蘭新高鐵粗顆粒土填料凍脹性試驗研究

楊有海，沈 鑫，朱生憲，高以健

(1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.河西學院 土木工程學院，甘肅 張掖 734000；3.蘭州鐵路局，甘肅 蘭州 730000)

蘭新高速鐵路地處西北寒區，沿線大多地段冬季非常寒冷，最冷時氣溫達到零下30 ℃。在雨(雪)水入滲、毛細水上升或地下水位變化、低溫凍結作用下路基會發生凍脹變形，將影響軌道結構的平順性及高速列車的正常運行。蘭新高鐵在甘肅河西走廊、新疆境內大范圍穿越祁連山及天山山前沖洪積平原與戈壁地區，主要以路基形式通過。這些地區因自然條件極為嚴酷，控制路基凍脹變形和沉降變形已經成為該高速鐵路路基的關鍵技術問題。鐵路線路由有砟軌道發展到無砟軌道，原來對有砟軌道下路基凍害的評價標準及方法、整治措施已不適合無砟軌道路基。因此，對無砟軌道下路基填料的凍脹性評價標準、凍害防治需要進行研究。

基于已建成的哈大、哈齊、津秦等客運專線，研究人員對高鐵路基粗顆粒土填料的凍脹特性進行了一系列的研究。李安原等[1]以哈大高鐵為例，在分類梳理有關粗顆粒土凍脹特性研究文獻的基礎上，重點論述了影響粗顆粒土凍脹特性的細顆粒含量、水分特征及溫度狀況3個關鍵因素。石剛強等[2]針對哈大客運專線的路基凍脹，著重研究了細顆粒含量和含水率對粗粒土凍脹量的影響。吳鎮等[3]以哈齊客運專線細圓礫土路基填料為研究對象，自制凍結溫度試驗裝置測定了細圓礫土冷卻與凍結過程。汪錫銘[4]結合設計資料概括總結了路基防凍脹技術控制措施，依據相關規范、標準重點明確了非凍脹A，B組填料的主要控制指標。王天亮、岳祖潤[5]同時考慮凍脹率和擊實效果兩種情況下最大細粒土含量，通過葡氏擊實和凍脹試驗，研究了不同細粒土含量、不同干密度條件下細圓礫土填料的凍脹特性。劉煥強等[6]研究了天津至秦皇島客運專線的路基凍脹，得出在路基基床底層用60 cm厚細顆粒含量小于15%的碎石土可以有效防止凍脹。趙洪勇、閆宏業、張千里等[7]選取東北某客運專線路基基床底層A和B組填料作為試驗土樣，通過不同含水率、不同細粒含量、不同凍結溫度條件下的凍脹試驗，研究各參數對凍脹率的影響。姜龍、王連俊等[8]對不同含泥量(細粒成分)的砂類土在不同含水量、飽和度和密實度狀態下進行了一系列閉式凍脹模擬試驗，用數理統計方法分別研究了不同含泥量砂類土的凍脹率隨含水量的變化規律，提出以含泥量C≤3%，3%

對于粗顆粒土的分類，王正秋[10]通過以0.05 mm顆粒含量、天然含水量、凍結期間地下水低于凍深的最小距離為指標對粗粒土的凍脹性進行分類。王仲錦、張千里、葉陽升[11]通過對影響填料工程性能因素的分析，并結合工程實踐，提出填料分類分組的建議方案：在巨粒土和粗粒土中，細粒含量按5%，15%和30%分界。葉陽升等[12]在分析路基的凍脹特性、影響路基凍脹的因素、路基凍害整治中存在的問題的基礎上，借鑒國內外地基土的凍脹性分類，并結合鐵路路基填料分類的特點、鐵路線路凍脹限值和維修標準，提出路基填料凍脹性分類方案：以各類土的細粒含量、凍前含水量和凍脹高度為指標，進行凍脹敏感性和凍脹等級兩級分類。

對于位于西北寒區粗顆粒土填料的凍脹特性，李育宏等[13]分析蘭新鐵路提速區段道床凍害機理，結合室內凍脹試驗，認為蘭新線提速區段道床凍害主要影響因素是含泥量和含水率，為有砟軌道的凍害整治提供了依據。郭彥榮等[14]通過不同含水率、壓實度和外部荷載的封閉系統凍脹試驗，研究了蘭新鐵路路基土凍脹特性，基于試驗分析提出了適用于蘭新鐵路的凍害防治措施是排水和隔水。

雖然對于粗顆粒土路基填料的凍脹特性目前已經有了一定的研究，但是由于各地區土質形成條件差異較大，且蘭新高鐵沿線路基填料種類較多，顆粒組成不同，故對戈壁地區不同粗粒土填料的凍脹特性進行試驗研究將有助于該線路基工程設計及凍害防治與整治技術選擇，并為該地區同類工程建造提供借鑒與參考。

