摻煤矸石高速鐵路路基填料凍脹特性試驗研究

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(1.北京工業(yè)大學 建筑工程學院，北京 100124；2.哈爾濱工業(yè)大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090)

煤矸石是煤炭的一種共伴生礦物，在煤炭開采和洗選加工過程中產(chǎn)生，因難以利用而成為一種工業(yè)固體廢棄物。我國是全球煤炭開采量最大的國家，煤矸石累積堆存量達到50億t，成為我國積存量和年增量最大、占用場地最多的工業(yè)廢棄物，帶來了嚴重的環(huán)境問題和經(jīng)濟負擔[1]，在黑龍江等產(chǎn)煤大省此問題更為突出。國外許多工程建設中已經(jīng)開始將煤矸石作為一種土工材料使用[2]；我國道路工程中應用煤矸石的實例也隨著交通建設的推進逐漸增多[3-4]。相關研究和工程實踐表明，在道路建設中用煤矸石作為路基填料，其強度完全滿足路基設計要求[5]。同時我國高速鐵路尤其是季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路，如哈牡、哈佳鐵路的建設，目前正處于快速發(fā)展時期，探究煤矸石在季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基工程中的應用可行性，具有切實的意義。在鐵路路基修筑中利用煤矸石的相關研究和工程實踐表明摻煤矸石填料的強度可以滿足鐵路路基修筑的要求[6-7]。考慮到季節(jié)性凍土區(qū)的特殊環(huán)境，摻煤矸石填料的凍脹特性是影響煤矸石應用可行性的重要因素，具有重要的研究價值。

針對寒區(qū)工程中的土體與路基凍脹問題，國內(nèi)學者進行了一系列的研究。通常認為粗粒土是凍脹不敏感材料[8-9]，廣泛用于路基工程。然而大量路基凍害表明，在一定條件下粗粒土也可能發(fā)生明顯的凍脹，對路基等線性工程構(gòu)成直接危害。相關研究表明，土質(zhì)、水分、溫度是造成粗粒土凍脹的主要因素。Chamberlain[10]運用統(tǒng)計學的研究方法，對粗粒土凍脹性能進行了評價分類，指出粗粒土的級配是影響其凍脹特性的重要因素。葉陽升等[11]根據(jù)鐵路工程建設實際對鐵路路基填料的凍脹敏感性分類和路基防凍層的設置進行了研究，提出以細粒土含量、凍前含水率和凍脹高度為指標來表征路基填料的凍脹敏感性。以上研究表明，路基填料的凍脹特性與凍脹量不僅與填料的級配、細粒土含量相關，也受填料溫度傳導特性、吸水特性影響。

本文針對普通填料和摻煤矸石填料(采用煤矸石替代普通填料的相應級配形成)，開展開放系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)的單向凍脹試驗，通過比較2種填料在凍結(jié)過程中溫度傳導、水分遷移、凍脹量的相似性與差異性，分析摻煤矸石填料的凍脹特性，從而探究在凍土區(qū)采用摻煤矸填料作為高速鐵路路基填料的可行性。

1 試驗儀器與填料制備

1.1 單向凍脹儀與新型馬氏補水瓶

圖1 單向凍脹試驗系統(tǒng)示意

試驗使用自行研制的單向凍脹試驗系統(tǒng)，如圖1所示。通過布置相應傳感器和數(shù)據(jù)采集儀，連續(xù)監(jiān)測試驗過程中的溫度、補水量、凍脹量。通過合理設置馬氏補水瓶的高度，為試樣創(chuàng)造無壓補水條件。將馬氏補水瓶與壓差傳感器、數(shù)據(jù)采集儀相組合，形成新式馬氏補水瓶裝置，連續(xù)記錄馬氏補水瓶內(nèi)液面壓力差，推算馬氏補水瓶中水量變化，從而連續(xù)監(jiān)測試樣在凍結(jié)過程中的吸水量。

