嚴寒地區鐵路路基防凍脹改良土封閉層控制標準研究

溫立光 曾帥 張守超 張棟

1.包滿鐵路有限責任公司，呼和浩特010050；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；3.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京102600

在我國北方嚴寒地區修建高速鐵路，當地的防凍脹填料較少。考慮到經濟環保的要求，亟須進行填料改良研究。采用單純摻加水泥、石灰的改良土填筑的路基，經受列車動荷載、大氣降雨和溫度的作用后，會出現開裂、剝落等病害，對路基防滲、防凍脹等功能及長期穩定性造成較大影響，尤其是基床上部［1］。

土壤經過改良后抗壓強度和抗剪強度會顯著提高，在道路基層及以下部位填筑和構筑物地基處理中改良土應用廣泛。由于鐵路對路基變形控制要求較為嚴格，改良土發展初期在鐵路上應用比較少。自20世紀70年代以來，美國、日本等國家逐步在鐵路路基填料中推廣使用改良土，通過在實際應用中對出現的問題進行改進和總結，獲得了大量成功經驗［2］。《德國鐵路工程設計規范匯編》（DS836）提出對于粉砂和黏性土等不良路基填料，可以通過加入水泥、石灰粉、石灰漿等進行改良［3］。中國從鐵路第6次大提速開始，對路基的技術要求不斷提高，路基填料改良研究隨之展開，并獲得了大量成果［4-5］。

對于在基床表層填料中摻加綜合改良劑提高其強度及防凍脹性能，目前尚未開展過研究。本文對防凍脹改良土用于基床表層填料時的控制指標進行探討，通過室內試驗研究防凍脹耐久性好的改良土方法和配方，并進行現場試驗。結合包滿鐵路巴滿（巴音花—滿都拉）試驗段探討路基基床表層改良土防凍脹封閉層結構控制標準，為嚴寒地區高速鐵路建設提供技術儲備。

1 防凍脹改良土路基填料控制標準

美國PCA（Portland Cement Association，美國波特蘭水泥協會）標準（1992年）和美國陸軍工程兵團（United States Army Corps of Engineers，USACE）技術手冊用12個干濕（凍融）循環的質量損失率作為改良土耐久性的控制標準［6-7］。美國墾務局（United States Bureau of Reclamation，USBR）《大壩水泥土護坡設計準則》（1986年）還規定了水泥土7 d最低抗壓強度為4 MPa，28 d最低抗壓強度為6 MPa。日本在改良土性能控制上以單軸抗壓強度作為控制指標，要求單軸抗壓強度達到基床表面列車荷載的5倍以上。德國規定，固化土在性能檢測范圍內，28 d穩定后強度達到6 MPa。

中國鐵路系統通過強度和耐久性兩項指標來控制改良土的性能，對于嚴寒地區高速鐵路路基凍結深度范圍內的填料要求更加嚴格，須控制級配、抗凍性、滲透性。TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》要求：嚴寒地區改良土用于基床底層時，7 d飽和無側限抗壓強度大于等于550 kPa；耐久性標準以5次干濕循環和凍融循環后強度的損失率來控制，無論是用質量損失率還是用強度損失率作為控制指標，其損失后的路基強度都不應低于標準設計強度。

各國對高速鐵路路基防凍脹要求與高速鐵路運營速度以及氣候環境有關。俄羅斯、中國、德國、日本對高速鐵路路基在基床表層填料防凍脹要求基本相當。俄羅斯對基床底層填料的防凍脹要求沒有中國、德國、日本嚴格，見表1。

表1 各國防凍脹填料標準

對于防凍脹改良土填料應用于路基基床表層的控制指標及標準目前尚無明確的論述。本文結合國內外現狀，提出防凍脹改良土用于基床表層的控制標準——由凍脹率、滲透性、12次凍融循環后的無側限抗壓強度3項指標組成，并通過凍脹試驗、滲透試驗和飽和凍融無側限抗壓強度試驗進行了驗證。

1.1 凍脹率

文獻［8］發現封閉系統條件下，凍脹率隨含水率及細顆粒含量的增加而增大。對于凍結深度較大的嚴寒地區，文獻［9］提出將凍脹率作為防凍脹標準的主要控制指標，凍融循環作用下的無側限抗壓強度作為次要指標評價耐久性。

根據軌道維修標準，軌面落差4 mm時需要維修，凍結深度放大系數取1.3，則對應的最大凍脹率η=0.004∕（1.3h），h為凍結深度。

通過查閱相關資料可知，我國東北地區凍結深度為1.5～3.0 m，計算得到最大凍脹率為0.001～0.002。

1.2 滲透性

冷景巖等［10］通過哈齊（哈爾濱—齊齊哈爾）客運專線現場試驗研究了路基填料的滲透性能，確定了A、B組填料的細顆粒含量和滲透系數控制指標。

基床表層Ⅰ型級配碎石滲透系數應小于1×10-6m∕s，改良土封閉層防滲功能不應低于Ⅰ型級配碎石，即其滲透系數應小于1×10-6m∕s。

1.3 無側限抗壓強度

取標準活載20 t，雙線客貨共線動力沖擊系數0.003，設計速度200 km∕h，道砟層厚0.35 m，道砟層模量300 MPa。結合有限元數值模擬和彈性半無限空間體內布辛尼斯克公式［11］，計算得出此工況下路基面最大正應力P為0.15 MPa。作用于路基面的應力由道砟層施加，因此作用在基床表層填料上的道砟壓入強度取0.15 MPa。道砟顆粒間平均接觸力由道砟壓入強度除以道砟孔隙率μ得到，根據統計數據［12］，μ取0.3。考慮到長期循環荷載作用下的動力穩定性，參考混凝土疲勞強度折減系數的取值［13］，改良土疲勞強度折減系數λ取0.6。安全系數α取1.2，則此工況下作用于基床表層填料的抗壓強度σ計算公式為σλ≥（P∕μ）α，得到σ≥1 MPa。