1 試 驗

本試驗研究不同細顆粒含量、不同含水率、不同壓實度下土體的凍脹特性。

試驗用土取自蘭新高鐵4個取土場路基填料。按照TB 10102—2004《鐵路工程土工試驗規程》[15]規定的方法，由室內試驗測得的該4種填料基本物理指標見表1,表中填料按照TB 1001—2005《鐵路路基設計規范》分類。

表1 土樣基本物理力學指標

凍脹試驗的試樣制備及試驗方法按照GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》進行，凍融循環試驗箱采用XT5405高低溫凍融循環試驗箱。

土體中水分是決定凍脹的主要因素之一。路基土體中的水分在凍脹過程中，如果考慮凍結期間有充足的水源補給，則屬于開放系統下的凍脹；如果路基土體中水分沒有外界水源補給，則屬于封閉系統下的凍脹。試驗采用開放系統和封閉系統兩種不同的方法進行。

(1)封閉系統，無水源補給。每一組試驗填料的含水率分別取為最優含水率wopt、中間含水率wm(介于wopt與wst之間)、飽和含水率wst。具體試驗方案見表2。

(2)開放系統，即土樣下端面有一恒定水位的補給水源。填料的初始含水率為最優含水率wopt。具體試驗方案見表3。

表2 封閉系統下填料凍脹特性試驗方案

表3 開放系統下填料凍脹特性試驗方案

2 試驗結果分析

按照《鐵路工程土工試驗規程》規定，填料的室內凍脹試驗采用凍脹率衡量凍脹的程度。凍脹率為總凍脹量與凍結深度比值，其計算公式為

式中：η為凍脹率，以百分數計； Δh為凍脹量，mm;H為產生Δh凍脹量時相應的凍土層厚度，室內凍脹試驗中采用的試驗試樣高度為80 mm。

2.1 封閉系統下粗顆粒填料凍脹試驗結果

圖1—圖4給出了4個取土場路基填料在不同含水率下的凍脹率隨時間變化曲線。

圖1 不同初始含水率下凍脹率隨時間變化曲線(取土場1)

圖2 不同初始含水率下凍脹率隨時間變化曲線(取土場2)

從圖1—圖4可以看出：同一種填料的含水率不同，則凍脹率也不同，在最優含水率下凍脹率較小，隨著含水率增大，則凍脹率越大，表明含有細顆粒的粗顆粒填料在凍結時含水率對凍脹率有明顯影響，所以設法控制路基冬季凍結層中的含水率對防凍害是很有效的措施；4種填料細顆粒含量不同，凍脹率也不同，總體上細顆粒含量越多則凍脹率越大；在封閉系統下4種含有細顆粒的飽和密實粗顆粒填料的凍脹率均大于1.0%。由此得知，含有細顆粒的路基工程填料，當其含水率較高時，在負溫作用下發生凍結，會產生較大的凍脹量。

圖3 不同初始含水率下凍脹率隨時間變化曲線(取土場3)

圖4 不同初始含水率下凍脹率隨時間變化曲線(取土場4)

因此，在寒區高速鐵路路基填筑中，應該嚴格控制A，B組填料中的細顆粒含量和路基土體含水率，尤其是低路堤、零斷面換填路基、路塹；也可對填料進行水泥改良，改變含有細顆粒的粗顆粒填料凍脹性[16]；當該地區降雨量較大，雨水會沿著路基面封閉層開裂部位、路基邊坡、護道等滲入路基本體時，或者地下水位較高、路基周圍有灌渠存在時，要給予高度重視。

文獻[1]認為影響粗顆粒土凍脹特性的幾個關鍵因素為細顆粒含量、水分特征及溫度狀況。文獻[2]對細顆粒含量在6.1%～13.4%的5種試驗土料進行凍脹試驗，得出當含水率超過最佳含水率后，凍脹率最大值可以達到3%～4%。文獻[5]試驗得出細顆粒含量在5%時的凍脹率為0.6%，細顆粒含量達到10%時凍脹率超過1.0%。文獻[7]對路基基床A、B組填料在不同含水率、細粒含量、凍結溫度下的凍脹特性進行了系統試驗，得出：土樣含水率分別為7%和9%時的凍脹率分別達到1.54%和2.82%，均超出高速鐵路對季節性凍土地區粗粒土填料平均凍脹率不大于1%的規定；建議對季節性凍土區域粗顆粒土在細顆粒含量小于15%的情況下仍然要通過室內凍脹試驗確定其凍脹性；在保持含水率5%下進行凍脹試驗，細料含量分別為3%，5%和7%時的凍脹率分別為0.42%，0.96%和1.12%等，說明粗顆粒填料中細粒含量達到一定數值在含水充分時會加劇凍脹，這些結果與本文試驗結果基本相同。