1.2 煤矸石混合填料制備

天然煤矸石的級配連續(xù)，且主要為較大粒徑的顆粒。煤矸石的強度較小，在施工壓實時較大的顆粒逐漸破碎，小顆粒部分所占的比例增大，級配情況發(fā)生顯著改變，與普通路基填料的級配差別較大。因此煤矸石不能直接用作路基填料，在工程中只采用煤矸石替代普通填料中級配接近的部分。本試驗根據(jù)煤矸石壓實后的級配分布，采用煤矸石替代高速鐵路路基B組填料中的2 mm以下粒組形成的新填料，稱為摻煤矸石填料。普通填料及摻煤矸石填料的級配見圖2。可知，級配曲線變化不大，可以忽略顆粒級配對填料凍脹特性的影響。

圖2 普通填料及摻煤矸石填料級配曲線

圖3 普通填料與摻煤矸石填料的擊實曲線

在凍脹試驗中需要控制填料具有相同的壓實度，以消除路基填筑壓實的質(zhì)量差異對其凍脹特性的影響，因此進行擊實試驗，獲得填料的最優(yōu)含水率和最大干密度，從而控制試驗填料的壓實狀態(tài)。

由于高速鐵路對路基填筑質(zhì)量要求較高，填料擊實試驗采用重型擊實標準。擊實曲線見圖3，得到試驗用普通填料的最優(yōu)含水率為7.3%，最大干密度為2.25 g/cm3；摻煤矸石填料的最優(yōu)含水率為7.6%，最大干密度為2.13 g/cm3。

1.3 試驗流程

首先，根據(jù)預設工況配置具有所需初始含水率的填料試樣;根據(jù)試樣筒大小，稱取在各含水率、壓實度下相應質(zhì)量的填料，分層壓實并沿試樣高度方向每2 cm 布置1個溫度傳感器；調(diào)整馬氏補水瓶高度，使其水頭達到無壓補水需求，關閉補水閥門。然后，將試樣兩端面分別于暖端(試驗儀底座)、冷端(上壓端頭)固定接觸，并布置位移傳感器，打開2臺冷浴，均設定至暖端溫度(+2 ℃)，恒溫6 h以上。通過數(shù)據(jù)采集儀的顯示頁面初步觀察土體各觀測點溫度穩(wěn)定后，進入試樣凍結(jié)過程，將冷端所連接的冷浴溫度設定至所需冷端溫度(-5 ℃)，打開馬氏補水瓶的補水閥門，設定數(shù)據(jù)采集儀進行記錄。凍結(jié)過程持續(xù)72 h后關閉補水閥、數(shù)據(jù)采集儀、冷浴等，導出試驗數(shù)據(jù)，將試樣從試驗儀中取出，分層切片，采用烘干法測定各層含水率。

1.4 工況說明

影響土體凍脹特性的因素很多，包括土質(zhì)、水分、溫度、密實度、外荷載等，其中水分為最重要的因素，原位水凍脹和水分遷移是土體凍脹的主要原因。因此試驗以初始含水率為變量，控制試樣尺寸、溫度、壓實度等其他試驗條件，探究水分對填料凍脹特性的影響。同時通過對比普通填料與摻煤矸石填料的溫度傳導特性、吸水特性、凍脹量，分析2種填料凍脹特性的異同，以探究在季節(jié)性凍土區(qū)使用摻煤矸石填料的可行性。

試驗針對普通填料和摻煤矸石填料，設置相同的溫度和補水條件(冷端-5 ℃、暖端+2 ℃、無壓補水)，初始含水率分別取2種填料的最優(yōu)含水率及其高低各2%差異的2個含水率，形成不同試驗工況。然后根據(jù)試驗結(jié)果和研究需求，補充封閉系統(tǒng)摻煤矸石填料單向凍脹試驗。試驗工況見表1，F(xiàn),M分別表示普通填料和摻煤矸石填料;O,C分別表示無壓補水和不補水條件;1,2,3為3種不同初始含水率的試樣編號;Tw和Tc分別為暖端和冷端溫度。

