高速鐵路路基微凍脹填料凍脹規律研究

杜曉燕，葉陽升，張千里，王昊

（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；3.中國鐵道科學研究院，北京100081）

高速鐵路路基微凍脹填料凍脹規律研究

杜曉燕1，葉陽升2，張千里2，王昊3

（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；3.中國鐵道科學研究院，北京100081）

高速鐵路對路基凍脹變形控制要求極高，傳統意義上的不凍脹填料的微凍脹已經不能忽略，由此產生了一系列新的問題。針對季節性凍土地區路基凍脹對高速鐵路軌道平順性的影響問題，通過數值模型計算與理論分析相結合的研究方法，得到了微凍脹填料的外部約束制約凍脹而內部約束對凍脹影響不大的規律，深化了對高速鐵路路基填料凍脹機理的認識。

微凍脹；填料骨架；填充料；凍脹規律

國內外對土體凍脹開展了大量研究。關于土的凍脹以及凍土在凍結、凍融狀態下力學特性的研究，絕大部分局限于發生較大凍脹變形和產生嚴重凍害的凍脹敏感性土［1-5］。對于凍脹率＜1%的微凍脹土，由于其具有壓實性能好、填筑密度高、抗變形能力強等優良的物理力學性質，已在我國土木工程建設中得到了廣泛應用［6-10］?！陡咚勹F路設計規范》（TB 10621—2014）［11］規定：基床底層范圍采用A，B組填料或改良土，基床以下路堤可選用A，B組填料或C組碎石、礫石類填料。其凍脹率對于工民建、公路等一般建（構）筑物來說可忽略，可作為非凍脹性填料使用，但對高速鐵路而言路基凍脹產生的不均勻沉降已不能滿足軌道結構高平順性的要求。目前關于土的凍脹機理及模型的研究主要針對細顆粒含量較高的凍脹敏感性土，相關的界限劃分及凍脹規律的研究也主要集中于此。高速鐵路大量采用低細顆粒含量粗粒土，由于其凍脹系數＜1，在以往的研究中屬于不凍脹土，且由于細顆粒含量低，該填料內沒有連續的薄膜水及水分遷移通道。因此，相關的機理不再適用于此類填料，并且對這類微凍脹填料的凍脹特性及規律研究較少。

1　熱力學分析

本文的數值計算程序為顆粒流程序（Particle Flow Code，PFC），其理論基礎是Cundall（1979）提出的離散單元法［12］，以圓盤（2D）或球形顆粒（3D）為計算單元，采用有限差分法迭代計算每個顆粒的運動及顆粒之間的相互作用，并在PFC程序中實現模擬顆粒材料的力學特性。試驗材料宏觀與細觀力學參數的關系見圖1，計算循環過程見圖2。

圖1　宏觀與細觀力學參數的關系

圖2　計算循環過程

2　微凍脹填料物理力學參數研究

顆粒流模型的細觀參數一般不能直接簡單地與材料一系列的宏觀物理力學參數聯系。本文通過對土體進行平面應變數值試驗，采用適當的接觸本構模型，運用數值伺服機理調節控制應力加載和圍壓應力，分析土體顆粒間的摩擦系數、接觸強度等細觀參數的變化對宏觀參數的影響，建立宏細觀參數的聯系，最終確定目標微凍脹填料的細觀參數。標定試驗的細觀參數與宏觀參數關系為

式中：φ為土體的內摩擦角；c為土體的黏聚力；En為顆粒間的接觸變形模量；t為顆粒圓盤的厚度，一般情況系統默認為1；kn，ks分別為顆粒的法向剛度和切向剛度；f為顆粒的摩擦系數。

微凍脹填料物理力學參數見表1。

表1　微凍脹填料物理力學參數

根據數值模擬步驟，對于細觀參數分別取4組，進行平面應變數值試驗。不同細觀參數組合標定的微凍脹填料骨架顆粒摩擦系數見表2。骨架顆粒剛度kn和ks取2×106N/m，填充料剛度kn和ks取2×105N/m。

表2　微凍脹填料骨架顆粒摩擦系數

3　微凍脹填料外部約束研究

3.1微凍脹填料凍脹外部約束模型

數值模型采用室內試驗模型，試樣高度150 mm，直徑150 mm，并設置不同的上覆荷載。

土凍脹模擬過程：①球顆粒在9.80 m/s2的重力加速度作用下下落，直到達到靜力平衡；②將逐級遞增的溫度施加到容器底壁上。數值試樣采用從底端按從0℃開始，每級遞增1℃直至10℃，然后每級遞增15℃直至60℃升溫膨脹，用顆粒升溫膨脹模擬水分降溫凍脹，當所有的球溫度均達到每級設定溫度時繼續傳遞熱量直到最終溫度并設置嚴格的收斂條件。模擬結束后試樣如圖3所示。

