楊國濤，高　亮，王天亮，林永清

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京　100044；2.中國鐵路總公司 科技管理部，北京　100844；3.石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊　050043)

近年來，我國在東北、西北等季節(jié)性凍土地區(qū)開展了大規(guī)模的高速鐵路建設，高速鐵路路基變形控制標準嚴格與路基凍脹問題之間的矛盾成為工程設計、施工、養(yǎng)護和維修所面臨的難題[1-3]。雖然采取了諸如表面封閉層、級配碎石基床、非凍脹填料、甚至混凝土基床等路基防凍脹措施[4]，但在季節(jié)性強烈凍結與融化作用下，高速鐵路路基仍出現(xiàn)了凍脹隆起和結構開裂等病害，嚴重影響和制約著季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路的建設和正常運營。因此，開展抗凍脹措施研究對解決凍土區(qū)高速鐵路路基凍害問題、促進凍土區(qū)高速鐵路建設與發(fā)展具有十分重要的實際意義。

國內外學者基于土體凍脹融沉機理的研究成果[5-8]主要從溫度、水分和土質3個方面進行寒區(qū)高速鐵路路基防凍脹措施的相關研究，提出了諸如隔熱保溫[9-10]、封閉防水[3]、換填非凍脹填料[4,11-13]等抗凍脹措施。其中，摻水泥的級配碎石作為一種弱凍脹敏感性填料，在哈大高速鐵路路基過渡段以及個別特殊地段的應用取得了較好的效果[3]。針對摻水泥級配碎石，公路行業(yè)的研究成果和工程應用較多，且被稱之為水泥穩(wěn)定碎石。研究成果主要集中在水泥穩(wěn)定碎石的無側限抗壓強度性能[14-15]、抗裂性能[16-17]、溫縮變形特性[18]、壓實成型方法[19]、疲勞特性[20]等方面，這些研究成果為水泥穩(wěn)定碎石在鐵路路基基床中的應用提供了大量的技術和理論支持。在抗凍融耐久性方面，吳瑞麟等人[21]認為在經(jīng)歷3次凍融后，水泥穩(wěn)定碎石的無側限抗壓強度基本趨于穩(wěn)定，而莊少勤等人[22]通過研究則發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定碎石在經(jīng)歷5次凍融后其抗壓強度才逐漸趨于穩(wěn)定。在滲透性能研究方面，曾夢瀾等人[23]對比研究了粗開級配、細開級配和常規(guī)級配的滲透性、強度和抗凍性能等，并提出不同級配類型的適用范圍，這與閆宏業(yè)等人[4]的研究具有很多相似之處。上述研究成果表明，水泥穩(wěn)定碎石具有較好的抗凍性、耐久性、水穩(wěn)定性等優(yōu)點[21-22]，且在鐵路工程實踐中被證明是一種比較好的抗凍脹填料。然而，由于其近似素混凝土的特征，與傳統(tǒng)意義上的路基填料有所區(qū)別，且缺乏較為完善的評價指標和方法等原因，因此關于級配碎石摻水泥能否在季節(jié)性凍土地區(qū)的高速鐵路路基上推廣應用成為國內外學者討論的焦點。

為解決上述問題，本文作者采用粗粒土凍脹性能大直徑試驗裝置、巖石多功能試驗機和大直徑試樣滲透儀，研究級配碎石填料的多次凍脹融沉特性、強度特性和滲透性能，深入探討和分析顆粒級配、水泥摻量對級配碎石凍脹性能、無側限抗壓強度和滲透系數(shù)的影響規(guī)律，并給出了級配碎石水泥摻量和顆粒級配的建議值，為凍土區(qū)高速鐵路路基基床的設計和施工提供技術指導。

