考慮補(bǔ)水條件的長白鐵路路基土凍脹特性試驗(yàn)研究

孫延明

（中鐵十九局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司 北京 100076）

1 引言

現(xiàn)有對季凍土凍脹特性的研究已取得豐碩成果，但對于不同地區(qū)，由于其土質(zhì)、水文及氣象特征的不同，表現(xiàn)出不同的凍脹特性，在實(shí)際工程中所遇到的問題及采取的施工及預(yù)防措施也不盡相同。因此，本文依托長春至白城鐵路路段擴(kuò)能改造項(xiàng)目工程，考慮補(bǔ)水條件，對該路段主線路及附屬道路的路基土進(jìn)行開放系統(tǒng)下飽和土樣與非飽和土樣的室內(nèi)凍脹試驗(yàn)，根據(jù)不同土樣凍脹特性給出季凍土鐵路路基施工的合理化建議與防治凍害的有效措施，為季凍區(qū)鐵路工程提供一定的理論與技術(shù)指導(dǎo)，確保鐵路路基的安全與穩(wěn)定。

2 工程概況

位于吉林省西部的長白鐵路，起始長春終于白城，沿線經(jīng)過農(nóng)安縣、前郭縣、松原市、大安市，正線線路全長327.8 km。CBSG-3標(biāo)段里程范圍為DK77＋600～DK129＋000，正線長度有49.8 km，其中路基工程總長34.2 km，占正線長度的68.7%。

沿線多平原地帶，K124＋080至K129＋000為沖積平原第二松花江階地，地勢開闊平坦，沼澤、洼地、水泡遍布，分布多條引松干渠及子渠，有豐富的地下水和地表水。沿線分布有大量的粉土、粉質(zhì)黏土、黏土和粉砂土，地下水位埋藏較淺，且地處深季節(jié)性凍土區(qū)，冬季寒冷漫長，歷年最冷月平均氣溫－16℃，歷年年平均降水量約為440 mm，最大積雪深度28 cm。沿線土壤最大凍結(jié)深度見表1。降雨和融雪都會導(dǎo)致表層土體含水率增高，易加劇凍脹，誘發(fā)道路安全隱患的發(fā)生。

表1 沿線凍土區(qū)最大凍結(jié)深度

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）土樣制備

試驗(yàn)用土取自長白鐵路擴(kuò)能改造工程CBSG-3標(biāo)段沿線不同位置地基土，分別有粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉砂土五種典型土類，各土類的粒徑和基本參數(shù)見表2～表3。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》［11］進(jìn)行土樣制備。將天然土樣于干燥箱烘干碾碎后取2 mm篩下土，根據(jù)土的最優(yōu)含水率將所需水量用噴壺均勻噴灑到土層，經(jīng)充分拌勻后將其密封靜置24 h，使土樣各部分含水率一致，最后進(jìn)行實(shí)際含水率的測試。土樣密度取土的最大干密度，采用分層（三層）擊實(shí)法進(jìn)行制樣，每層擊實(shí)至目標(biāo)高度后將表面刮毛，使其與下一層土樣擊實(shí)后相互粘結(jié)，確保每層土的質(zhì)量和高度相等，保證各土樣的密度保持一致，并控制其他因素對試驗(yàn)的影響。

表2 土樣顆粒級配

表3 土樣基本參數(shù)

（2）試驗(yàn)儀器

凍脹試驗(yàn)儀器見圖1。試樣筒：筒壁由有機(jī)玻璃制作，內(nèi)部規(guī)格尺寸為φ100 mm×H200 mm，底部為帶有補(bǔ)水通道的底座，可進(jìn)行開放系統(tǒng)下的凍脹試驗(yàn)；凍脹融沉儀包括恒溫室：溫度控制范圍＋80℃～－70℃；凍脹量采集系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)通過位移傳感器（量程0～50 mm）進(jìn)行自動(dòng)化采集；補(bǔ)水系統(tǒng)：通過恒壓補(bǔ)水管與試樣筒補(bǔ)水底座相連進(jìn)行無壓補(bǔ)水；水浴冰箱：溫度控制范圍為－50℃～200℃，開始工作后循環(huán)泵送防凍液通過接觸土樣頂部的制冷頂板實(shí)現(xiàn)單向凍結(jié)。

圖1 試驗(yàn)儀器

（3）試驗(yàn)方案

以某電網(wǎng)330kV變電站母線短路電流為限流目標(biāo)，說明裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法。系統(tǒng)共9個(gè)變電站，短路電流列于表1。

標(biāo)段沿線不同位置由于其土質(zhì)及地貌、水溫等地質(zhì)條件的不同，對季凍土產(chǎn)生的影響顯著不同，因此需結(jié)合實(shí)際地質(zhì)與氣象條件，考慮不同時(shí)期地下水源和地表降水對季凍土的影響。綜合考慮吉林地區(qū)冬季平均氣溫，取－15℃為凍結(jié)溫度，凍結(jié)時(shí)間為48 h，在開放系統(tǒng)下進(jìn)行不同土類飽和補(bǔ)水和非飽和補(bǔ)水的室內(nèi)凍脹試驗(yàn)，方案見表4。

表4 試驗(yàn)方案

（4）凍脹形成機(jī)理

凍脹發(fā)生基本要素為土體、液態(tài)水、負(fù)溫。由于土的三向組成，在固體土顆粒的間隙中存在液態(tài)水和氣體，在單向凍結(jié)作用下，與冷源接觸的土體中的水分快速發(fā)生凍結(jié)，形成凍結(jié)鋒面（0℃等溫線），同時(shí)未凍結(jié)土中水分在溫度勢作用下向凍結(jié)鋒面遷移聚集，凍結(jié)成冰產(chǎn)生膨脹。當(dāng)有外界水源補(bǔ)給時(shí)，外界水源在溫度勢和毛細(xì)作用下不斷從下到上向凍結(jié)鋒面遷移聚集，加劇了凍脹程度［12］。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）凍脹率計(jì)算方法