3.2微凍脹填料外部壓力與凍脹的關系

增加外部荷載對土體凍脹產生顯著的抑制作用。這是由于外部附加壓力增加，增大了土顆粒間的接觸應力，降低了土中冰的凍結點及初始含水量，并且抑制了水分的遷移，使土中水的液、固態轉換受到影響。在研究不同上覆荷載條件下填充料膨脹量和微凍脹填料膨脹量之間的關系時，微凍脹填料的填充料含量取7%，骨架顆粒摩擦系數取0.31，上部荷載取5，10，20，40，60和142 kN。

模擬結果表明，當混合料顆粒間摩擦系數一定時，隨著微凍脹填料顆粒外部荷載的增加，其顆粒間力鏈更發達，更均衡。究其原因是外部約束越大，骨架顆粒間的填充料顆粒才能更好地被擠壓入骨架孔隙中，混合料顆粒能達到更好的壓密效果，對力鏈的貢獻亦較大。一般情況下，微凍脹填料的膨脹隨著外部約束增加而減少，外部約束的增大會壓密微凍脹填料，然后致使混合料宏觀上膨脹量減少。隨著填充料膨脹量的增加，上覆荷載越大試樣頂面上升越小，證明上覆荷載對微凍脹填料有抑制作用。

填充料含量7%時微凍脹填料不同溫度下混合料體積膨脹率與外部約束作用的關系曲線見圖4?；旌狭瞎羌苣Σ料禂稻鶠?.31。圖4中1～9系列分別對應10，15，30，45，60，75，90，105和120℃溫度條件。

圖3　顆粒離散元計算模型模擬結束后試樣

圖4　不同溫度下混合料體積膨脹率與外部約束的關系曲線

由圖4可知，隨著外部約束的增加，微凍脹填料膨脹呈減少趨勢。荷載較小時膨脹率隨荷載的增加呈非線性減少并收斂于某一值。在同一外部約束作用下，溫度越高混合料膨脹率越大。這主要是因為外部荷載制約微凍脹填料膨脹。

4　微凍脹填料內部約束研究

4.1微凍脹填料凍脹內部約束模型

在研究微凍脹填料凍脹過程中內部約束的影響時，取各粒組顆粒平均粒徑與外部約束分析時相同，同時賦予顆粒重力加速度。重新設定微凍脹填料骨架的摩擦系數，填充料組的微小摩擦系數設為0.01。填充料含量取10%。

4.2微凍脹填料骨架顆粒強度與凍脹的關系

當微凍脹填料混合料為礫石時，摩擦角相對較??；而當混合料為碎石時，其摩擦角相對較大。本文分析不同的摩擦系數情況下填充料膨脹與微凍脹填料膨脹之間的關系。微凍脹填料摩擦角分別取10°，15°，20°，25°，30°，35°和40°（填充料含量為5%）。當混合料顆粒間摩擦系數較大時，試樣壓實程度大，因為此時顆粒間摩擦角較大，試樣能達到更好的密實效果。隨著微凍脹填料顆粒摩擦系數的增加，其顆粒間的力鏈更發達，更均衡。

一般情況下，微凍脹填料的膨脹隨著填充料含量增加而增大，填充料膨脹先填滿孔隙，然后再致使混合料膨脹。特別是當填充料膨脹到剛好填滿混合料骨架孔隙時，此時盡管填充料繼續膨脹，微凍脹填料宏觀上并沒有膨脹，主要是因為微凍脹填料骨架強度和試樣頂部荷載對填充料的膨脹有約束作用，抑制了其膨脹。隨著填充料繼續膨脹，由于混合料對其約束力為固定值，填充料將沖破骨架，混合料此后也隨之膨脹，試樣頂面抬升。填充料含量5%不同摩擦系數情況下，微凍脹填料混合料膨脹量與骨架顆粒填充料膨脹量的關系見圖5。

圖5　不同摩擦系數混合料膨脹量與填充料膨脹量的關系

相同壓力時，填充料在膨脹過程中混合料密度與摩擦系數的關系曲線見圖6。序列1～18表示試樣從0℃開始，分別按每級遞增1℃直至10℃，然后按每級遞增15℃直至120℃升溫膨脹，模擬不同的填充料膨脹量時微凍脹填料的膨脹情況。

