探討高速鐵路路基粗顆粒填料凍脹特性

張勇

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司，西安712000)

1 引言

為了達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)，中國的高速鐵路通常采用的是非凍脹A、B 組礫石和碎石進(jìn)行填筑，同時(shí)一些國內(nèi)外的研究表明，在考慮細(xì)顆粒填料和細(xì)顆粒土的凝結(jié)特性時(shí)，細(xì)顆粒含量將根據(jù)長期的檢驗(yàn)結(jié)果檢查其他填料的凍脹性能。通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果，必須著重研究填料的凍脹特性，為高寒地區(qū)鐵路建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)。

2 高速鐵路路基粗顆粒填料凍脹特性室內(nèi)試驗(yàn)

目前，許多粗顆粒凍脹特性測試已從室外轉(zhuǎn)移到了室內(nèi)，必須按照要求進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)規(guī)則清楚地表明，該方法只能用于細(xì)土和砂土的裂縫試驗(yàn)[1]。因?yàn)槟壳皹?biāo)準(zhǔn)的樣品容器很小且土壤厚度（＞10mm）和顆粒尺寸大，導(dǎo)致在測試中現(xiàn)場技術(shù)的平滑度、壓實(shí)效果和實(shí)際狀態(tài)的準(zhǔn)確性大大降低。因此，當(dāng)使用填料把道路填充后，需要使用改進(jìn)后的試驗(yàn)方法來檢測防凍的性能，從而保證試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。使用的儀器主要有步入式的低溫恒溫測試設(shè)備（溫度控制精度為±1℃），制冷和低溫加熱（ThermoFisher AC200，溫度控制精度±0.1℃），熱敏電阻傳感器測試管模型的數(shù)據(jù)采集和旋轉(zhuǎn)指示器分別為直徑1 000mm和650mm。在TB 1621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中對級配碎石的粒徑級配的要求以及本次實(shí)驗(yàn)碎石的粒徑級配見表1。

由于粗顆粒土壤的灰塵和水分含量對凍結(jié)敏感性有很大影響，因此，進(jìn)行該試驗(yàn)首先要測試土壤對顆粒水分和其他樣品的敏感性，避免每個(gè)水分含量的變化，土壤在吸收水分飽和之后，會有保持儲存不飽和水分的能力。該試驗(yàn)的所有土壤樣品均在中國東北高速鐵路路基施工現(xiàn)場處采集。

表1 級配碎石的粒徑級配

2.1 土樣的溫度變化過程

在特定濕度下，如果將密度為0.96 且冷凍72h 之后，圖1顯示了不同顆粒量的樣品的溫度曲線隨時(shí)間的變化。其中試樣高度90cm 處為冷端，0cm 處為暖端。

圖1 不同細(xì)顆粒含量條件下試樣的溫度變化過程

如圖1 所示，樣品中的溫度曲線可分為未凍土段和已凍土段，每個(gè)樣品都會有所不同，但是，樣品溫度會在冷凍大約6h 后變化非常緩慢，樣品溫度從尖端到約為15℃處幾乎沒有變化。另外，如圖1 所示，樣品的溫度會隨著＜15℃的速率變化而增加，樣品的溫度變化更快，表示樣品的總溫度變化將會減小，直到高溫梯度趨于穩(wěn)定。另外，隨著樣品中細(xì)顆粒含量不斷增加，溫度會緩慢降低。

2.2 試樣凍脹變形

在各種細(xì)顆粒條件下將粗糙土壤冷凍72h 后發(fā)生冰故障。如圖2 所示是樣品顆粒含量與冷凍波動百分比之間的關(guān)系。從圖2 可以看出，隨著細(xì)顆粒體積的逐漸增加，凍脹率逐漸增大。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在不溶性土壤上確定冷凍速率η＜1%。根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》A 組和B 組的細(xì)顆粒物含量出現(xiàn)在冷區(qū)和冷區(qū)的冷深處。當(dāng)冷凍層厚度大于基床表層時(shí)，填充量應(yīng)＜5%，如圖2 所示。當(dāng)細(xì)顆粒含量為5%時(shí)，利用率約為0.3%。

圖2 試樣凍脹率與顆粒含量的關(guān)系曲線

3 高速鐵路路基粗顆粒填料凍脹特性現(xiàn)場試驗(yàn)