1　試驗裝置及方案設計

1.1　試驗材料

級配碎石：選取滲透性級配碎石，具體顆粒級配見表1，其不均勻系數(shù)Cu<10，曲率系數(shù)Cc介于1～3，為良好級配。

表1　滲透性級配碎石粒徑范圍

水泥：選取325#普通硅酸鹽水泥作為摻加劑，初凝時間不小于45 min，終凝時間不大于10 h。

1.2　試驗裝置和方法

1.2.1粗粒土凍脹性能試驗

為確保模型試驗的相似性，采用圖1所示大粒徑土體凍脹性能測試裝置(專利號：201420616480.X)進行級配碎石的反復凍脹、融沉性能試驗研究。該測試裝置由大直徑試樣筒、上冷浴盤、下冷浴盤、固定支架、保溫棉、NESLAB低溫恒溫冷浴、溫度傳感器、位移傳感器和水分傳感器、DT85G數(shù)據(jù)采集儀及高低溫環(huán)境試驗艙組成。其中，大直徑試樣筒的材質為高強度有機玻璃圓筒，內徑為450 mm，壁厚為25 mm，高度為900 mm，試樣筒外側均布高強度喉箍以防止筒體的側向變形，模擬1維變形模式。

凍脹性能試驗時，在凍脹筒內分7層進行擊實制樣，期間在土體內不同高度處布設溫度和水分傳感器；試樣高度為700 mm，直徑為450 mm；為防止試驗過程中水分損失，在試樣頂端放置1層塑料薄膜。待試樣制備完畢并靜置養(yǎng)護7 d后，試樣筒外壁包裹保溫棉，連接上、下冷浴盤至NESLAB低溫恒溫冷浴，試樣頂端安裝位移傳感器，開啟高低溫環(huán)境試驗艙，開始反復凍脹、融沉試驗。

圖1　大粒徑土體凍脹性能測試裝置

為了更好地模擬季節(jié)性凍土地區(qū)一年內的凍融交替變化，進行冷卻72 h，融化48 h，再冷卻72 h，…，共3次凍融循環(huán)過程。其中，在第1次凍脹開始前，首先將連接上、下冷浴盤的NESLAB低溫恒溫冷浴均調至1 ℃進行恒溫，恒溫時間為48 h；待試樣內部整體溫度均達到1 ℃時，調節(jié)連接上冷浴盤的NESLAB低溫恒溫冷浴至-20 ℃，連接下冷浴盤的NESLAB低溫恒溫冷浴始終保持1 ℃，開始第1次凍脹過程，以模擬現(xiàn)場土體的單向凍結模式。第1次凍脹結束后，開始融沉過程。整個試驗過程中采用DT85G數(shù)據(jù)采集儀實時采集土體內部溫度、含水量和試樣頂端位移。試驗結束后，立即拆樣，并測量試樣內不同高度土體的含水量。

1.2.2強度特性和滲透性能試驗

為了研究水泥穩(wěn)定碎石的強度性能，采用TAW—2000M型巖石多功能試驗機進行水泥穩(wěn)定碎石的無側限抗壓強度試驗，最大軸向力為2 000 kN，精度為1/200 000。

無側限抗壓強度試樣為直徑150 mm、 高150 mm的圓柱體。在圓柱體試模內分2層進行擊實制樣，為防止試驗過程中水分損失，在試樣周邊包裹1層塑料薄膜。待試樣制備完畢并靜置養(yǎng)護7 d后，在巖石多功能試驗機上進行無側限抗壓強度試驗。

采用自行研制開發(fā)的大直徑試樣常水頭滲透儀進行水泥穩(wěn)定碎石的滲透性能測試，大直徑試樣常水頭滲透儀的內徑為300 mm，高為550 mm，如圖2所示。

圖2　大直徑試樣常水頭滲透儀

滲透性能試驗時，在滲透儀內分5層進行擊實制樣，為防止試驗過程中水分損失，在試樣頂端放置1層塑料薄膜。待試樣制備完畢并靜置養(yǎng)護7 d后，進行滲透性能測試。

1.3　試驗方案

為了研究水泥摻量、顆粒級配對級配碎石凍脹性能、強度特性和滲透性能的影響規(guī)律，確定的試驗方案見表2。表2中試樣編號NCFx表示該試樣為不摻加水泥且粒徑在0.075 mm以下的細粒土含量為x(0，3%和5%)；試樣編號CyPz表示該試樣的水泥摻量為y(1%，3%和5%)，且不含某粒徑z(0.1，0.5和1.7 mm)以下的土顆粒。根據(jù)表1和表2中的顆粒級配和含水量配制試驗用土體，浸潤一晝夜，以保證土體的含水量均勻一致。制備試樣時，按照方案(見表2)要求摻加水泥并充分攪拌均勻，按97%壓實度分層擊實制備凍脹試樣、立方體試塊和滲透試樣。