凍脹率作為表征土體凍脹特性的一個(gè)重要指標(biāo)，是評價(jià)土體凍脹特性的標(biāo)準(zhǔn)，主要根據(jù)凍脹試驗(yàn)獲取。因試驗(yàn)受多因素影響，不同的試驗(yàn)條件對結(jié)果有較大影響，計(jì)算方法為土樣的凍脹量與實(shí)際凍結(jié)深度的比值，計(jì)算公式為：

式中，η為凍脹率，%；Δh為土樣凍脹量，mm；Hf為凍結(jié)深度（不包括凍脹量），mm。

（2）凍脹量曲線

不同土類在不同試驗(yàn)工況下表現(xiàn)出的凍脹特性差異較大。為揭示開放系統(tǒng)下不同土類的凍脹特性，本文依據(jù)長白鐵路現(xiàn)場路基土進(jìn)行取樣，展開不同土類在開放系統(tǒng)下飽和補(bǔ)水和非飽和補(bǔ)水的室內(nèi)季凍土凍脹試驗(yàn)，得到各土類凍脹量隨時(shí)間變化曲線，見圖2～圖6。由圖可知，粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉砂土在飽和補(bǔ)水工況下的凍脹量分別為22.9 mm、35.3 mm、24.6 mm、38.8 mm、21.7 mm；在非飽和補(bǔ)水工況下的凍脹量分別為11.7 mm、25.9 mm、15.1 mm、31.2 mm、11.1 mm。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的凍脹量最大，粉質(zhì)黏土次之，粉砂土的凍脹量最小。由于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的土顆粒較小，含粉粒較多，土的滲透性較大，因此凍脹量表現(xiàn)為最大；粉砂土由于含有砂礫，故凍脹量表現(xiàn)為最小。

圖2 粉土凍脹量曲線

圖3 粉質(zhì)黏土凍脹量曲線

圖4 黏土凍脹量曲線

圖5 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土凍脹量曲線

圖6 粉砂土凍脹量曲線

在開放系統(tǒng)下五種土樣凍脹量變化特征表現(xiàn)為一致的規(guī)律，凍脹量變化大致分為三個(gè)階段：快速增長—緩慢增長—保持穩(wěn)定；飽和土樣較不飽和土樣凍脹量大。粉砂土凍脹初始階段凍脹發(fā)展速率最快且最快達(dá)到穩(wěn)定。

不同土類因其本身特性，在相同工況下產(chǎn)生的凍脹量顯著不同。水作為發(fā)生凍脹的主要因素之一，對凍脹產(chǎn)生的影響巨大，尤其是當(dāng)有外界補(bǔ)水的情況下會顯著增加土體的凍脹。

（3）土樣凍脹率

根據(jù)凍脹率計(jì)算公式（1），得到各土樣在飽和補(bǔ)水和非飽和補(bǔ)水工況下的凍脹率，見表5。由表5可知，五種土樣在補(bǔ)水條件下均表現(xiàn)為較大凍脹率，經(jīng)過飽和可顯著增大土樣凍脹率；在飽和補(bǔ)水和非飽和補(bǔ)水狀況下淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土凍脹率均為最大，凍脹率分別為38.8%、31.2%，粉質(zhì)黏土次之；粉砂土的凍脹率表現(xiàn)為最小，凍脹率分別為21.7%、11.1%。

表5 土樣凍脹率

5 路基防凍脹措施

（1）對于鐵路主線水資源豐富、地下水位較高及地勢低洼路段，可對路基土表層進(jìn)行清除換填，改填為強(qiáng)滲水性土或非凍脹性填料，并做好與周圍河流和水源的流滲隔斷。

（2）路基底部采取一定的隔水措施或設(shè)置滲水盲溝，防止地下水（毛細(xì)水）或降低地下水位對路基土進(jìn)行補(bǔ)水；路基面進(jìn)行一定的封水或設(shè)置排水溝，避免雨水或地表水下滲。

（3）對于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土路段，在最大凍結(jié)深度范圍內(nèi)換填弱凍脹或不凍脹性填料，并對地下水和地表水采取隔斷與疏排措施。

6 結(jié)論

（1）五種土樣凍脹量發(fā)展變化曲線表現(xiàn)為一致規(guī)律，主要分為三個(gè)階段：快速增長—緩慢增長—保持穩(wěn)定。

（2）在飽和補(bǔ)水和非飽和補(bǔ)水工況下淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土凍脹量最大，凍脹量分別為38.8 mm、31.2 mm；粉砂土凍脹量最小，凍脹量分別為21.7 mm、11.1 mm。粉砂土凍脹發(fā)展速率最快且最快達(dá)到穩(wěn)定，初始發(fā)展階段凍脹量發(fā)展曲線的切線傾斜角接近90°；粉土凍脹發(fā)展速率最慢且最后達(dá)到穩(wěn)定。

（3）飽和補(bǔ)水較非飽和補(bǔ)水有較大凍脹率。在飽和補(bǔ)水和非飽和補(bǔ)水兩種補(bǔ)水工況下淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土凍脹率均為最大，凍脹率分別為38.8%、31.2%；粉砂土的凍脹率最小，凍脹率分別為21.7%、11.1%。