田士軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司地質(zhì)路基設(shè)計(jì)處，陜西西安 710043)

哈爾濱至大連高速鐵路為設(shè)計(jì)最高速度350 km/h的無(wú)砟軌道高速鐵路，對(duì)路基變形要求極為嚴(yán)格，要求工后沉降不超過(guò)15 mm，路基與橋梁或橫向結(jié)構(gòu)物交界處的工后沉降差不應(yīng)大于5 mm，不均勻沉降造成的折角不應(yīng)大于1/1000［1］。哈大高鐵所經(jīng)地區(qū)冬夏季溫差巨大，凍脹問(wèn)題非常嚴(yán)重，在該地區(qū)修建高速鐵路必須解決凍脹問(wèn)題。凍脹問(wèn)題處理不好極易造成路基變形，引起軌道面高程發(fā)生變化，而且在路橋、路涵過(guò)渡段存在沉降及變形差。較大的變形差在短距離內(nèi)不能平順過(guò)渡，就會(huì)引起較大的軌道不平順，從而影響高鐵的運(yùn)營(yíng)安全［2］。

哈大高鐵路橋、路涵過(guò)渡段采用級(jí)配碎石摻水泥進(jìn)行填筑。其它項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)一些級(jí)配碎石摻水泥凍脹試驗(yàn)研究［3］和碎石道床中混入粉黏土的凍脹特性研究等［4］，但相關(guān)研究成果較少。為詳細(xì)了解級(jí)配碎石中細(xì)粒含量和水泥摻量對(duì)其凍脹特性的影響，本文對(duì)級(jí)配碎石摻水泥后的凍脹特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1)不摻水泥級(jí)配碎石凍脹性能試驗(yàn)，采用細(xì)粒含量分別為3%，5%，8%，12%的級(jí)配碎石進(jìn)行。

2)摻水泥級(jí)配碎石凍脹性能試驗(yàn)，采用水泥摻量分別為5%，7%，10%和細(xì)粒含量分別為3%，5%，8%，12%的級(jí)配碎石進(jìn)行。

3)50次凍融循環(huán)試驗(yàn)，采用水泥摻量5%，細(xì)粒含量分別為5%和8%的級(jí)配碎石進(jìn)行。

2 試驗(yàn)方法

2.1 凍脹性能試驗(yàn)

為測(cè)試試樣的降溫過(guò)程，制作了150 mm×150 mm×150 mm的試樣，在中心及其表面埋入溫度傳感器，并將其放入鋼模中，在低溫試驗(yàn)箱內(nèi)快速降溫。試樣溫度隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖1。

圖1 試樣溫度隨時(shí)間變化曲線

級(jí)配碎石表觀密度為2.67 g/cm3;拌合用水采用自來(lái)水;水泥采用P．C42.5復(fù)合硅酸鹽水泥。

級(jí)配碎石均需提前清洗并風(fēng)干，通過(guò)添加石粉來(lái)調(diào)整粒徑＜0.075 mm的顆粒含量占3% ～12%，經(jīng)人工攪拌均勻后，裝入試模，錘擊搗實(shí)。采用邊長(zhǎng)150 mm×150 mm×150 mm立方體試模，并制作與鋼模內(nèi)部尺寸相匹配的頂壓板。為模擬實(shí)際工程中由于排水不暢導(dǎo)致的飽水狀態(tài)，模具底用密封膠密封，保證其不漏水。頂板厚度8～9 mm，長(zhǎng)寬均為140 mm;試模的頂板上安裝4個(gè)百分表，位置如圖2所示，以便觀測(cè)凍結(jié)期間級(jí)配碎石的凍脹量。試樣安裝完畢后，將試模置于低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，試樣六面同時(shí)受凍，將試樣在1℃環(huán)境溫度下恒溫24 h。調(diào)節(jié)低溫試驗(yàn)箱溫度為－20℃，讓級(jí)配碎石產(chǎn)生凍結(jié)，并定時(shí)觀測(cè)記錄百分表讀數(shù)。試樣表面溫度達(dá)到5℃時(shí)記錄初始讀數(shù)，試樣中心溫度低于－1℃時(shí)再次記錄讀數(shù)，以后每隔1 h記錄一次百分表讀數(shù)，直至百分表讀數(shù)基本不發(fā)生改變?yōu)橹?。每個(gè)試件的最終單向膨脹量取4個(gè)百分表讀數(shù)的平均值。