表2　級配碎石工程性能試驗方案

2　多次反復凍脹融沉性能分析

2.1　土體溫度場

溫度、水分、土質是土體凍脹發(fā)生發(fā)展的3個主要影響因素，研究和分析土體溫度場、水分場特征對解釋凍脹機理，揭示土體的反復凍脹、融沉過程具有重要意義。

圖3為多次凍脹、融沉過程中試樣C5P0.5的內部溫度變化時程曲線，其中0 cm對應試樣的冷端(即為試樣頂端)，其凍融過程中的溫度變化范圍為-20～15 ℃；70 cm對應試樣的暖端(即為試樣底端)，其凍融過程中的溫度保持1 ℃。從圖3可以看出：在3次反復凍脹融沉過程中，土體內部溫度呈現(xiàn)周期性變化過程，且在同一時刻土體內部溫度隨深度增加呈現(xiàn)梯度式遞增或遞減，這與現(xiàn)場的實測土體溫度變化規(guī)律一致[24]； 3次凍融過程中，土體內部溫度變化過程基本一致，且每次凍結或融化過程均可劃分為快速降溫(升溫)階段、過渡階段和穩(wěn)定階段，其中快速降溫(升溫)階段的持續(xù)時間較短。

圖3　多次凍融過程中土體內部溫度時程曲線

圖4為每次凍融過程中不同時刻土體內部溫度隨深度的變化曲線。由圖4可見，各次凍融過程中土體內部溫度沿深度的變化過程基本一致；凍結過程中(0～72 h)，試樣土體沿深度可分為凍土段和未凍土段；融化過程中(72～120 h)，在快速升溫階段，試樣土體的頂端和底端均為正溫，而中部土體處于凍結狀態(tài)，即在融化初期土體內部存在凍土核。

圖4　土體內部溫度沿深度變化曲線

2.2　土體水分場

圖5為多次凍融過程中土體水分變化曲線。

圖5表明，土中未凍水的含量在凍脹時普遍減小，在融化時普遍增加。由于水分傳感器只能測定未凍水含量，對觀測水分遷移意義不大。

2.3　凍脹、融沉變形

在多次凍融過程中，土中的水反復結冰融化，導致土顆粒重新排列、土體積發(fā)生變化，是一個從不穩(wěn)定態(tài)向著動態(tài)穩(wěn)定態(tài)發(fā)展的過程。圖6為不同細粒土含量、不同水泥摻量和不同顆粒級配條件下土體反復凍脹、融沉的位移變化曲線。從圖6可以看出：多次凍融過程中土體發(fā)生了凍脹隆起、融沉下陷變形，且最大凍脹量均未出現(xiàn)在第1次凍脹過程中；不含細粒土的級配碎石試樣在經(jīng)歷3次凍融后呈現(xiàn)融沉壓縮現(xiàn)象(見圖6(a))；相比于水泥摻量的影響，顆粒級配對級配碎石凍脹變形的影響更為顯著，當去掉1.7 mm以下土顆粒時，級配碎石的凍脹變形基本上可以忽略(見圖6(c))。

圖5　多次凍融過程中土體水分變化曲線

2.4　凍脹率

通過分析上述土體溫度場和反復凍脹、融沉位移變化過程，可以得到試樣的最大凍結深度、最大凍脹變形。為了更好地評價水泥穩(wěn)定碎石的凍脹性能，采用凍脹率分析細粒土含量、水泥摻量和顆粒級配對水泥穩(wěn)定碎石凍脹性能的影響規(guī)律，各次凍脹過程中試樣的凍脹率計算結果見表3。

圖6　水泥穩(wěn)定級配碎石的凍融位移變化曲線

試樣編號凍脹率/%第1次凍脹第2次凍脹第3次凍脹NCF0028043036NCF3032078051NCF5025060070C1F3018036037C3F3007036040C3P01039053056C1P05035058059C3P05024042045C5P05024041043C3P17008009011C5P17012037039

