王博，董喧

（1.天津泰達(dá)海洋開(kāi)發(fā)有限公司，天津 300171；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461）

0 引言

穿越東北三省的某高速鐵路，設(shè)計(jì)最高時(shí)速350 km/h以上，對(duì)路基的差異沉降、工后沉降要求嚴(yán)格。鐵路沿線(xiàn)自然條件惡劣，極端最高氣溫39.8℃，極端最低氣溫-40℃以下，屬于季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)域。路基冬季易發(fā)生凍脹，夏季逐漸融化后，路基中間由于融化較慢形成硬核，會(huì)發(fā)生翻漿、冒泥現(xiàn)象，造成路基的變形、開(kāi)裂[1-3]。在這樣的路基上建造如此高規(guī)格的高速鐵路國(guó)內(nèi)尚屬首次，難度非常大。采取合理的路基防凍脹措施是關(guān)鍵，直接關(guān)系到將來(lái)運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路安全以及維護(hù)成本高低，而實(shí)施的前提是了解路基填料的凍脹特性[4-5]。

本文針對(duì)路基填料特點(diǎn)，在室內(nèi)開(kāi)展凍脹性試驗(yàn)研究，分析路基填料的凍融強(qiáng)度損失和凍脹量，找出影響因素，為采用有效防凍脹措施提供依據(jù)。

1 工程概況

該高速鐵路路基共約53 km，沿線(xiàn)屬于溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)氣候，最大積雪厚度17～30 cm。地層依次為第四系全新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土、中砂、粗砂和白堊系下統(tǒng)泥巖。地下水位1～20m，局部可達(dá)30m。

高速鐵路建設(shè)采用無(wú)砟軌道，基床表層是級(jí)配碎石，下部為A、B填料，基床填筑斷面見(jiàn)圖1。

圖1 基床填筑斷面圖Fig.1 Cross-section of foundation bed filling

2 室內(nèi)凍脹試驗(yàn)

室內(nèi)路基填料抗凍性試驗(yàn)主要包括兩部分內(nèi)容，一是A、B填料的凍融強(qiáng)度損失，二是凍脹敏感性（凍脹量）。對(duì)于凍融強(qiáng)度試驗(yàn)，在專(zhuān)門(mén)的凍融箱內(nèi)進(jìn)行冰凍，溫度波動(dòng)度＜±2℃。選用加利福尼亞承載比CBR值表征凍融強(qiáng)度（取CBR2.5和CBR5.0的平均值作為代表值CBR）。對(duì)于凍脹量試驗(yàn)，在恒溫箱內(nèi)試驗(yàn)，環(huán)境溫度變幅＜±0.1℃，采用φ150mm土樣筒進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)用料性質(zhì)

試驗(yàn)用基本土料為A、B填料，取自現(xiàn)場(chǎng)，將其過(guò)31.5mm篩作為進(jìn)行凍融試驗(yàn)和凍脹量試驗(yàn)的基本材料。顆粒分析結(jié)果見(jiàn)表1，按照TZ 212—2005《客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路路基工程施工技術(shù)指南》和TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》定名為角礫，或進(jìn)一步定名為細(xì)（角）礫或中（角）礫。

表1 填料顆粒組成Table 1 Filling particle composition

A、B填料的細(xì)粒塑性指數(shù)為13～14，屬于粉質(zhì)黏土。

為了進(jìn)一步研究填料凍脹特性，將粉土、粉質(zhì)黏土分別按一定比例摻入基本土料中，最終形成供凍融試驗(yàn)和凍脹量試驗(yàn)用的試驗(yàn)土料，再進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。最大干密度和最佳含水率僅在很窄的范圍內(nèi)波動(dòng)[6]。

表2 試驗(yàn)土料重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Table2 Soilheavy compaction test result

2.2 凍融強(qiáng)度損失試驗(yàn)

采用分層裝填壓實(shí)法制樣，試驗(yàn)土樣壓實(shí)度93%。試驗(yàn)溫度為-20℃，5次循環(huán)，每個(gè)循環(huán)時(shí)間為冷凍16 h，20℃室溫融化8 h。

1）含水率的影響

摻入粉土試樣凍融后的CBR值與含水率的關(guān)系見(jiàn)圖2?？梢钥闯觯珻BR均隨含水率增大而減小，凍后CBR比凍前CBR均有不同程度的衰減。凍前、凍后CBR值均隨細(xì)粒摻量的增大而減小，試樣強(qiáng)度降低，其原因是摻入的少量細(xì)粒土較明顯地降低了粒間摩擦，而對(duì)于像試樣這樣的松散粗?；旌喜牧?，粒間摩擦是強(qiáng)度的主要來(lái)源[7-8]。

圖2 試料CBR-w關(guān)系Fig.2 Relation of CBR-w of specimen

2）細(xì)粒土的影響

摻入粉土、粉質(zhì)黏土不同土質(zhì)試樣凍融后的CBR值與含水率的關(guān)系見(jiàn)圖3。由圖可看出摻配粉質(zhì)黏土的試樣CBR比摻配粉土的大。

圖3 細(xì)粒土質(zhì)條件對(duì)凍后CBR的影響Fig.3 effect of fine particle on the CBR after freezing

