冷系統對頂板和底板的溫度進行控制，試樣的變形由頂板上安置的百分表監測，試樣的溫度由數據采集儀自動采集；試驗在封閉條件下進行，采用單向凍結方式[4]，對每個試樣由上而下進行凍結，整個凍結過程歷時72 h。試驗開始時將土樣溫度設定為1 ℃左右并持續6 h，然后保持底板溫度恒定不變，在0.5 h內將頂板溫度降至-15 ℃，土樣迅速從頂面凍結，然后將頂板溫度升至-2 ℃，每小時以一定的梯度降低頂板溫度；試驗結束后在低溫恒溫箱內對土樣進行分層并測定其含水量。

圖1　凍脹試驗裝置

1.3　試驗內容

試驗填料取自東北某高速鐵路的路基填土，其級配見表1。填料中填充料的塑限ωp為19.2%，最佳含水量ω0為13.2%。

表1　試驗填料級配

為研究含水率、填充料及外荷載等因素對微凍脹填料凍脹的影響，本文從以下幾個方面展開凍脹試驗研究。

1)填充料塑限和最佳含水率對微凍脹填料凍脹的影響

稱取風干的填料，通過加入不同質量的水并充分拌和得到30組不同初始含水率ω的試樣，30組試樣的初始含水率見表2。前15組試樣用于研究填充料塑限對微凍脹填料凍脹的影響，后15組試樣用于研究填充料最佳含水量對微凍脹填料凍脹的影響。根據密實度為0.95計算試樣質量并擊實入試樣盒進行凍脹試驗。

表2　試樣初始含水率

2)體積含水率對微凍脹填料凍脹的影響

稱取風干的填料，通過加入不同質量的水并充分拌和得到15組不同體積含水率ωV的試樣，15組試樣的體積含水率見表3。根據密實度為0.95計算試樣質量并擊實入試樣盒進行凍脹試驗。

表3　試樣體積含水率

3)填充料含量、填充率對微凍脹填料凍脹的影響

要得到所需填充料含量的試樣，只需稱取一定量的風干填料，并加入相應比例的填充料充分拌和即可。使用下列公式計算填料中填充料的體積填充率S。

(1)

其中，

式中：V1為填料中骨架顆粒的體積分數；V2為填料中填充料的體積分數；m1為單位填料體積下骨架顆粒質量；γ1為對應填料壓實度下骨架顆粒干密度；m2為單位填料體積下填充料質量；γ2為對應填料壓實度下填充料干密度。

試驗共配制15組試樣，試樣的填充料含量及填充料填充率見表4。所有試樣均在含水率15%、密實度0.95的條件下進行凍脹試驗。

表4　試樣的填充料含量及填充料填充率

4)填充料凍脹對微凍脹填料凍脹的影響

針對表4中15組不同填充料含量的試樣，在含水率為15%及密實度為0.95的試驗條件下分別進行填料凍脹試驗和單獨的填充料凍脹試驗[5]。

5)上覆荷載對微凍脹填料凍脹的影響

配制填充料含量為10%的試樣，在初始含水率為15%，上覆荷載分別為5，10，20，30，40，55，65和80 kPa的試驗條件下進行凍脹試驗，凍脹試驗加載裝置如圖2所示。

圖2　凍脹試驗加載裝置圖

2　試驗結果分析

微凍脹填料的凍脹率η的計算式為

(2)

式中：Δh為試樣總凍脹量，mm；Hf為凍結深度(不包括凍脹量)，mm。

2.1　含水率對微凍脹填料凍脹的影響

2.1.1填充料的塑限、最佳含水率與微凍脹填料凍脹的關系

圖3給出了ω-ωp與填料凍脹率η的關系，圖4給出了ω-ωo與填料凍脹率η的關系。由圖3和圖4可知：當填料含水率ω≤ωp+2%或ω≤ωo+4.6%時，凍脹率η<1%；但當含水率繼續增加時，填料凍脹率顯著增加。

圖3　填充料塑限與填料凍脹關系

圖4　填充料最佳含水率與填料凍脹關系

2.1.2微凍脹填料體積含水率與凍脹率的關系

圖5給出了不同填料體積含水率填料的凍脹率。由圖5可知：當ωv≤13%時，隨著體積含水率的增加，填料凍脹率的變化不敏感；當ωv>13%時，隨著體積含水率的增加，填料凍脹顯著增加。

圖5　不同填料體積含水率填料的凍脹率

2.2　填充料對微凍脹填料凍脹的影響

2.2.1填充料含量、填充率與微凍脹填料凍脹的關系

圖6給出了不同填充料含量微凍脹填料的凍脹率。由圖6可知：填料的凍脹性隨著填充料含量的增加逐漸增加，當填充料含量小于3%時，凍脹率約為0.2%；當填充料含量小于15%時，凍脹率小于1.0%；當填充料含量大于15%時，隨著填充料含量的增加，填料凍脹敏感性顯著增加。