表1 普通填料與摻煤矸石填料的凍脹特性試驗工況

2 填料凍脹特性分析

2.1 試樣斷面溫度分布

圖4為試樣靠近冷端處溫度在試驗過程中的變化曲線。可知，不同工況下2種填料的降溫趨勢一致，降溫速率接近，最終達到的冷端溫度也基本一致。

圖4 不同工況下冷端降溫曲線

圖5為2種填料在各自最優(yōu)含水率工況下，試樣不同高度處的降溫過程。可知，2種填料在凍結(jié)過程中均存在溫度滯后效應，試樣中溫度沿高度分布的變化速度和溫度梯度分布也基本相同，水分和摻入的煤矸石對填料的溫度傳導均無明顯影響。在凍結(jié)開始時溫度沿試樣高度分布近似為一條直線，各測點溫度都在恒溫溫度附近；隨凍結(jié)過程的進行試樣溫度從暖端到冷端依次降低，并逐漸穩(wěn)定在沿高度依次遞減的斜直線左右，形成穩(wěn)定的溫度梯度；2種填料試樣在不同高度處的降溫速率和溫度梯度都很接近。由此說明，2種填料具有相近的溫度傳導特性。

圖5 不同工況下試樣各點溫度變化

2.2 凍結(jié)深度

從圖5可以看出，凍結(jié)過程穩(wěn)定后，試樣剖面溫度近似呈線性分布，因此凍結(jié)鋒面(對于粗粒土約為0 ℃ 等溫線)穩(wěn)定后的位置主要受冷端、暖端溫度以及試樣高度影響。試樣中溫度的變化過程是影響凍結(jié)深度發(fā)展的主要因素，與溫度變化的趨勢相似。凍結(jié)鋒面在凍結(jié)過程的初期快速向下方推進，然后推進速率逐漸減小并最終處于某一穩(wěn)定狀態(tài)。

普通填料和摻煤矸石填料主要都由粗粒土組成，且試驗工況含水率都較低，因此凍結(jié)溫度近似為0 ℃。對各測點的溫度進行樣條插值，計算凍結(jié)過程中凍結(jié)鋒面的位置，推算出凍結(jié)深度的發(fā)展曲線，見圖6。可以看出，在凍結(jié)初期，由于土體中的溫度梯度較大，凍結(jié)鋒面快速推進，土體凍結(jié)深度增長較快，隨著凍結(jié)過程的不斷進行，溫度梯度不斷減小，試樣中溫度分布趨于穩(wěn)定，凍結(jié)鋒面推進的速度逐漸減小趨于0，凍結(jié)深度增長趨緩并穩(wěn)定在某一數(shù)值。凍結(jié)過程進行12 h左右凍結(jié)深度趨于穩(wěn)定并接近最大值，這與前面從溫度監(jiān)測結(jié)果中所得到的推斷相符。2種填料最終凍結(jié)深度隨初始含水率的變化關系一致，均為先增大后減小，在初始含水率接近最優(yōu)含水率附近時土體的最終凍結(jié)深度最大，而摻煤矸石填料的凍結(jié)深度隨初始含水率變化的差異較小，對工程更有利。

圖6 不同工況下試樣凍結(jié)深度發(fā)展曲線

2.3 水分重分布

圖7 不同工況下試樣補水量變化曲線

圖7為采用新型馬氏補水瓶系統(tǒng)監(jiān)測得到的試樣補水量變化曲線。可以看出，2種填料在凍結(jié)過程中補水量的變化規(guī)律基本一致。從曲線的增長速率可以看出，補水速率可分為初期的快速補水階段(前24 h左右)和后期的穩(wěn)定補水階段。結(jié)合溫度的時程變化可以看出，凍結(jié)初期的水分遷移主要由試樣內(nèi)部的溫度梯度引起；凍結(jié)后期隨著試樣內(nèi)溫度繼續(xù)降低，某些位置的溫度低于土的凍結(jié)溫度，試樣孔隙中開始出現(xiàn)冰晶，形成凍結(jié)緣，凍結(jié)緣對下方未凍區(qū)中的水分產(chǎn)生吸力，使得水分由未凍區(qū)向凍結(jié)緣遷移，試樣補水量持續(xù)緩慢增加。