根據TB 10001—2016《鐵路路基設計規范》，化學改良土考慮凍融循環作用，7 d飽和無側限抗壓強度大于等于700 kPa。

對細粒含量23.78%的粉砂養生7 d，進行飽和凍融循環、非飽和凍融循環試驗。當水泥含量在8%以上或摻加改良劑時水泥含量在5%以上時，12次凍融循環后無側限抗壓強度大于1.5 MPa，試件的質量損失率符合要求（不超過5%），外觀良好。

綜上，取12次凍融循環后無側限抗壓強度不小于1.5 MPa作為改良土填料用于基床表層的控制標準。

2 防凍脹改良土封閉層試驗研究

2.1 室內試驗

2.1.1 凍脹試驗

浸水24 h后細粒含量23.78%的粉砂試件質量變化見表2。試件經過6次反復凍脹試驗，得到凍融次數與凍脹率的關系，見圖1。可知：沒有摻加復合改良劑的試件，從第3次凍融后就開始出現比較明顯的凍脹，而同樣配比摻加復合改良劑的試件從始至終都沒有發生顯著的凍脹；摻加復合改良劑的試件，多次凍融循環后凍脹率均在0.1%以下，可見，復合改良劑可以有效降低粉砂試件凍脹率。

表2 浸水24 h后凍脹試件質量變化

圖1 不同改良方式時細粒含量23.78%的粉砂凍脹率

2.1.2 滲透試驗

采用素土、摻加5%水泥、摻加5%復合改良劑對細粒含量23.78%粉砂開展滲透試驗［14］，結果見圖2。

圖2 粉砂及其改良土的滲透系數（養生28 d）

由圖2可知：與素土相比，摻加復合改良劑的粉砂滲透系數降低了30%左右。由于復合改良劑對降低土體滲透性效果明顯，在設計中可以通過摻加復合改良劑來形成封閉層結構。

2.1.3 無側限抗壓強度試驗

浸水凍融循環后飽和試件7 d無側限抗壓強度見圖3。可知：在整個浸水飽和凍融循環過程中，摻加改良劑的試件強度顯著高于只摻加水泥的試件；在8次浸水凍融循環后，摻加復合改良劑的試件強度依然呈增長趨勢，而摻加水泥的試件則出現降低趨勢或增長不明顯；摻加8%的水泥能將試件的無側限抗壓強度控制在1.5 MPa以上。可見，復合改良劑能顯著提高試件的無側限抗壓強度。

圖3 飽和試件7 d無側限抗壓強度

2.2 現場試驗

本文提出的利用抗凍脹的土壤復合改良劑制成的基床表層除了滿足高速鐵路路基要求的防滲、抗裂、防凍脹功能外，所述基床表層、基床底層所組成的路基基床結構還滿足強度和變形的要求，保證其在列車荷載、降水、干濕循環、凍融循環等因素影響下具有長期穩定性，使寒冷地區的高速鐵路路基不發生凍脹，滿足軌道平順性要求。

包滿鐵路巴滿段路基長20.543 km。沿線可用填料主要為細沙、粉砂、中砂及粗砂。由于線路位于季節性凍土區，整個填料細粒含量控制在5%以下非常困難，有必要進行改良，減少凍脹，保證基床穩定。在冬季前安裝監測設備，對其進行含水率、凍脹量等監測，通過現場監測結果評估改良土封閉層的防凍防水效果。

根據室內試驗結果，在包滿鐵路滿都拉車站附近修筑試驗段，監測經過一個冬夏的凍融循環的路基變形。施工前將改良劑與水泥按比例充分攪拌混合，形成復合改良劑，路基填料改良土的生產工藝采用場拌法施工。為了檢測復合改良劑的抗凍性能，采用地溫度、位移監控傳感器進行實時監測，再經過無線網絡傳入到監測室內。施工完畢后，從路基路床表層上鉆挖3個直徑50 mm、深3 300 mm的孔，預埋PVC管。其中一個為地溫觀測點，其他兩個是凍脹變形觀測點，里面裝入傳感器，如圖4所示。

圖4 凍脹平面布置示意（單位：mm）

不同監測點的豎向位移變化曲線見圖5。可知，改良土基床表層呈現先凍縮后增長、最后趨于平穩的變化趨勢，最大豎向位移發生在2018年2月19日，為-1.27 mm，然后緩慢恢復到0，幾乎沒有發生凍脹。可見，凍脹率在允許范圍內，填料改良后的基床表層抗凍脹效果明顯。

圖5 不同監測點的豎向位移變化曲線

3 結論

1）粉砂經過改良后，可用于基床表層的填筑，通過凍脹變形監測，凍脹率在允許范圍內，改良后的基床表層抗凍脹效果良好。

2）防凍脹改良土應走綜合改良劑的路線。提出了改良土用于路基基床表層的控制標準：改良土6次凍融循環后其凍脹率小于0.1%；滲透系數應小于1×10-6m∕s；12次凍融循環后其無側限抗壓強度不低于1.5 MPa。