圖7給出了不同填充料填充率微凍脹填料的凍脹率。由圖7可知：當填充料填充率小于0.18時填料凍脹率小于0.2%，當填充料填充率小于0.25時填料凍脹率小于0.5%，說明隨著填充料含量的增加，填料凍脹不敏感；但當填充率大于0.25后，填料凍脹率隨著填充率的增加顯著增加，填料凍脹敏感；填充率低于0.37時凍脹率小于1.0%。

圖6　不同填充料含量微凍脹填料凍脹率

圖7　不同填充料填充率的微凍脹填料凍脹率

2.2.2填充料凍脹量與微凍脹填料凍脹量的關系

根據試驗結果繪制出各組試樣填充料凍脹量與填料凍脹量的關系圖，如圖8所示。從圖8可知：填充料凍脹量低于25 cm3時，微凍脹填料未凍脹，此時填充料凍脹填充了孔隙，并未引起填料宏觀凍脹；當填充料凍脹量大于25 cm3后，微凍脹填料出現宏觀凍脹，并隨著填充料的凍脹量增加而顯著增加。

圖8　填充料凍脹量與微凍脹填料凍脹量的關系

2.3　上覆荷載與微凍脹填料凍脹的關系

上覆荷載對微凍脹填料凍脹性的影響體現在2個方面：外部約束的增加使凍結點降低；填料內的水分在上覆荷載作用下重新分布[6]。圖9給出了不同上覆荷載下微凍脹填料的凍脹率。由圖9可知，微凍脹填料凍脹率與上覆荷載間呈指數關系，微凍脹填料凍脹率隨著上覆荷載的增加而逐漸減小。

圖9　不同上覆荷載下微凍脹填料的凍脹率

3　微凍脹填料凍脹作用機制

3.1　凍脹填充料與骨架顆粒的相互作用

微凍脹填料由粗顆粒和少量的細顆粒填充料組成[7]，在結構層面上可分為骨架顆粒和填充料，填充料分布在骨架顆粒間、填充在骨架孔隙中。當外部約束較弱時，填充料顆粒發生凍脹，骨架顆粒被抬升，骨架顆粒產生相鄰微位移，從而增大骨架孔隙，利于填充料填充骨架孔隙；而當外部約束較強時，擠脹效應會發生于骨架顆粒與填充料之間，使微凍脹填料的凍脹作用得到抑制。填充料在凍結時產生的體積膨脹存在兩方面作用：一是填充作用，剩余的孔隙被填充，加劇凍脹的內部消納作用；二是抬升作用，骨架顆粒被抬升，出現宏觀上的凍脹。抬升作用與填充作用的動態平衡過程就是微凍脹填料的凍脹過程。圖10給出了填充料與骨架顆粒的相互作用關系。

圖10　填充料與骨架顆粒的相互作用

3.2　微凍脹填料填充密實度分析

不同粒徑顆粒的比例直接決定微凍脹填料的結構類型。填料的結構類型一般可分為3種：懸浮密實型、骨架密實型以及骨架孔隙型，如圖11所示。當填充料顆粒比例較低時，孔隙不能完全被填充，此時的結構類型為骨架孔隙結構；隨著填充料顆粒比例的增加，當骨架間的孔隙剛好被填充料填充密實時，此時的結構類型變為骨架密實結構；粗顆粒所占比例隨著填充料顆粒比例的繼續增加而減小，當原形成的骨架被填充料顆粒擠開時，即變為懸浮密實結構。

圖11　填料的結構類型

微凍脹填料的填充密實度與其結構類型直接相關。填充料在骨架孔隙中填充的密實程度由體積填充率確定[2]，本文僅分析填充料填充骨架孔隙的情況。

在某壓實度下，填料中粒徑大于x的顆粒的干分布密度ρfmaxx的計算式為

ρfmaxx=ρdmaxxρx

(3)

式中：ρdmaxx為試樣中粒徑大于x的顆粒在相同壓實標準下的最大干密度；ρx為試樣中粒徑大于x顆粒的百分含量，%。

定義Dc為填料中填充料顆粒與骨料顆粒的分界粒徑。在相同壓實標準下，當填料粒徑x≤Dc時，填料中粒徑小于等于x的顆粒(即剩余顆粒)與粒徑大于x的顆粒的干分布密度相同，即ρfmaxx=ρdmaxx；當填料粒徑x>Dc時，粒徑大于x的顆粒在填料中處于彼此分離的懸浮分布狀態，此時ρfmaxx<ρdmaxx。因此，Dc是粒徑x由小到大變化至首次出現ρfmaxx<ρdmaxx時所對應的顆粒粒徑。粒徑小于Dc顆粒的百分含量βi為

