蘭新高鐵粗顆粒土填料凍脹性試驗研究

楊有海，沈 鑫，朱生憲，高以健

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.河西學(xué)院 土木工程學(xué)院，甘肅 張掖 734000；3.蘭州鐵路局，甘肅 蘭州 730000)

蘭新高速鐵路地處西北寒區(qū)，沿線大多地段冬季非常寒冷，最冷時氣溫達(dá)到零下30 ℃。在雨(雪)水入滲、毛細(xì)水上升或地下水位變化、低溫凍結(jié)作用下路基會發(fā)生凍脹變形，將影響軌道結(jié)構(gòu)的平順性及高速列車的正常運行。蘭新高鐵在甘肅河西走廊、新疆境內(nèi)大范圍穿越祁連山及天山山前沖洪積平原與戈壁地區(qū)，主要以路基形式通過。這些地區(qū)因自然條件極為嚴(yán)酷，控制路基凍脹變形和沉降變形已經(jīng)成為該高速鐵路路基的關(guān)鍵技術(shù)問題。鐵路線路由有砟軌道發(fā)展到無砟軌道，原來對有砟軌道下路基凍害的評價標(biāo)準(zhǔn)及方法、整治措施已不適合無砟軌道路基。因此，對無砟軌道下路基填料的凍脹性評價標(biāo)準(zhǔn)、凍害防治需要進(jìn)行研究。

基于已建成的哈大、哈齊、津秦等客運專線，研究人員對高鐵路基粗顆粒土填料的凍脹特性進(jìn)行了一系列的研究。李安原等[1]以哈大高鐵為例，在分類梳理有關(guān)粗顆粒土凍脹特性研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，重點論述了影響粗顆粒土凍脹特性的細(xì)顆粒含量、水分特征及溫度狀況3個關(guān)鍵因素。石剛強(qiáng)等[2]針對哈大客運專線的路基凍脹，著重研究了細(xì)顆粒含量和含水率對粗粒土凍脹量的影響。吳鎮(zhèn)等[3]以哈齊客運專線細(xì)圓礫土路基填料為研究對象，自制凍結(jié)溫度試驗裝置測定了細(xì)圓礫土冷卻與凍結(jié)過程。汪錫銘[4]結(jié)合設(shè)計資料概括總結(jié)了路基防凍脹技術(shù)控制措施，依據(jù)相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)重點明確了非凍脹A，B組填料的主要控制指標(biāo)。王天亮、岳祖潤[5]同時考慮凍脹率和擊實效果兩種情況下最大細(xì)粒土含量，通過葡氏擊實和凍脹試驗，研究了不同細(xì)粒土含量、不同干密度條件下細(xì)圓礫土填料的凍脹特性。劉煥強(qiáng)等[6]研究了天津至秦皇島客運專線的路基凍脹，得出在路基基床底層用60 cm厚細(xì)顆粒含量小于15%的碎石土可以有效防止凍脹。趙洪勇、閆宏業(yè)、張千里等[7]選取東北某客運專線路基基床底層A和B組填料作為試驗土樣，通過不同含水率、不同細(xì)粒含量、不同凍結(jié)溫度條件下的凍脹試驗，研究各參數(shù)對凍脹率的影響。姜龍、王連俊等[8]對不同含泥量(細(xì)粒成分)的砂類土在不同含水量、飽和度和密實度狀態(tài)下進(jìn)行了一系列閉式凍脹模擬試驗，用數(shù)理統(tǒng)計方法分別研究了不同含泥量砂類土的凍脹率隨含水量的變化規(guī)律，提出以含泥量C≤3%，3%

對于粗顆粒土的分類，王正秋[10]通過以0.05 mm顆粒含量、天然含水量、凍結(jié)期間地下水低于凍深的最小距離為指標(biāo)對粗粒土的凍脹性進(jìn)行分類。王仲錦、張千里、葉陽升[11]通過對影響填料工程性能因素的分析，并結(jié)合工程實踐，提出填料分類分組的建議方案：在巨粒土和粗粒土中，細(xì)粒含量按5%，15%和30%分界。葉陽升等[12]在分析路基的凍脹特性、影響路基凍脹的因素、路基凍害整治中存在的問題的基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)外地基土的凍脹性分類，并結(jié)合鐵路路基填料分類的特點、鐵路線路凍脹限值和維修標(biāo)準(zhǔn)，提出路基填料凍脹性分類方案：以各類土的細(xì)粒含量、凍前含水量和凍脹高度為指標(biāo)，進(jìn)行凍脹敏感性和凍脹等級兩級分類。

