考慮補水條件的長白鐵路路基土凍脹特性試驗研究

孫延明

（中鐵十九局集團電務工程有限公司 北京 100076）

1 引言

現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，由于其土質、水文及氣象特征的不同，表現出不同的凍脹特性，在實際工程中所遇到的問題及采取的施工及預防措施也不盡相同。因此，本文依托長春至白城鐵路路段擴能改造項目工程，考慮補水條件，對該路段主線路及附屬道路的路基土進行開放系統下飽和土樣與非飽和土樣的室內凍脹試驗，根據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，為季凍區鐵路工程提供一定的理論與技術指導，確保鐵路路基的安全與穩定。

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，沿線經過農安縣、前郭縣、松原市、大安市，正線線路全長327.8 km。CBSG-3標段里程范圍為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、粉質黏土、黏土和粉砂土，地下水位埋藏較淺，且地處深季節性凍土區，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。沿線土壤最大凍結深度見表1。降雨和融雪都會導致表層土體含水率增高，易加劇凍脹，誘發道路安全隱患的發生。

表1 沿線凍土區最大凍結深度

3 試驗設計

（1）土樣制備

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

表2 土樣顆粒級配

表3 土樣基本參數

（2）試驗儀器

凍脹試驗儀器見圖1。試樣筒：筒壁由有機玻璃制作，內部規格尺寸為φ100 mm×H200 mm，底部為帶有補水通道的底座，可進行開放系統下的凍脹試驗；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：計算機通過位移傳感器（量程0～50 mm）進行自動化采集；補水系統：通過恒壓補水管與試樣筒補水底座相連進行無壓補水；水浴冰箱：溫度控制范圍為－50℃～200℃，開始工作后循環泵送防凍液通過接觸土樣頂部的制冷頂板實現單向凍結。

圖1 試驗儀器

（3）試驗方案

以某電網330kV變電站母線短路電流為限流目標，說明裝置的設計與優化方法。系統共9個變電站，短路電流列于表1。

標段沿線不同位置由于其土質及地貌、水溫等地質條件的不同，對季凍土產生的影響顯著不同，因此需結合實際地質與氣象條件，考慮不同時期地下水源和地表降水對季凍土的影響。綜合考慮吉林地區冬季平均氣溫，取－15℃為凍結溫度，凍結時間為48 h，在開放系統下進行不同土類飽和補水和非飽和補水的室內凍脹試驗，方案見表4。

表4 試驗方案

（4）凍脹形成機理

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

4 試驗結果及分析

（1）凍脹率計算方法

凍脹率作為表征土體凍脹特性的一個重要指標，是評價土體凍脹特性的標準，主要根據凍脹試驗獲取。因試驗受多因素影響，不同的試驗條件對結果有較大影響，計算方法為土樣的凍脹量與實際凍結深度的比值，計算公式為：

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

（2）凍脹量曲線

不同土類在不同試驗工況下表現出的凍脹特性差異較大。為揭示開放系統下不同土類的凍脹特性，本文依據長白鐵路現場路基土進行取樣，展開不同土類在開放系統下飽和補水和非飽和補水的室內季凍土凍脹試驗，得到各土類凍脹量隨時間變化曲線，見圖2～圖6。由圖可知，粉土、粉質黏土、黏土、淤泥質粉質黏土和粉砂土在飽和補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。淤泥質粉質黏土的凍脹量最大，粉質黏土次之，粉砂土的凍脹量最小。由于淤泥質粉質黏土的土顆粒較小，含粉粒較多，土的滲透性較大，因此凍脹量表現為最大；粉砂土由于含有砂礫，故凍脹量表現為最小。

圖2 粉土凍脹量曲線

圖3 粉質黏土凍脹量曲線

圖4 黏土凍脹量曲線

圖5 淤泥質粉質黏土凍脹量曲線

圖6 粉砂土凍脹量曲線

在開放系統下五種土樣凍脹量變化特征表現為一致的規律，凍脹量變化大致分為三個階段：快速增長—緩慢增長—保持穩定；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展速率最快且最快達到穩定。

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

（3）土樣凍脹率

根據凍脹率計算公式（1），得到各土樣在飽和補水和非飽和補水工況下的凍脹率，見表5。由表5可知，五種土樣在補水條件下均表現為較大凍脹率，經過飽和可顯著增大土樣凍脹率；在飽和補水和非飽和補水狀況下淤泥質粉質黏土凍脹率均為最大，凍脹率分別為38.8%、31.2%，粉質黏土次之；粉砂土的凍脹率表現為最小，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，可對路基土表層進行清除換填，改填為強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置滲水盲溝，防止地下水（毛細水）或降低地下水位對路基土進行補水；路基面進行一定的封水或設置排水溝，避免雨水或地表水下滲。

（3）對于淤泥質粉質黏土路段，在最大凍結深度范圍內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 結論

（1）五種土樣凍脹量發展變化曲線表現為一致規律，主要分為三個階段：快速增長—緩慢增長—保持穩定。

（2）在飽和補水和非飽和補水工況下淤泥質粉質黏土凍脹量最大，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。粉砂土凍脹發展速率最快且最快達到穩定，初始發展階段凍脹量發展曲線的切線傾斜角接近90°；粉土凍脹發展速率最慢且最后達到穩定。

（3）飽和補水較非飽和補水有較大凍脹率。在飽和補水和非飽和補水兩種補水工況下淤泥質粉質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%。