石剛強,王 珣
(1.蘭州大學 土木工程與力學學院,蘭州 730000;2.中交股份哈大客專工程指揮部,長春 130000)
無論是季節(jié)性凍土還是多年凍土,表層都存在著一層冬凍夏融的凍結(jié)—融化層,作為路基的凍融層,在凍融過程中會引起土體性質(zhì)的變化,發(fā)生路基變形、裂縫、翻漿冒泥等現(xiàn)象,嚴重影響著鐵路行車安全和運輸效率,如何防護和治理凍土路基是目前地處嚴寒地區(qū)鐵路工程所面臨和亟待解決的問題[1]。同時,隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展,客運專線列車的高速、安全、平穩(wěn)運行對路基的變形提出了更嚴格的要求,進一步增加了路基施工的難度。
哈大鐵路客運專線是我國在嚴寒地區(qū)[2]設(shè)計、建造的第一條客運專線,沿線冬季寒冷漫長,最冷月平均氣溫在-13.5℃ ~-17.5℃,極端最低氣溫達-36.5℃,沿線最大積雪厚度30 cm,最大季節(jié)凍土深度可達2 m以上,每年從10月底開始凍結(jié),次年5~6月全部融化。全線鋪設(shè)的無砟軌道對路基工后沉降的要求非常嚴格,允許的工后沉降不大于15 mm,差異沉降不大于5 mm[3]。消除凍脹危害是路基設(shè)計、施工重點考慮的問題,填料是影響路基凍脹的最主要因素,為了控制路基變形和凍脹性,路基施工需合理選擇填料,設(shè)置防凍層、隔斷層、防排水和防凍脹護道等處理措施。因此,為了更好地了解路基凍脹的影響因素,在室內(nèi)進行了大量的路基填料的凍脹性試驗研究,找出各個可能因素對路基凍脹的影響規(guī)律,合理選擇路基填料,指導現(xiàn)場施工。
對于路基填料,鐵路規(guī)范有明確的規(guī)定,哈大客運專線路基不僅要滿足客運專線的路基填料要求,還要符合季節(jié)性凍土區(qū)填料抗凍性的要求,因此對于路基填料的選擇將更為嚴格,哈大客專公司對路基填料提出了具體要求[4]:
1)基床表層級配碎石。級配碎石粒徑、級配及材料性能在符合《客運專線基床表層級配碎石暫行技術(shù)條件》要求的基礎(chǔ)上,同時應(yīng)限定細顆粒含量,滿足顆粒粒徑d≤0.075 mm含量不大于5%,壓實后顆粒粒徑d≤0.075 mm含量不大于7%(重量比),避免凍脹發(fā)生。
2)路基填料選擇。防凍層選用0.075 mm細粒含量<15%,平均凍脹率 η≤1且級配良好的非凍脹性A、B組填料?;驳讓硬捎肁、B組填料,粒徑宜控制在6 cm以內(nèi);基床以下路基優(yōu)先選用 A、B組填料[5-6]。
試驗的A、B填料取自吉林九臺鑫源料場,為一套巖石碎屑混合物,將其過31.5 mm篩作為進行凍融試驗和凍脹性試驗的基本材料。顆粒分析結(jié)果見表1,定名為角礫[7-8]。
為了檢驗填料的性質(zhì),對A、B填料的細粒液塑限進行了試驗,塑性指數(shù) Ip為13~14,符合10<Ip≤17,屬于粉質(zhì)黏土。
為研究細粒土質(zhì)和含量對粗粒土有關(guān)性能的影響,從陶賴昭松花江二級階地前緣采集了粉質(zhì)黏土和粉土兩種細粒土料。采自現(xiàn)場的土料經(jīng)風干、搗碎(或粉碎)、調(diào)制和過0.5 mm篩等工序后,進行基本物理指標試驗,見圖1。
表1 基本料顆粒組成
圖1 顆粒大小分布曲線
將細粒土按一定比例摻入基本土料中,最終形成供凍融試驗和凍脹率試驗用的試驗土料,進行重型擊實試驗。試驗結(jié)果見表2。由于粗碎屑土的特性以及細粒土摻量比較少,決定了最大干密度ρdmax和最佳含水率wop僅在很窄的范圍內(nèi)波動。
表2 試驗土料重型擊實試驗結(jié)果
主要在恒溫箱內(nèi)進行凍脹率試驗,環(huán)境溫度變幅<±0.1℃,采用φ150 mm土樣筒進行試驗,整個土樣處于半無限體表面冷源作用下單向凍結(jié)條件。
1)制備試樣。試樣尺寸為φ150 mm×120 mm,為保證試樣端面光平,以便于位移測量,同時也是為了減少側(cè)摩阻力,采用壓樣法制備樣品,然后將壓樣筒中樣品倒入試樣筒。
2)試驗要求。按有關(guān)規(guī)范進行凍脹率試驗,采用上冷閉式凍脹試驗(無外水分補給)研究5種試驗材料(見表2)的凍脹性。冷閉式凍脹試驗的優(yōu)點在于試樣的含水率、干密度、飽和度和壓實度都是事先確定的,不隨試驗過程和時間而變,因而易于建立凍脹率與這些指標間的關(guān)系,并進行分析比較和數(shù)理統(tǒng)計。試驗過程中,當位移讀數(shù)出現(xiàn)峰值或穩(wěn)定值以后,再繼續(xù)觀測幾小時即可結(jié)束試驗。
3)數(shù)據(jù)整理。根據(jù)試驗記錄數(shù)據(jù),繪制凍脹量—時間關(guān)系曲線,然后取最大凍脹量,按下式計算凍脹率
式中 η——凍脹率,%;
ΔH——試驗期間最大凍脹量,mm;
H0——試樣凍結(jié)深度,取120 mm。
3.2.1 含水率對填料凍脹性的影響