對于位于西北寒區(qū)粗顆粒土填料的凍脹特性，李育宏等[13]分析蘭新鐵路提速區(qū)段道床凍害機(jī)理，結(jié)合室內(nèi)凍脹試驗，認(rèn)為蘭新線提速區(qū)段道床凍害主要影響因素是含泥量和含水率，為有砟軌道的凍害整治提供了依據(jù)。郭彥榮等[14]通過不同含水率、壓實度和外部荷載的封閉系統(tǒng)凍脹試驗，研究了蘭新鐵路路基土凍脹特性，基于試驗分析提出了適用于蘭新鐵路的凍害防治措施是排水和隔水。

雖然對于粗顆粒土路基填料的凍脹特性目前已經(jīng)有了一定的研究，但是由于各地區(qū)土質(zhì)形成條件差異較大，且蘭新高鐵沿線路基填料種類較多，顆粒組成不同，故對戈壁地區(qū)不同粗粒土填料的凍脹特性進(jìn)行試驗研究將有助于該線路基工程設(shè)計及凍害防治與整治技術(shù)選擇，并為該地區(qū)同類工程建造提供借鑒與參考。

1 試 驗

本試驗研究不同細(xì)顆粒含量、不同含水率、不同壓實度下土體的凍脹特性。

試驗用土取自蘭新高鐵4個取土場路基填料。按照TB 10102—2004《鐵路工程土工試驗規(guī)程》[15]規(guī)定的方法，由室內(nèi)試驗測得的該4種填料基本物理指標(biāo)見表1,表中填料按照TB 1001—2005《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》分類。

表1 土樣基本物理力學(xué)指標(biāo)

凍脹試驗的試樣制備及試驗方法按照GB/T 50123—1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，凍融循環(huán)試驗箱采用XT5405高低溫凍融循環(huán)試驗箱。

土體中水分是決定凍脹的主要因素之一。路基土體中的水分在凍脹過程中，如果考慮凍結(jié)期間有充足的水源補(bǔ)給，則屬于開放系統(tǒng)下的凍脹；如果路基土體中水分沒有外界水源補(bǔ)給，則屬于封閉系統(tǒng)下的凍脹。試驗采用開放系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)兩種不同的方法進(jìn)行。

(1)封閉系統(tǒng)，無水源補(bǔ)給。每一組試驗填料的含水率分別取為最優(yōu)含水率wopt、中間含水率wm(介于wopt與wst之間)、飽和含水率wst。具體試驗方案見表2。

(2)開放系統(tǒng)，即土樣下端面有一恒定水位的補(bǔ)給水源。填料的初始含水率為最優(yōu)含水率wopt。具體試驗方案見表3。

表2 封閉系統(tǒng)下填料凍脹特性試驗方案

表3 開放系統(tǒng)下填料凍脹特性試驗方案

2 試驗結(jié)果分析

按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》規(guī)定，填料的室內(nèi)凍脹試驗采用凍脹率衡量凍脹的程度。凍脹率為總凍脹量與凍結(jié)深度比值，其計算公式為

式中：η為凍脹率，以百分?jǐn)?shù)計； Δh為凍脹量，mm;H為產(chǎn)生Δh凍脹量時相應(yīng)的凍土層厚度，室內(nèi)凍脹試驗中采用的試驗試樣高度為80 mm。

2.1 封閉系統(tǒng)下粗顆粒填料凍脹試驗結(jié)果

圖1—圖4給出了4個取土場路基填料在不同含水率下的凍脹率隨時間變化曲線。

圖1 不同初始含水率下凍脹率隨時間變化曲線(取土場1)

圖2 不同初始含水率下凍脹率隨時間變化曲線(取土場2)

從圖1—圖4可以看出：同一種填料的含水率不同，則凍脹率也不同，在最優(yōu)含水率下凍脹率較小，隨著含水率增大，則凍脹率越大，表明含有細(xì)顆粒的粗顆粒填料在凍結(jié)時含水率對凍脹率有明顯影響，所以設(shè)法控制路基冬季凍結(jié)層中的含水率對防凍害是很有效的措施；4種填料細(xì)顆粒含量不同，凍脹率也不同，總體上細(xì)顆粒含量越多則凍脹率越大；在封閉系統(tǒng)下4種含有細(xì)顆粒的飽和密實粗顆粒填料的凍脹率均大于1.0%。由此得知，含有細(xì)顆粒的路基工程填料，當(dāng)其含水率較高時，在負(fù)溫作用下發(fā)生凍結(jié)，會產(chǎn)生較大的凍脹量。