3）冰凍溫度影響

對(duì)1號(hào)試驗(yàn)土料，在-10℃和-30℃冰凍溫度條件，5次凍融循環(huán)時(shí)分別進(jìn)行試驗(yàn)。CBR與含水率關(guān)系見(jiàn)圖4，可以看出，不同的冰凍溫度對(duì)強(qiáng)度的影響不大。

圖4 冰凍溫度對(duì)強(qiáng)度影響Fig.4 effect of freezing temperature on the strength

4）循環(huán)次數(shù)影響

冰凍溫度為-20℃，含水率w=8%，循環(huán)數(shù)分別為1、3、7、9條件下進(jìn)行試驗(yàn)。凍前凍后CBR-N關(guān)系曲線(xiàn)，如圖5所示?？梢钥闯鲭S循環(huán)次數(shù)N增加，凍后CBR值有些減少，但并不大。

圖5 凍融循環(huán)數(shù)對(duì)CBR值影響Fig.5 effect of the cycle of freeze-thaw on CBR

根據(jù)以上試驗(yàn)，考慮到：①凍后CBR隨N增加而減少幅度不大，還是在高位上；②經(jīng)濟(jì)因素；③老式慢法低標(biāo)號(hào)混凝土采用N=25，但冰凍時(shí)間為4 h，而本試驗(yàn)為16 h，換算一下與5循環(huán)接近；④試驗(yàn)材料為一種典型松散材料，沒(méi)有無(wú)機(jī)結(jié)合料（水泥或其他活性成分）。因此，采用5循環(huán)凍融試驗(yàn)結(jié)果表征凍融性能是經(jīng)濟(jì)可靠的。

2.3 凍脹量試驗(yàn)

采用上冷閉式凍脹試驗(yàn)（無(wú)外水分補(bǔ)給）研究表2中材料的凍脹量，壓樣法制備樣品。

圖6為凍脹率與含水率關(guān)系曲線(xiàn)，可以看出，當(dāng)含水率增加到一定值時(shí)（大約是在最優(yōu)含水率以后），凍脹率均有加速增大的趨勢(shì)，試驗(yàn)最大值可達(dá)η=3～4。由此可知，即使是粗顆粒土，當(dāng)其含水率達(dá)到一定值時(shí)，亦會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)可觀的凍脹量。

而且圖6還可以看出，隨細(xì)粒含量增加，曲線(xiàn)沿橫軸（w）向右偏移。這說(shuō)明，材料的起始凍脹含水率在增加。

圖6 η-w關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 Relation curve of η-w

圖7為不同土質(zhì)的η-w曲線(xiàn)，1號(hào)土樣摻入粉土，4號(hào)土樣摻入粉質(zhì)黏土?？梢钥闯?，隨著摻配土質(zhì)塑性增強(qiáng)，曲線(xiàn)沿橫軸向右偏移。說(shuō)明摻配塑性較大細(xì)粒土的樣品親水性強(qiáng)，在臨界含水率范圍以?xún)?nèi)，含水率相同時(shí)凍脹量小。

圖7 細(xì)粒土質(zhì)條件影響Fig.7 effect on the fine particle soil condition

統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果，各個(gè)試樣起始凍脹含水率見(jiàn)表3。表中同時(shí)給出了η=1（臨界含水率）和η=3.5（凍脹界限含水率）時(shí)相對(duì)應(yīng)的界限含水率值，表3可為凍脹分級(jí)應(yīng)用做參考。

表3 不同凍脹等級(jí)的界限含水率wTable 3 Water ratio limit of different frost heaving levels

5種土料η－w關(guān)系雖有些差異但并不顯著，可綜合起來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到起始凍脹含水率為8.41%；臨界凍脹含水率為10.32%；相應(yīng)凍脹等級(jí)含水率為15.09%。

3 現(xiàn)場(chǎng)填料含水率檢驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)說(shuō)明填料含水率是影響凍脹的主要因素。根據(jù)測(cè)溫裝置測(cè)得試驗(yàn)段的凍土深度約為1.66m，該深度為發(fā)生凍脹的區(qū)域[9]，路基填料根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了嚴(yán)格控制，現(xiàn)場(chǎng)采取了鋪設(shè)隔水層、設(shè)置排水通道等措施。隔水層采用的是復(fù)合土工膜。

經(jīng)歷凍融循環(huán)后，路基未有明顯的凍脹發(fā)生。同時(shí)，在隔水層下方取樣進(jìn)行含水率試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥闯觯?jīng)歷凍融循環(huán)周期后，填料的含水率變化較小，在起始凍脹含水率范圍之內(nèi)，說(shuō)明路基防排水效果良好。

表4 路基填料物理性質(zhì)Table4 Physical property of subgrade filling

4 結(jié)語(yǔ)

1）含水率是影響凍脹性的主導(dǎo)因素，路基設(shè)計(jì)施工應(yīng)做好防水排水措施，阻斷地表水和地下水的滲透，保證路基填料的抗凍性；

2）含水率、細(xì)粒土摻量及塑性是影響凍脹性的主要因素，而冰凍溫度、凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)于填料凍脹性影響較??；

3）即使是粗顆粒土，當(dāng)其含水率達(dá)到一定值時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)可觀的凍脹量。

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