2.2 50次凍融循環(huán)試驗(yàn)

50次凍融循環(huán)試驗(yàn)采用與凍脹性能試驗(yàn)相同的方法。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 摻細(xì)粒級(jí)配碎石的凍脹性能

1)細(xì)粒含量對(duì)級(jí)配碎石凍脹率的影響

試驗(yàn)證明，并非所有含水的級(jí)配碎石凍結(jié)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生凍脹，只有當(dāng)級(jí)配碎石中的含水率達(dá)到一定界限之后才會(huì)產(chǎn)生凍脹，通常將這個(gè)界限含水率稱之為起始凍脹含水率［5］。當(dāng)級(jí)配碎石中含水率小于這個(gè)含水率時(shí)，級(jí)配碎石不會(huì)發(fā)生凍脹。隨著細(xì)粒含量的增加，級(jí)配碎石的起始凍脹含水率也隨著增加。

級(jí)配碎石的凍脹主要來(lái)自水結(jié)冰過(guò)程中的體積膨脹，同時(shí)鋼模會(huì)對(duì)級(jí)配碎石提供很強(qiáng)約束，可以近似認(rèn)為級(jí)配碎石為單軸凍脹。不同細(xì)粒含量級(jí)配碎石的凍脹率與質(zhì)量含水率關(guān)系見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，不摻水泥級(jí)配碎石凍脹率最大可達(dá)1.65%，且凍脹率與質(zhì)量含水率成線性關(guān)系。凍脹率對(duì)細(xì)粒含量很敏感，一般隨細(xì)粒含量的增加而增大。對(duì)已知結(jié)果進(jìn)行線性回歸可得不同細(xì)粒含量級(jí)配碎石對(duì)應(yīng)的起始凍脹含水率，見(jiàn)表1。

表1 不同細(xì)粒含量級(jí)配碎石對(duì)應(yīng)的起始凍脹含水率

由圖3和表1可見(jiàn)，含水率和細(xì)粒含量是影響凍脹率大小的最關(guān)鍵因素。

2)溫度對(duì)凍脹率的影響

級(jí)配碎石低于0℃時(shí)，隨著溫度的降低，級(jí)配碎石中的冰不斷增多，級(jí)配碎石體積膨脹，形成凍脹現(xiàn)象。當(dāng)級(jí)配碎石處于完全飽水情況下，凍脹率隨溫度變化曲線見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出，級(jí)配碎石發(fā)生凍脹的臨界溫度在－3℃，當(dāng)溫度達(dá)到－8℃時(shí)，凍脹量基本完成。當(dāng)溫度超過(guò)－8℃后，凍脹率會(huì)發(fā)生輕微減小。這是由于試模從正常室溫(20℃ ～30℃)降到－20℃時(shí)，試模的冷縮限制了試樣的膨脹。本次試驗(yàn)條件為室內(nèi)快速凍脹，實(shí)際環(huán)境中土的凍脹發(fā)生在－2℃左右，且降溫速度較慢，完成凍脹的溫度可能比－8℃要高。

3.2 摻水泥和細(xì)粒級(jí)配碎石的凍脹性能

1)水泥摻量和細(xì)粒含量對(duì)級(jí)配碎石凍脹性能的影響

不同水泥摻量級(jí)配碎石凍脹率與質(zhì)量含水率的關(guān)系見(jiàn)圖5。從圖5可明顯看出，隨著水泥摻量的增加，凍脹率顯著降低且不超過(guò)0.2%;摻水泥5%以上的級(jí)配碎石硬化后基本消除了細(xì)粒土引起的凍脹敏感性;含水率對(duì)凍脹率的影響相對(duì)要大一些，細(xì)粒含量的影響規(guī)律性不強(qiáng)。