在微凍脹填料平衡過程中，隨著摩擦系數的增大，混合料密度減小。主要原因是混合料在重力平衡時，骨架顆粒強度會阻止混合料密實。而在填充料膨脹過程中，微凍脹填料骨架顆粒摩擦系數越大，混合料密度越大。因為在填充料膨脹過程中，骨架顆粒強度會約束顆粒運動，這樣混合料就會隨著填充料的膨脹而變得密實。相對于某一骨架顆粒摩擦系數，溫度越高混合料密度越小。主要原因是升溫時顆?；顒蛹觿?，更加不利于混合料的密實。在填充料膨脹量極小時密度隨摩擦系數的增大略有增大，但這部分膨脹量極小，不影響整個宏觀膨脹。以上分析說明在填充料含量5%情況下填充料膨脹主要是充填骨架孔隙。

圖6　混合料密度與摩擦系數的關系曲線

5　結論

1）采用顆粒流離散元軟件對微凍脹填料凍脹模型宏觀參數進行了細觀標定，分析土體顆粒間的摩擦系數、接觸強度等細觀參數的變化對宏觀參數的影響，建立宏觀與細觀參數的聯系，最終確定了目標微凍脹填料的細觀參數。

2）一般微凍脹填料的膨脹量隨著外部約束增加而減少，外部約束的增大會壓密微凍脹填料，致使混合料宏觀上膨脹量減少。小荷載時膨脹隨荷載的增加非線性減少，并收斂于某一值。在同一外部約束作用下，溫度越高混合料膨脹量越大。

3）在微凍脹填料平衡過程中，混合料密度隨著摩擦系數的增大而減??；而在填充料膨脹過程中，混合料密度隨混合料骨架顆粒摩擦系數增大而增大。相對于某一骨架顆粒摩擦系數，混合料密度隨溫度升高而增大，因此骨架摩擦力不是影響微凍脹填料凍脹量的主要因素。

［1］周幼吾，郭東信，邱國慶，等.中國凍土［M］.北京：科學出版社，2000.

［2］霍凱成，黃繼業，羅國榮.路基凍脹機制及凍害防范整治措施探討［J］.巖石力學與工程學報，2002，21（7）：1099-1103.

［3］趙安平.季凍區路基土凍脹的微觀機理研究［D］.長春：吉林大學，2008.

［4］趙洪勇，閆宏業，張千里，等.季節性凍土區路基基床粗顆粒土填料凍脹特性研究［J］.鐵道建筑，2014（7）：92-94.

［5］杜曉燕，葉陽升，張千里，等.關于季節性凍土地區高速鐵路防凍脹填料的建議［J］.鐵道建筑，2016（1）：43-46.

［6］田亞護，劉建坤，彭麗云.動靜荷載作用下細粒土的凍脹特性實驗研究［J］.巖土工程學報，2010，32（12）：1882-1887.

［7］BESKOW G.Soil Freezing and Frost Heaving with Special Application to Roads and Railroads［J］.Swedish Geological Survey Yearbook，1935，26（3）：375-380.

［8］周神根，楊春環，鄧安雄，等.高速鐵路路基設計技術條件研究［R］.北京：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，1995.

［9］李向群.吉林省公路凍害原因分析及處理方法研究［D］.長春：吉林大學，2006.

［10］馬祖羅夫（蘇）.凍土物理力學性質［M］.伍期建，梁惠生，譯.北京：煤炭工業出版社，1980.

［11］中華人民共和國鐵道部.TB 10621—2014高速鐵路設計規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2014.

［12］CUNDALL P A.PFC3D Users'Manual［M］.Minnesota：Itasca Consulting Group Inc，2004.

Study on Frost Heaving Law of Filling Featuring Micro Frost Heaving for High Speed Railway Subgrade

DU Xiaoyan1，YE Yangsheng2，ZHANG Qianli2，WANG Hao3
（1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2.State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China；3.China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

T he frost heaving deformation of high speed railway subgrade is seriously controlled.T he micro frost heaving of traditional subgrade non-frost heaving filling cannot be neglected，which results a series of new problems. Focusing on the effect of subgrade frost heaving on track smoothness of high speed railway in seasonal frozen soil area，and combing the research method of numerical model calculation and theoretical analysis，the frost heaving law was obtained that external constraint of micro-frost heave filling restricts frost heave，and internal constraint has a little influence on frost heave.T he results deep the understanding on frost heaving mechanism of high speed railway subgrade.

M icro frost heaving；Filling skeleton；Filling material；Frost heave law

U213.1+4

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.21

1003-1995（2016）09-0082-04

（責任審編李付軍）

2016-04-30；

2016-05-13

中國鐵道科學研究院基金（2015YJ038）

杜曉燕（1980—），女，助理研究員，博士。