(4)

式中：ρi，dmax為填料在第i次剔除最小粒組后的最大干密度；ρi，fmax為填料在第i次剔除最小粒組后的最大干分布密度。

理想狀態下，當壓實度相同且ρfmaxx=ρdmaxx時，填料中剩余顆粒在骨架中的狀態等同于緊密壓實狀態。考慮試驗誤差的影響，為與填料最大干密度平行試驗的允許誤差保持一致，可取誤差范圍為3%，即當βi≤3%時填料結構為骨架密實結構。圖12為骨架密實結構填料的ρfmaxx和ρdmaxx曲線。由圖12可見：Dc為2條曲線的分叉點。當βi>3%時填料中剔除第i組粒組后的顆粒在骨架中處于懸浮狀態，即填料結構為懸浮密實結構。圖13為懸浮密實結構填料的ρfmaxx和ρdmaxx曲線，此結構狀態下，填料中的顆粒均為骨架顆粒。

圖12　骨架密實結構填料的ρfmaxx和ρdmaxx曲線

圖13　懸浮密實結構填料的ρfmaxx和ρdmaxx曲線

分析得出Dc后，即可得到填料中填充料在孔隙中的填充干密度ρt

ρt=ρdmax(1-pDc)/ng

(5)

其中，ng=1-ρdmaxpDc/ρag

式中：ρdmax為填料中填充料的最大干密度，g·cm-3；pDc為填料中骨架顆粒的百分比，%；ng為填充料干密度狀態時的孔隙率；ρag為骨架顆粒毛體積密度，g·cm-3。

(6)

3.3　微凍脹填料結構類型劃分

微凍脹填料的填充與抬升作用與其內部結構特征有關。3種結構類型的微凍脹填料在凍脹性上差別明顯。級配碎石作為高速鐵路基床表層的主要填料，必須保證基床結構在列車動荷載作用下的長期穩定，且基床不應發生明顯的持續累積塑性變形[8]，因此基床填料級配范圍在TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》中作了明確限定。但當顆粒級配處于規定的范圍內的不同數值時，經過壓實后的級配碎石會表現為不同的結構類型。分析結果表明，壓實后的最優結構類型為骨架密實結構，應避開骨架孔隙結構和懸浮密實結構，因為氣候環境和列車動荷載長期作用會使這2種結構產生累積的塑性變形，進而影響線路的平順性，同時，當富水地區的孔隙水來不及排出時，土體的結構強度還會因為土體結構不良而有所降低。而在確定寒區高速鐵路路基基床的填料級配時，為有利排水防凍，可優選細顆粒較少的骨架孔隙結構。

當高速鐵路基床表層的微凍脹填料級配由規范規定的上限值向下限值變化時，填料中填充料的含量逐漸減小。當微凍脹填料級配在上限與中值之間時，級配結構為懸浮密實結構；當微凍脹填料的級配在中值向下限變化時，此時填料中存在3種結構類型：中值附近區域為懸浮密實結構，中值與下限之間區域為骨架密實結構，下限附近區域為骨架孔隙結構。近似分區如圖14所示。

4　結　論

(1)隨著填充料含量的減少，微凍脹填料的凍脹率逐漸減少，但即使填料中細粒含量較低，其凍脹變形在低溫條件下仍能發生。上覆荷載會在一定程度上抑制微凍脹填料的凍脹。

圖14　高速鐵路基床表層填料的結構類型劃分

(2)當填充料的凍脹增加時，微凍脹填料的凍脹也隨之增大。但當填充料填充率小于0.25時，填充料含量的增加對微凍脹填料凍脹效應的影響不明顯，此時填充料的凍脹在填充骨架孔隙，并未引起微凍脹填料的宏觀凍脹；而當填充料填充率大于0.25以后，微凍脹填料的凍脹率隨填充率的增大而顯著增加。

(3)外部約束強時，填充料的凍脹主要體現為填充作用，而外部約束弱時，填充料的凍脹引起的膨脹抬升骨架，微凍脹填料發生宏觀凍脹。抬升后骨架結構內部的消納作用增強，有利于填充作用的發展。微凍脹填料的凍脹過程是抬升作用與填充作用的動態平衡過程。

(4)微凍脹填料的內部結構特征會影響填充與抬升作用。不同粒徑顆粒的比例直接與微凍脹填料的結構類型相關，填充的結構類型有骨架孔隙結構、骨架密實結構和懸浮密實結構3種形式。

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