傳統意義上的填料凍脹性分類系按照平均凍脹率小于等于1%作為不凍脹性填料，這個分類標準對于普速鐵路路基而言是適合的，但近幾年的研究及工程實踐表明，該分類標準不適合高速鐵路路基填料凍脹性分類。文獻[16]認為對于高速鐵路改良粗顆粒填料而言，以凍脹率不超過0.1%作為控制標準。哈大鐵路客運專線建造中當時曾對路基填料選擇做出如下規定：“防凍層選用小于0.075 mm細粒含量小于15%，平均凍脹率小于等于1%且級配良好的非凍脹性A，B組填料。基床底層采用A、B組填料，粒徑宜控制在6 cm以內；基床以下路基優選A，B組填料。”但該線在投入運營后從路基縫隙、邊坡滲入的水分仍使其局部地段路基出現了凍脹。蘭新高鐵浩門至張掖西區間路基設計中，要求路基基床底層選擇A，B組填料，基床以下部分可選擇C組填料中的粗顆粒土，但由于其細顆粒含量較大，加之該段路基處于高海拔地區(平均海拔在2 800 m以上，最高海拔為3 608 m)，降雨量相對較大且有地下水存在，冬季氣候十分寒冷地段，路基凍結深度大，造成部分區段路基發生凍脹，影響了線路平順性及列車運行，冬季養護維修工作量大。

2.2 開放系統下粗顆粒填料凍脹試驗結果

圖5—圖8給出了不同細顆粒含量、不同壓實系數(K=0.87，0.91，0.93和0.95)的粗顆粒填料凍脹試驗結果，試驗中所有試樣的初始含水率均為其最優含水率。

圖5 取土場1填料在開放系統下的凍脹率隨時間的變化曲線(初始含水率w=8.9%)

圖6 取土場2填料在開放系統下的凍脹率隨時間的變化曲線(初始含水率w=7.0%)

圖7 取土場3填料在開放系統下的凍脹率隨時間的變化曲線(初始含水率w=6.3%)

圖8 取土場4填料在開放系統下的凍脹率隨時間的變化曲線(初始含水率w=6.0%)

與封閉系統下相比，相同初始含水率、相同細顆粒含量填料在開放系統下的凍脹率要遠大于封閉系統下的凍脹率，其值均大于3%；細顆粒含量越多的試樣凍脹率越大；同一種填料壓實系數越大，則凍脹率越小。因此，在地下水位較高或者凍結過程中有水分補給時含有細顆粒的粗顆粒填料凍脹率較大；路基工程中解決好水的作用問題是路基防凍害首先選擇的主要措施。路基防排水措施除了目前采用的排水設施、路基表面設置封閉層之外，防止雨(雪、冰)水從封閉層接縫、路基邊坡、排水溝或側溝等滲入路基本體也是應該研究解決的重要問題；若路基低矮或為路塹形式，有地下水存在且水位較高，以及路基周圍有農田灌溉等情況時，設計中必須考慮采取措施，降低地下水位在凍結深度線以下；設置防滲隔斷措施，防止毛細水上升、凍結中水分遷移、農田灌溉水滲入路基等造成凍害；設計凍結深度內換填水泥改良粗顆粒填料[16]。

3 結論及建議

(1)路基工程粗顆粒填料A，B組中若有細顆粒存在，則凍結時可能會發生不同程度的凍脹；凍脹率的大小取決于土中細顆粒含量及凍結前的初始含水率或凍結過程中水分補給；同一種填料初始含水率不同，則凍脹率不同；封閉系統下含水率低于最優含水率時，填料的凍脹率均較小；處于飽和狀態時填料的凍脹率可達1.1%～2.2%，其填筑的路基在冬季發生凍結時所產生的凍脹量可能會超過無砟軌道高低偏差管理值，造成路基凍害，影響軌面的平順性。

(2)細顆粒含量是影響路基粗顆粒填料發生凍脹的重要原因，填料的凍脹率隨細顆粒含量的增加而增加；降雨量較大、冬季氣候寒冷地區高速鐵路路基防凍層填料設計、施工時，應該控制填料中細顆粒含量，尤其是對于低路堤、零斷面換填路基、路塹等地段要嚴加控制；需要時可以填筑水泥改良粗顆粒填料。

(3)開放系統試驗條件下的凍脹率遠大于封閉系統下的數值，其值均大于3%，范圍在3.65%～7.45%；細顆粒含量越多的試樣凍脹率越大；同一種填料壓實系數越大，凍脹率越小。

(4)高速鐵路路基工程中做好防排水是路基防凍害首先選擇的主要措施。除了目前普遍采用的排水設施、路基表面設置封閉層之外，防止雨(雪、冰)水從封閉層接縫、路基邊坡、排水溝或側溝等滲入路基本體也是應該研究解決的重要問題。若路基低矮或為路塹形式，有地下水存在且水位較高，以及路基周圍有農田灌溉等情況時，設計中必須考慮采取措施，降低地下水位在凍結深度線以下，設置防滲隔斷措施，防止毛細水上升、凍結中水分遷移、農田灌溉水滲入路基等造成凍害。

綜上所述，在寒區高速鐵路路基建造中，應該從路基結構形式、防凍層設計、控制粗顆粒填料中的細顆粒含量、做好路基防排水等方面出發，兼顧各種影響因素，采取綜合措施防止路基發生凍害，為線路軌道結構提高穩定、平順的基礎。

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