表3表明：細顆粒含量由0增加到5%，凍脹率增加1倍；水泥的摻加使凍脹率有所減??；水泥摻量3%時對凍脹的抑制效果較好。

圖7為各次凍脹過程中凍脹率隨細粒土含量、水泥摻量以及顆粒粒徑的變化曲線。從圖7可以看出：當未摻加水泥且細粒土含量在3%附近時，其凍脹率較大(見圖7(a))，原因是細粒土含量增大到一定程度后，使密實度增大，阻塞了水分遷移通道，使得凍脹量反而有所減?。粚τ谌コ?.5 mm以下顆粒的級配碎石，其凍脹率隨水泥摻量的增加而減小并呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢(見圖7(b))；與細粒含量、水泥摻量相比，顆粒級配對水泥穩(wěn)定級配碎石凍脹率的影響最為顯著，凍脹率隨所去除顆粒粒徑的增大呈現(xiàn)先增大而后迅速減小的趨勢(見圖7(c))，這說明當級配碎石中既含有細粒土又摻加水泥時，具有較高的密實度，且滲透系數(shù)低，無法形成較大的凍脹量。

圖7　凍脹率與細粒含量、水泥摻量、顆粒粒徑的關系

2.5　凍脹率統(tǒng)計分析模型

凍脹率是反映路基凍脹變形的重要參數(shù)，目前國內外關于此方面的研究僅停留在定性上，沒有定量的計算方法或理論直接指導工程設計和施工。針對此問題，本文結合試驗結果，運用數(shù)理統(tǒng)計等手段，推導凍脹率的統(tǒng)計分析模型。

本次試驗針對11組試樣進行了凍脹試驗，每組試件進行3個循環(huán)，各組試件凍脹率的結果如圖8所示。

圖8　凍脹循環(huán)次數(shù)與凍脹率的關系

由圖8可知：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的凍脹率呈雙曲線分布，在第2次凍融循環(huán)時出現(xiàn)拐點，第3次則基本穩(wěn)定。因此，本文選取第3次試驗數(shù)據(jù)進行分析。鑒于本文數(shù)據(jù)量較小，本文選取除第1組NCF0以外的10組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用第1組NCF0數(shù)據(jù)進行驗證。

基于圖7所示的凍脹率隨細粒含量、水泥摻量級顆粒粒徑的變化規(guī)律可知，凍脹率與細粒含量、水泥摻量之間具有較好的指數(shù)函數(shù)關系，與顆粒粒徑呈現(xiàn)多項式關系。因此，本文將對上述3個因素進行三元線性回歸，從而得出凍脹率統(tǒng)計分析模型，具體如下。

lgζ=αex+ρey+μ1z+μ2z2+μ3z3+μ

(1)

式中：α，ρ，μ，μ1，μ2，μ3為回歸系數(shù)；ζ為凍脹率。

通過開展回歸分析，得出α=0.006 2，ρ=0.000 86，δ1=11.944，δ2=-21.103 8，δ3=-0.400 5，δ=-0.400 1，lgζ的標準差為0.063，回歸方程的殘差圖如圖9—圖11所示。

圖9　lgζ的殘差分布圖

圖10　ex的殘差分布圖

圖11　z的殘差分布圖

針對所提出的凍脹率統(tǒng)計分析模型，采用第1組數(shù)據(jù)進行驗證，將相關參數(shù)帶入式(1)中，得凍脹率為0.380，而實測值為0.36，兩者誤差約為5.6%，小于10%，具有較高的精度。值得注意的是凍脹率模型的研究涉及溫度場和濕度場兩大部分，非常復雜，本文基于室內試驗數(shù)據(jù)提出了凍脹率的統(tǒng)計分析模型，能夠為此方向的研究提供思路，但是該模型所采用的數(shù)據(jù)量較少，需要在后續(xù)的研究中不斷的優(yōu)化完善。