圖3 不同初始含水率下凍脹率隨時間變化曲線(取土場3)

圖4 不同初始含水率下凍脹率隨時間變化曲線(取土場4)

因此，在寒區(qū)高速鐵路路基填筑中，應(yīng)該嚴(yán)格控制A，B組填料中的細(xì)顆粒含量和路基土體含水率，尤其是低路堤、零斷面換填路基、路塹；也可對填料進(jìn)行水泥改良，改變含有細(xì)顆粒的粗顆粒填料凍脹性[16]；當(dāng)該地區(qū)降雨量較大，雨水會沿著路基面封閉層開裂部位、路基邊坡、護(hù)道等滲入路基本體時，或者地下水位較高、路基周圍有灌渠存在時，要給予高度重視。

文獻(xiàn)[1]認(rèn)為影響粗顆粒土凍脹特性的幾個關(guān)鍵因素為細(xì)顆粒含量、水分特征及溫度狀況。文獻(xiàn)[2]對細(xì)顆粒含量在6.1%～13.4%的5種試驗土料進(jìn)行凍脹試驗，得出當(dāng)含水率超過最佳含水率后，凍脹率最大值可以達(dá)到3%～4%。文獻(xiàn)[5]試驗得出細(xì)顆粒含量在5%時的凍脹率為0.6%，細(xì)顆粒含量達(dá)到10%時凍脹率超過1.0%。文獻(xiàn)[7]對路基基床A、B組填料在不同含水率、細(xì)粒含量、凍結(jié)溫度下的凍脹特性進(jìn)行了系統(tǒng)試驗，得出：土樣含水率分別為7%和9%時的凍脹率分別達(dá)到1.54%和2.82%，均超出高速鐵路對季節(jié)性凍土地區(qū)粗粒土填料平均凍脹率不大于1%的規(guī)定；建議對季節(jié)性凍土區(qū)域粗顆粒土在細(xì)顆粒含量小于15%的情況下仍然要通過室內(nèi)凍脹試驗確定其凍脹性；在保持含水率5%下進(jìn)行凍脹試驗，細(xì)料含量分別為3%，5%和7%時的凍脹率分別為0.42%，0.96%和1.12%等，說明粗顆粒填料中細(xì)粒含量達(dá)到一定數(shù)值在含水充分時會加劇凍脹，這些結(jié)果與本文試驗結(jié)果基本相同。

傳統(tǒng)意義上的填料凍脹性分類系按照平均凍脹率小于等于1%作為不凍脹性填料，這個分類標(biāo)準(zhǔn)對于普速鐵路路基而言是適合的，但近幾年的研究及工程實踐表明，該分類標(biāo)準(zhǔn)不適合高速鐵路路基填料凍脹性分類。文獻(xiàn)[16]認(rèn)為對于高速鐵路改良粗顆粒填料而言，以凍脹率不超過0.1%作為控制標(biāo)準(zhǔn)。哈大鐵路客運專線建造中當(dāng)時曾對路基填料選擇做出如下規(guī)定：“防凍層選用小于0.075 mm細(xì)粒含量小于15%，平均凍脹率小于等于1%且級配良好的非凍脹性A，B組填料。基床底層采用A、B組填料，粒徑宜控制在6 cm以內(nèi)；基床以下路基優(yōu)選A，B組填料?！钡摼€在投入運營后從路基縫隙、邊坡滲入的水分仍使其局部地段路基出現(xiàn)了凍脹。蘭新高鐵浩門至張掖西區(qū)間路基設(shè)計中，要求路基基床底層選擇A，B組填料，基床以下部分可選擇C組填料中的粗顆粒土，但由于其細(xì)顆粒含量較大，加之該段路基處于高海拔地區(qū)(平均海拔在2 800 m以上，最高海拔為3 608 m)，降雨量相對較大且有地下水存在，冬季氣候十分寒冷地段，路基凍結(jié)深度大，造成部分區(qū)段路基發(fā)生凍脹，影響了線路平順性及列車運行，冬季養(yǎng)護(hù)維修工作量大。

2.2 開放系統(tǒng)下粗顆粒填料凍脹試驗結(jié)果

圖5—圖8給出了不同細(xì)顆粒含量、不同壓實系數(shù)(K=0.87，0.91，0.93和0.95)的粗顆粒填料凍脹試驗結(jié)果，試驗中所有試樣的初始含水率均為其最優(yōu)含水率。

圖5 取土場1填料在開放系統(tǒng)下的凍脹率隨時間的變化曲線(初始含水率w=8.9%)