根據(jù)表2配制的試樣,進行凍脹率試驗,將摻配土質(zhì)相同的試樣η—w數(shù)據(jù)曲線分別繪于一張圖上,結(jié)果如圖2所示。可以看出,當含水率增加到一定值時(大約是在最優(yōu)含水率以后),凍脹率均有加速增大的趨勢,凍脹率最大值可達η=3~4。說明即使是粗顆粒土,當其含水率達到一定值時,亦會產(chǎn)生相當可觀的凍脹量。
圖2 含水率、細粒土含量大小對凍脹的影響
3.2.2 細粒土含量對填料凍脹性的影響
由圖2可看出,無論圖2(a)和圖2(b),隨細粒含量增加,曲線沿橫軸(w)向右偏移,說明材料的起始凍脹含水率在增加。試樣起始凍脹含水率見表3,表中同時給出了η=1(臨界含水率)和η=3.5(凍脹界限含水率)時相對應(yīng)的界限含水率值。
表3 不同凍脹等級的界限含水率 %
3.2.3 摻配土質(zhì)對填料凍脹性的影響
將摻配量相同、土質(zhì)不同的η—w數(shù)據(jù)曲線分別繪于一張圖上,結(jié)果如圖3所示??煽闯鰮搅肯嗤瑫r,隨著摻配土質(zhì)塑性增強,曲線沿橫軸向右偏移。
圖3 細粒土質(zhì)條件影響
圖2 和圖3實質(zhì)上表達的是同一規(guī)律,即土質(zhì)條件(粗粒土常用粒度成分、細粒土常用塑性大小表達)對凍脹量的影響。摻配塑性較大細粒土的樣品親水性強,所以在有限含水率范圍內(nèi),含水率相同時凍脹量大。
3.2.4 水分變化對填料凍脹性的影響
根據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立各種土料的η—w線性回歸方程,進行回歸方程差異顯著性計算,各數(shù)值均小于理論臨界值,說明摻配不同細粒土質(zhì)及其含量的試料η—w回歸方程間雖有些差異但并不顯著,可以綜合起來進行統(tǒng)計。圖4為綜合散點圖,按一元線性回歸
按式(2)可得,初始凍脹含水率為8.41%,臨界凍脹含水率為10.32%,相應(yīng)凍脹等級含水率為15.09%。
圖4 試料η—w綜合散點圖
3.2.5 干密度對填料凍脹性的影響
干密度對凍脹也有一定影響,二者呈負相關(guān)關(guān)系,根據(jù)經(jīng)典土力學,對給定土質(zhì),飽和度一定時,試樣隨含水率增加,相應(yīng)干密度減小或孔隙比增大。用基本料過篩0.5 mm的土,按照2#試料粒徑<0.5 mm成分比例,配15%粉土后配制3種試樣。樣品飽和度按Sr=0.80計算,控制含水率分別為 w=9%,10.5%和12%,控制干密度分別為 ρd=2.008,1.945和 1.875 g/cm3。樣品風干后,在立體鏡下觀察可以看出,當飽和度一定時,隨樣品含水率增加或干密度減小,土的孔隙有變多和變大的趨勢,從而預示了凍脹量將會變大。
1)含水率是影響填料凍脹的主導因素,即使是粗顆粒土,當其含水率達到一定值時,亦會產(chǎn)生相當可觀的凍脹量。因此,路基設(shè)計施工應(yīng)做好防排水措施,阻斷地表水和地下水的滲透,保證路基填料的抗凍性,從而保證線路路基在季節(jié)性凍土區(qū)的平穩(wěn)運行。
2)試驗路基填料的起始凍脹含水率為8.41%,臨界凍脹含水率為10.32%,相應(yīng)凍脹等級含水率為15.09%;起始凍脹含水率隨細粒含量增加而增加;摻量、含水率相同時,摻配土質(zhì)塑性增強,凍脹量增大;飽和度一定時,樣品含水率增加或干密度減小,凍脹量變大。
3)嚴寒地區(qū)客運專線路基工程,應(yīng)嚴格控制A、B組填料中的細粒含量,控制填料的含水率,嚴格按照壓實度要求進行施工,以盡量避免路基凍脹的發(fā)生。
[1]田亞護,溫立光,劉建坤.季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基變形監(jiān)測及凍害原因分析[J].鐵道建筑,2010(7):104-107.
[2]鐵一院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1999.
[3]中華人民共和國鐵道部.TB10020—2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S].北京:中國鐵道出版社,2009.
[4]哈大客專公司.哈大客專路基檢測和質(zhì)量控制指導意見[Z].沈陽:哈大客專公司,2008.
[5]中華人民共和國鐵道部.TB10035—2002 鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2006.
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[7]中華人民共和國鐵道部.TB 10102—2010 鐵路工程土工試驗規(guī)程[S].北京:中國鐵道出版社,2004.
[8]葉陽升.論鐵路路基填料分類[J].中國鐵道科學,2004(2):35-41.