在其他嚴(yán)重負(fù)荷試驗(yàn)中，選擇了中國東北地區(qū)的鐵路試驗(yàn)區(qū)，并比較了其他填料的凍脹特性，試驗(yàn)區(qū)底部出土，用砂礫代替，用4 種不同配比的填料進(jìn)行填充。使用不同的填充材料和結(jié)構(gòu)，選擇12 個(gè)檢查部分。在測試部分和部件上，采用自動檢測設(shè)備檢查地面溫度和各種位置和表面深度的變形情況。溫度檢查點(diǎn)位于生產(chǎn)線的中間，垂直地溫測量點(diǎn)距離下表面0.2m、0.4m、0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m、1.6m、1.8m、2.0m 和2.5m，總共11 個(gè)測量點(diǎn)。去除傳感器位于檢測部分和肩部的每條線之間，每個(gè)檢查點(diǎn)的凍結(jié)角傳感器的深度是0.5m、1.0m 和2.0m[2]。

3.1 高速鐵路路基粗顆粒填料凍脹特性現(xiàn)場試驗(yàn)地溫監(jiān)測結(jié)果

在級配碎石分級系統(tǒng)的測試中，軸承溫度傳感器結(jié)合不同的深度，2015 年11 月中旬，在外部氣溫降至0°C 以下后，開始出現(xiàn)地層凍結(jié)，主要取決于結(jié)構(gòu)檢查的SS2 實(shí)體截面的橫截面結(jié)構(gòu)，根據(jù)配比系統(tǒng)1（部分SS1）、配比系統(tǒng)3（部分SS3）和配比系統(tǒng)4（部分SS4）的結(jié)果分析，在2016 年2 月中旬，冷凍深度檢查的結(jié)果將逐漸增加，隨后，相同3 個(gè)相關(guān)系統(tǒng)的月凍結(jié)深度為1.4～1.6m，并緩慢升溫至室外溫度。在3 月中旬和3 月初，被檢查區(qū)域的地表兩側(cè)出現(xiàn)融化現(xiàn)象，到3 月下旬形狀完全改變。

3.2 高速鐵路路基粗顆粒填料凍脹特性現(xiàn)場試驗(yàn)凍脹變形監(jiān)測結(jié)果

位移傳感器以各種輸入方法放置在適當(dāng)?shù)姆诸悪z查部分，以檢查每個(gè)部分的變化情況。

從2015 年11 月底開始，二者都出現(xiàn)了凍結(jié)干擾。由于凍結(jié)和碎片的影響相同，每個(gè)系統(tǒng)的變形從12 月中旬到1 月中旬保持不變，并隨著深度逐漸增加，凍脹變化更明顯[3]。3 月初，由于冰的形成，導(dǎo)致冰層的分布逐漸減少，并在4 月初保持穩(wěn)定。如圖3 所示，冬季冰峰變形期間土壤表面下降，2015—2016年冬季測試，第1 部分為2.7mm，圖1 為1.2mm，圖2 為0.8mm。

圖3 配比方案4 變形量時(shí)程曲線

細(xì)顆粒含量是影響凍脹變形和凍結(jié)深度的主要因素。通常僅在水量等于路面上發(fā)生時(shí)才會發(fā)生。隨著凍結(jié)深度增加，凍結(jié)道路的移動逐漸增加，表明低層也發(fā)生了冷凍[4]。

4 結(jié)語

1）在道路主體中填入粗顆粒填料，細(xì)粒含量是防止道路霜凍來自季節(jié)性硬土的主要應(yīng)對方法，可廣泛用于季節(jié)性凍土區(qū)路基規(guī)劃，可有效調(diào)節(jié)表面結(jié)冰的性能。

2）根據(jù)試驗(yàn)檢查結(jié)果，隨著細(xì)顆粒含量的增加，凍脹含量也隨之增加。但是，如果將細(xì)顆粒含量控制在5%，則變形量將不會超過最大3.0mm，從而可以創(chuàng)造出更好的硬化效果。

3）實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以在寒冷地區(qū)高速鐵路的抗硬化層使用，能夠有效防止路面凍結(jié)，保證軌道平整。