2)溫度對(duì)級(jí)配碎石凍脹性能的影響

圖6反映了摻水泥和細(xì)粒的級(jí)配碎石隨溫度降低而發(fā)生的凍脹率變化，大約在－6～－8℃時(shí)凍脹率達(dá)到最大值，其后產(chǎn)生很小的降溫收縮;整體凍脹率都很小，細(xì)粒含量對(duì)凍脹率影響無(wú)規(guī)律。

3)水泥摻量和細(xì)粒含量對(duì)級(jí)配碎石表觀密度及孔隙率的影響

隨著細(xì)粒含量的增加，級(jí)配碎石的干密度增加，孔隙率減小。其原因是細(xì)粒含量的增加，使得碎石間的潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，促進(jìn)碎石間的相互移動(dòng)而使其更加密實(shí);另一方面，細(xì)粒填充了級(jí)配碎石的孔隙，使得孔隙減小，密實(shí)度增加。

由圖7可見(jiàn)，當(dāng)水泥含量為5%時(shí)，隨著細(xì)粒含量的增加，孔隙率下降較快。當(dāng)水泥含量為7%和10%時(shí)，隨著細(xì)粒含量的增加，孔隙率下降的幅度變小，趨于平緩。

3.3 50次凍融循環(huán)后的凍脹性能

級(jí)配碎石摻水泥硬化后其實(shí)己成為一種混凝土結(jié)構(gòu)，考慮到這種混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期凍融環(huán)境下凍脹性能可能發(fā)生變化，故進(jìn)行本項(xiàng)試驗(yàn)。試件采用水泥摻量5%、細(xì)粒含量分別為5%和8%的級(jí)配碎石，凍融循環(huán)50次，每循環(huán)1次測(cè)試1次凍脹率。凍融循環(huán)次數(shù)與凍脹率的關(guān)系見(jiàn)圖8。

由圖8可見(jiàn):在凍融循環(huán)過(guò)程中兩組試件凍脹率有一定波動(dòng)，但總體凍脹率變化為0.06% ～0.22%，細(xì)粒含量為8%時(shí)比5%時(shí)略大一些，但均較小。觀察凍融循環(huán)后的試件，發(fā)觀試樣表層有5～10 mm膠結(jié)物破碎顆粒，但并未成粉狀?？梢?jiàn)經(jīng)50次凍融循環(huán)后摻水泥和細(xì)粒級(jí)配碎石并未完全破碎，表層凍壞部分也未成粉狀。后經(jīng)抗壓試驗(yàn)，細(xì)粒含量為5%和8%的級(jí)配碎石強(qiáng)度分別為8.85，8.01 MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

1)含水率和細(xì)粒含量是影響級(jí)配碎石凍脹率的最關(guān)鍵因素。摻水泥5%以上的級(jí)配碎石硬化后基本消除了細(xì)粒土引起的凍脹敏感性。

2)摻水泥級(jí)配碎石凍脹率顯著減少的原因:一是毛細(xì)孔減少，從而減少了細(xì)粒土引起的凍脹敏感性;二是硬化后的級(jí)配碎石在一定程度上抑制了水的自由析冰。

3)在50次凍融循環(huán)作用下，摻水泥級(jí)配碎石表層凍裂，但未成粉狀，凍脹量也沒(méi)有顯著增大。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2009．

［2］羅小剛，陳湘生，吳成義．凍融對(duì)土工參數(shù)影響的試驗(yàn)研究［J］．建井技術(shù)，2000(2):24-26．

［3］羅承平，湯赫，宋林．嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基級(jí)配碎石凍脹試驗(yàn)研究［J］．公路交通科技，2013(6):245-247．

［4］趙成江，王曉榮，夏瓊，等．不同含泥量與含水率下鐵路板結(jié)道床的凍脹特性［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2011(9):36-39．

［5］高明星，李小豐，劉文俊，等．壓實(shí)度和含水率對(duì)凍土性質(zhì)的影響［J］．內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(3):186-189．