試驗結(jié)束后將試樣取出，沿高度方向每2 cm切割1片，分別測得每片試樣的含水率，得到其分層含水率分布，見圖8。通過對比圖8(a)與圖8(b)發(fā)現(xiàn)，普通填料與摻煤矸石填料凍結(jié)后試樣中水分沿高度分布規(guī)律相似。在無壓補水條件下，凍結(jié)后土體中的含水率高于土樣的初始含水率，除FO3和MO3試樣在最遠離冷端的位置外，試驗過程中此位置處于未凍區(qū)，表明此處有一定的水分在凍結(jié)吸力的作用下向已凍區(qū)遷移。而不補水條件下的MC3試樣中，最遠離冷端位置含水率降低的現(xiàn)象則更為明顯，說明普通填料和摻煤矸石填料的持水性都很差，對水分的吸附能力弱，凍結(jié)過程中的水分分布特性表現(xiàn)出典型的粗粒土特征。從圖7和圖8可以看出，試樣的初始含水率越小，凍結(jié)過程中試樣吸水越多，凍結(jié)完成后試樣含水率與初始含水率相差越大。

圖8 不同工況下試樣分層含水率分布

此外，從圖8(b)看出，不同初始含水率的摻煤矸石填料凍結(jié)后的水分分布及含水率類似，表明煤矸石的吸水性較好，初始含水率的差異在凍結(jié)過程中被試樣吸水減弱，使得凍結(jié)穩(wěn)定后填料的狀態(tài)受初始含水率的影響較小。這與2.2節(jié)中摻煤矸石填料凍結(jié)深度受初始含水率影響較小的結(jié)果相一致。

2.4 分凝勢分析

Konard等[12]提出了冰透鏡體形成過程中的分凝勢理論，用參數(shù)“分凝勢”表示飽和土體在凍結(jié)過程中的吸水速率，可以近似定量描述飽和土凍結(jié)過程中經(jīng)過凍結(jié)鋒面的水分。非飽和土體在凍結(jié)過程中在凍結(jié)區(qū)和未凍區(qū)均會形成水分遷移通道，發(fā)生持續(xù)的水分遷移，因此Konard[13]針對非飽和土的凍結(jié)過程，提出了拓展的分凝勢(SPw)概念。SPw定義為凍結(jié)區(qū)在凍結(jié)鋒面附近的吸水速率vu與溫度梯度gradTf的比值，即

SPw=vu/gradTf

(1)

式中Tf為凍結(jié)溫度，本試驗中普通填料與摻煤矸石填料均為粗顆粒土，故認為凍結(jié)溫度近似為0 ℃。

SPw中的w用以與傳統(tǒng)飽和土的分凝勢概念相區(qū)分，因為在非飽和土的凍結(jié)過程中，凍結(jié)區(qū)所吸收的水分只有一部分使土體產(chǎn)生凍脹變形，其余部分填入土體未飽和的空隙中，導致凍結(jié)區(qū)含水率提高。

本文針對普通填料和摻煤矸石填料進行了無壓補水條件下的凍脹試驗，利用新式馬氏補水瓶連接壓差傳感器連續(xù)監(jiān)測試樣在凍結(jié)過程中的吸水情況。根據(jù)試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)類型，SPw的計算式為

(2)

