季節性凍土區路基基床粗顆粒土填料凍脹特性研究

趙洪勇，閆宏業，張千里，程遠水

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

隨著我國寒區鐵路建設的不斷發展，在施工和運營中出現的路基填料凍脹病害亟需研究。高速鐵路對路基基床穩定和工后沉降的要求十分嚴格。《鐵路特殊土路基設計規范》(TB 10035—2006)規定粗顆粒土在細粒含量不大于15%情況下不考慮凍脹問題，高速鐵路對季節性凍土區域粗顆粒土平均凍脹率要求不大于1%。

基床填料是影響路基凍脹的最主要因素，季節性凍土區域路基基床填料不僅要滿足常規路基填料要求，還要符合抗凍性要求。本文以我國東北季節性凍土區某鐵路客運專線路基基床底層A、B組填料為研究對象，通過凍脹試驗研究影響路基填料凍脹的主要因素對凍脹率的影響。

1 試驗概況

土樣取自東北吉林某客運專線路基基床底層A、B組填料取土場。該地段屬于季節性凍土區，年平均氣溫在6℃左右，年極端最低氣溫可達－35℃，季節凍結深度約為150 cm，因此路基基床凍脹病害對上部結構物的威脅非常大，嚴重時會造成工程的直接破壞，或減少運營使用的壽命，造成巨大損失。

該路基基床A、B組填料的基本性質如表1所示。

表1 填料的基本性質

取不同含水率狀態下的土樣在相同試驗條件下進行試驗，試驗時密封試樣，使其與大氣隔絕，以免水分進入引起含水率增大，以研究不同含水率下填料的凍脹規律。

取不同細粒含量的土樣在相同試驗條件下進行凍脹試驗，以研究該類填料細粒含量對其凍脹特性的影響。

取不同凍結溫度的土樣在相同試驗條件下進行試驗，以研究凍結溫度對填料凍脹特性的影響。

表2列出了各試驗方案樣品的基本參數。

試樣直徑為160 mm，高度為200 mm，干密度為2.1 g/cm3，凍脹方式為有側限單向凍脹。為模擬施工現場環境，試樣側向及底部采用厚度10 cm的絕熱保溫材料，試樣底部為凍結端。設置熱敏電阻溫度探頭以記錄試驗過程中溫度變化，變形傳感器安置在試樣頂部以記錄軸向變形，樣品剖面溫度及軸向變形定時自動采集，試驗結束繼續測定樣品的含水率、密度等參數。試樣凍結時間為72 h。使試樣在72 h內由0℃按每小時降低2℃速率降至預先設定凍結溫度后停止降溫，保持恒定的冷端溫度直至凍脹停止。若72 h后試樣內部溫度梯度未達到恒定，且凍脹變形持續增加，則需繼續進行試驗直至凍脹變形穩定才終止試驗。在整個凍脹試驗過程中實時采集試樣內部溫度和頂端位移。

表2 不同試驗方案樣品參數

2 試驗結果分析

2.1 路基基床A、B組填料含水率與凍脹率

凍脹源于土體凍結過程中內部水的遷移和凝結。試驗測得不同含水率時填料的凍脹率見表3，可見該A、B組填料在相同凍結溫度(－40℃)和相同細粒含量(5%)時，隨含水率的增大凍脹率隨之增大。這是因為土體在凍結過程中水結冰膨脹，推動土顆粒重新排列進而增大了土體孔隙，土體中含水越多，水凝結成冰后膨脹體積越大，土體的凍脹量也越大。

表3 不同含水率時填料的凍脹率

土樣含水率7%，9%時的凍脹率分別達到1.54%，2.82%，均超出高速鐵路對季節性凍土區域粗粒土填料平均凍脹率不大于1%的規定，說明該填料在含水率充分且凍結溫度較低時會出現凍脹問題。建議對季節性凍土區域粗顆粒土在細粒含量＜15%的情況下仍要通過室內凍脹試驗確定其凍脹性。

2.2 路基基床A、B組填料細粒含量與凍脹率

保持相同的含水率(5%)進行凍脹試驗，當粗顆粒土中含有細顆粒時，增加了薄膜水的含量和連續性，細粒含量越大粗顆粒土就越容易發生凍脹問題。不同細顆粒含量時填料凍脹率試驗結果見表4。可見隨著土樣中細粒含量的增加，填料的凍脹率也隨著增加，但凍脹率增加速率在減少，說明粗粒土填料中細粒含量達到一定數值在含水充分時會加劇凍脹。

表4 不同細粒含量時填料的凍脹率

2.3 路基基床A、B組填料凍結溫度與凍脹率

在相同細粒含量(5%)下選取不同含水率進行不同凍結溫度的凍脹率試驗，結果見表5及圖1。

表5 不同凍結溫度時填料的凍脹率

圖1 相同細粒含量(5%)不同凍脹溫度下填料凍脹率隨含水率變化曲線

土樣由常溫降低到－5℃時，凍脹變化非常明顯，隨著溫度的降低，凍脹發展趨于緩慢，溫度降低到－20℃時，凍脹率變化不甚明顯，凍脹率增加的速率逐漸減少。這是由于土顆粒中存在結合水、毛細水和自由水，其冰點各不相同。土樣由常溫降低到－5℃時，土顆粒中的自由水和毛細水基本都會結成冰，這兩種水在土中含量占大多數，所以凍脹比較明顯。隨著溫度的不斷降低，自由水和毛細水都已大部分結冰，以后凍脹緩慢。－20℃以后，土顆粒中只有結合水是未凍脹水，僅有少部分結冰，所以凍脹趨于不明顯。

3 結論

1)所研究的路基基床A、B組填料土樣凍脹率與含水率關系明顯，凍脹率隨著土體含水率增大而增大。該填料細顆粒含量＜15%時在含水充分且凍結溫度較低時測得的平均凍脹率＞1%，超出規范規定。因此建議季節性凍土區域粗顆粒土在細粒含量＜15%的情況下，仍要進行室內凍脹試驗確定其凍脹性。

2)在保持含水率和凍結溫度不變的情況下，隨著土樣中細粒含量的增多，凍脹率隨之增大，凍脹率的增長率逐漸變小。

3)土樣由常溫降低到－5℃時，凍脹率變化非常明顯;隨著溫度的進一步降低，凍脹發展趨于緩慢;溫度降低到－20℃時，凍脹率變化不甚明顯，凍脹率增加的速率逐漸減少。

[1]陳肖伯，劉建坤，劉鴻緒，等.土的凍結作用與地基[M].北京:科學出版社，2006.

[2]鐘敏輝，王少斌.季節性凍土路基凍脹性分析及治理措施[J].鐵道建筑，2009(4):96-98.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB 10102—2010 鐵路工程土工試驗規程[S].北京:中國鐵道出版社，2011.

[4]田亞護，溫立光，劉建坤.季節凍土區鐵路路基變形監測及凍害原因分析[J].鐵道建筑，2010(7):104-107.

[5]徐學祖，王家澄，張立新.凍土物理學[M].北京:科學出版社，2001.