3　強度特性與滲透性能分析

凍脹是寒區(qū)高鐵路基設計、施工、運營過程中需要考慮的一個重要因素，級配碎石摻加水泥可有效改良其凍脹性能。但隨著水泥摻量的增加，水泥的膠結作用顯現(xiàn)，其性能接近素混凝土的特征，原有適用于填料的K30等評價指標在適用性方面存在局限性。為此，引入無側限抗壓強度和滲透系數(shù)2個指標對水泥穩(wěn)定級配碎石進行綜合評價，并最終得到適用于寒區(qū)高速鐵路路基基床的合理填料。

3.1　無側限抗壓強度

圖12和圖13分別為無側限抗壓強度隨水泥摻量和顆粒粒徑的變化曲線。由圖12和圖13可知：水泥摻量相同試樣的無側限抗壓強度隨著去除粒徑的增加而減小，相同級配試樣的無側限抗壓強度隨水泥摻量的增多而增大。也就是說，某種顆粒粒徑的缺失削弱了級配碎石的抗壓強度和密實程度；然而，水泥的摻加有效地彌補了由于某中粒徑缺失所導致的強度衰減現(xiàn)象。

圖12　抗壓強度隨顆粒粒徑的變化曲線

圖13　抗壓強度隨水泥摻量的變化曲線

3.2　滲透系數(shù)

表4為滲透系數(shù)試驗結果。由表4可知：試樣的滲透性和土體級配密切相關，去除土顆粒的粒徑越大，試樣的滲透性越好；水泥摻量越少，滲透性越好?？梢?，水泥摻量的增加雖然提高了級配碎石的抗壓強度，但也降低了級配碎石的滲透系數(shù)。

表4　滲透系數(shù)試驗結果

4　討　論

圖14—圖16給出了寒區(qū)高速鐵路路基凍脹率、抗壓強度以及滲透系數(shù)的相互關系。由圖14—圖16可以看出：除了含細粒土并摻加水泥的試樣(C3F3)以外，凍脹率與抗壓強度呈現(xiàn)正相關的關系(見圖14)，而凍脹率與滲透系數(shù)則呈現(xiàn)負相關的關系(見圖15)。綜合考慮凍脹率、抗壓強度和滲透系數(shù)，對于無滲水性要求的路基，基床填料宜選用細粒土含量3%、水泥摻量3%的級配碎石；而對于有滲水性要求的路基，基床填料宜選用滲透性好、抗壓強度和凍脹率較低的填料，即去除0.5 mm以下顆粒、水泥摻量為3%～5%的級配碎石作為基床填料。

圖14　凍脹率與抗壓強度的關系

圖15　凍脹率與滲透系數(shù)的關系

圖16　抗壓強度與滲透系數(shù)的關系

5　結　論

(1)采用凍脹率、無側限抗壓強度、滲透系數(shù)作為評價指標，綜合考慮寒區(qū)高速鐵路路基的凍脹問題、承載能力問題和排水問題，是一種行之有效的方法。

(2)單向凍結條件下，土體的凍結或融化過程可劃分為快速降溫(升溫)、過渡和穩(wěn)定3個階段，且在融化初期，土體中間部分存在凍土核。

(3)在保證基床強度滿足規(guī)范要求的前提下，0.5 mm以下粒徑土顆粒的缺失可以有效地削弱級配碎石的凍脹敏感性，提高級配碎石的滲透性能，但同時也明顯降低了級配碎石的強度，而水泥的適量(小于5%)摻加可有效地提高級配碎石的強度。

(4)綜合考慮凍脹率、抗壓強度和滲透系數(shù)，對于無滲水性要求的路基，基床填料宜選用細粒土含量為3%、水泥摻量為3%的級配碎石；而對于有滲水性要求的路基，基床填料宜選用去除0.5 mm以下細顆粒、水泥摻量為3%～5%的級配碎石。

(5)綜合考慮細粒含量、水泥含量及顆粒粒徑3個因素對凍脹率的影響規(guī)律，提出凍脹率的計算分析模型。盡管該模型所采用的數(shù)據(jù)量較少，需要在后續(xù)的研究中不斷的優(yōu)化完善，但能夠為后續(xù)的研究提供新思路。

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