式中:Vw為試樣補水量;t為凍結(jié)時間;Hf為凍結(jié)深度;S為試樣橫截面積。

對試驗所得到的補水量(見圖7)和凍結(jié)深度(見圖6)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和計算，得到2種填料在不同工況下的分凝勢曲線見圖9。可以看出，普通填料與摻煤矸石填料的分凝勢變化規(guī)律基本一致，各工況中隨著凍結(jié)過程的進行試樣的SPw值都是先增大再減小，隨凍結(jié)過程的進行趨于穩(wěn)定。與普通填料相比，摻煤矸石填料的SPw時程曲線的上升和下降速度均較快，峰值也更高，這是由于煤矸石吸水性更強，導熱性更好，孔隙率更小，因此凍結(jié)和吸水過程更快，這與2.3節(jié)中補水量的監(jiān)測結(jié)果一致。

圖9 不同工況下試樣的分凝勢曲線

2.5 凍脹變形

圖10 不同工況下凍脹量變化曲線

圖10為利用凍脹試驗儀布置的LVDT(Linear Variable Differential Transformer)傳感器監(jiān)測得到的凍脹過程中試樣的凍脹量。隨著凍結(jié)過程的進行，2種填料試樣凍脹量以相近的速度發(fā)展，最終凍脹量與初始含水率有關，均呈現(xiàn)先變大后減小的規(guī)律，在接近最優(yōu)含水率的某個初始含水率條件下，試樣的最終凍脹量最大。

從圖9和圖10中分別提取各個工況最終的凍結(jié)深度和凍脹量，計算得出其最終凍脹率，見表2。

表2 不同工況最終凍脹率 %

對比圖10及表2可知：在無壓補水條件、相近的初始含水率下，摻煤矸石填料與普通填料相比，凍脹發(fā)展規(guī)律基本相同，凍脹率有所增大，但仍處于凍脹不敏感填料范圍(小于1%)。通過對比圖10摻煤矸石填料在不同工況下的凍脹量發(fā)展情況可以看出，相較于無壓補水條件，在不補水條件下隨著凍結(jié)過程的進行試樣表面凍脹量增長較快，更早趨于最終凍脹量。溫度梯度基本穩(wěn)定后，不補水條件下無法獲得外界水分補充，凍脹量基本不再增加，也導致封閉環(huán)境下試樣的最終凍脹率明顯小于無壓補水環(huán)境，與無壓補水條件下普通填料的凍脹量接近。此外，不補水條件下初始含水率的不同對摻煤矸石填料最終凍脹率的影響較大，初始含水率小的工況下?lián)矫喉肥盍系淖罱K凍脹率非常小。因此，在采用摻煤矸石填料的同時，考慮降低填料自身含水率并改善填料的排水環(huán)境，可以有效減小填料的凍脹率，使其防凍害能力達到普通填料水平。

3 結(jié)論

本文針對摻煤矸石路基填料和普通路基填料，開展了開放系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)的單向凍脹試驗，主要得出以下結(jié)論：

1)凍結(jié)過程中摻煤矸石填料具有與普通填料相近的溫度傳導特性，摻煤矸石填料吸水性較好，較快達到穩(wěn)定；凍結(jié)穩(wěn)定后2種填料溫度、水分的分布規(guī)律相近。

2)在自由補水環(huán)境中，相近初始含水率條件下，摻煤矸石填料相比普通填料的凍脹量有所增加，但仍然處于凍脹不敏感填料范圍。

3)初始含水率對于摻煤矸石填料的凍脹率影響顯著，充分降低填料的初始含水率能有效減小填料的凍脹量，且相同初始含水率條件下，摻煤矸石填料在不補水環(huán)境中的凍脹量比自由補水環(huán)境顯著降低。因此，降低摻煤矸石填料的初始含水率并減少環(huán)境補水能有效減小填料的凍脹量，提高路基抗凍性能。

綜上，采用摻煤矸石填料的方案，在控制得到較低的填料初始含水率并進行路基疏水處理、減少填料補水的條件下，能有效控制路基填料的凍脹量，使路基具有較好的抗凍性能。雖然需要進行路基疏水、減少填料補水，但考慮到對廢棄煤矸石進行利用帶來的環(huán)境和社會效益，可以得到有益結(jié)論——在凍土區(qū)采用摻煤矸石填料作為高速鐵路路基填料具有一定可行性。