圖6 取土場2填料在開放系統(tǒng)下的凍脹率隨時間的變化曲線(初始含水率w=7.0%)

圖7 取土場3填料在開放系統(tǒng)下的凍脹率隨時間的變化曲線(初始含水率w=6.3%)

圖8 取土場4填料在開放系統(tǒng)下的凍脹率隨時間的變化曲線(初始含水率w=6.0%)

與封閉系統(tǒng)下相比，相同初始含水率、相同細(xì)顆粒含量填料在開放系統(tǒng)下的凍脹率要遠(yuǎn)大于封閉系統(tǒng)下的凍脹率，其值均大于3%；細(xì)顆粒含量越多的試樣凍脹率越大；同一種填料壓實系數(shù)越大，則凍脹率越小。因此，在地下水位較高或者凍結(jié)過程中有水分補(bǔ)給時含有細(xì)顆粒的粗顆粒填料凍脹率較大；路基工程中解決好水的作用問題是路基防凍害首先選擇的主要措施。路基防排水措施除了目前采用的排水設(shè)施、路基表面設(shè)置封閉層之外，防止雨(雪、冰)水從封閉層接縫、路基邊坡、排水溝或側(cè)溝等滲入路基本體也是應(yīng)該研究解決的重要問題；若路基低矮或為路塹形式，有地下水存在且水位較高，以及路基周圍有農(nóng)田灌溉等情況時，設(shè)計中必須考慮采取措施，降低地下水位在凍結(jié)深度線以下；設(shè)置防滲隔斷措施，防止毛細(xì)水上升、凍結(jié)中水分遷移、農(nóng)田灌溉水滲入路基等造成凍害；設(shè)計凍結(jié)深度內(nèi)換填水泥改良粗顆粒填料[16]。

3 結(jié)論及建議

(1)路基工程粗顆粒填料A，B組中若有細(xì)顆粒存在，則凍結(jié)時可能會發(fā)生不同程度的凍脹；凍脹率的大小取決于土中細(xì)顆粒含量及凍結(jié)前的初始含水率或凍結(jié)過程中水分補(bǔ)給；同一種填料初始含水率不同，則凍脹率不同；封閉系統(tǒng)下含水率低于最優(yōu)含水率時，填料的凍脹率均較??；處于飽和狀態(tài)時填料的凍脹率可達(dá)1.1%～2.2%，其填筑的路基在冬季發(fā)生凍結(jié)時所產(chǎn)生的凍脹量可能會超過無砟軌道高低偏差管理值，造成路基凍害，影響軌面的平順性。

(2)細(xì)顆粒含量是影響路基粗顆粒填料發(fā)生凍脹的重要原因，填料的凍脹率隨細(xì)顆粒含量的增加而增加；降雨量較大、冬季氣候寒冷地區(qū)高速鐵路路基防凍層填料設(shè)計、施工時，應(yīng)該控制填料中細(xì)顆粒含量，尤其是對于低路堤、零斷面換填路基、路塹等地段要嚴(yán)加控制；需要時可以填筑水泥改良粗顆粒填料。

(3)開放系統(tǒng)試驗條件下的凍脹率遠(yuǎn)大于封閉系統(tǒng)下的數(shù)值，其值均大于3%，范圍在3.65%～7.45%；細(xì)顆粒含量越多的試樣凍脹率越大；同一種填料壓實系數(shù)越大，凍脹率越小。

(4)高速鐵路路基工程中做好防排水是路基防凍害首先選擇的主要措施。除了目前普遍采用的排水設(shè)施、路基表面設(shè)置封閉層之外，防止雨(雪、冰)水從封閉層接縫、路基邊坡、排水溝或側(cè)溝等滲入路基本體也是應(yīng)該研究解決的重要問題。若路基低矮或為路塹形式，有地下水存在且水位較高，以及路基周圍有農(nóng)田灌溉等情況時，設(shè)計中必須考慮采取措施，降低地下水位在凍結(jié)深度線以下，設(shè)置防滲隔斷措施，防止毛細(xì)水上升、凍結(jié)中水分遷移、農(nóng)田灌溉水滲入路基等造成凍害。

綜上所述，在寒區(qū)高速鐵路路基建造中，應(yīng)該從路基結(jié)構(gòu)形式、防凍層設(shè)計、控制粗顆粒填料中的細(xì)顆粒含量、做好路基防排水等方面出發(fā)，兼顧各種影響因素，采取綜合措施防止路基發(fā)生凍害，為線路軌道結(jié)構(gòu)提高穩(wěn)定、平順的基礎(chǔ)。

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