金　蘭，熊治文，程　佳，蔡漢成，史向陽(yáng)

( 1．中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州　730000; 2．青海省凍土與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海格爾木　816000; 3．蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州　730070)

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高速鐵路路基粗顆粒填料凍脹特性改良試驗(yàn)研究

金蘭1，2，熊治文1，2，程佳1，2，蔡漢成1，2，史向陽(yáng)3

( 1．中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州730000; 2．青海省凍土與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海格爾木816000; 3．蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)

摘要:針對(duì)寒區(qū)高速鐵路出現(xiàn)的路基凍脹變形影響行車的問(wèn)題，以含有一定量粉土的級(jí)配碎石和A組填料為改良對(duì)象，向其中摻入水泥，通過(guò)擊實(shí)、界限含水率、滲透和凍脹試驗(yàn)，研究不同粉土和水泥摻量的粗顆粒填料的凍脹規(guī)律。結(jié)果表明，水泥的摻入可將粗顆粒填料的凍脹率控制在一定范圍內(nèi)。在增加粉土摻量的情況下，分別以凍脹率0. 1%和0. 2%為標(biāo)準(zhǔn)，確定了級(jí)配碎石和A組填料的水泥最佳摻量，可將路基凍脹變形控制在3. 55 mm以內(nèi)，小于規(guī)范要求的路基變形限值。

關(guān)鍵詞:高速鐵路路基凍脹粗顆粒填料凍脹特性改良

哈大高速鐵路在凍結(jié)影響范圍內(nèi)選用凍脹率≤1%的非凍脹粗顆粒填料，季節(jié)凍土區(qū)最大凍結(jié)深度超過(guò)2 m，產(chǎn)生的凍脹量會(huì)在20 mm以上，不符合《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》( TB 10020—2009)［1］中路基變形量不得大于15 mm的要求。研究［2-3］表明:哈大高速鐵路局部地段的路基凍脹較為嚴(yán)重，冬季以降速運(yùn)行應(yīng)對(duì)凍脹變形。目前在基床表層應(yīng)用的級(jí)配碎石中的細(xì)顆粒土含量控制在5%以內(nèi)，而從路基的各種結(jié)構(gòu)縫滲入的水分使填料的含水率增大，繼續(xù)降低細(xì)顆粒土的含量并不能減小凍脹變形，而且影響填料的壓實(shí)度。因此考慮向粗顆粒填料中加入無(wú)機(jī)材料，在增加細(xì)顆粒土摻量的同時(shí)，減弱填料的凍脹性。

經(jīng)過(guò)無(wú)機(jī)材料改良的填料已經(jīng)應(yīng)用在一般地區(qū)的高速鐵路路基中，針對(duì)改良填料物理力學(xué)特性的試驗(yàn)研究較多，而對(duì)改良填料凍脹特性的研究較少。譚麗華［4］通過(guò)加入水泥使土體的透水性降低，同時(shí)有效控制了水分的遷移，降低了析冰作用，從而控制了凍脹的發(fā)生。劉華等［5］對(duì)高速鐵路填料按凍脹敏感性進(jìn)行分類，認(rèn)為哈大高鐵路基防凍層宜采用細(xì)顆粒土含量＜5%的A，B組填料，并向A，B組填料中加入4%水泥，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出改良后填料具有良好的保溫效果和升溫速率。張傳［6］基于季節(jié)凍土區(qū)的路基凍脹問(wèn)題，使用石灰和鹽對(duì)填料進(jìn)行改良，研究改良土的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、凍融循環(huán)下的強(qiáng)度損失。韓春鵬等［7］以低液限黏土為原料，通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)石灰可以抑制黏土的凍脹。這些研究主要針對(duì)細(xì)顆粒土的凍脹特性進(jìn)行改良。

寒區(qū)高速鐵路主要為路基基床凍脹，級(jí)配碎石和A組填料分別填筑在基床表層和底層，因此本試驗(yàn)以級(jí)配碎石和A組填料為改良目標(biāo)，向其中摻入水泥，通過(guò)擊實(shí)、界限含水率、滲透和凍脹試驗(yàn)，研究不同摻量粉土和水泥的粗顆粒填料凍脹規(guī)律。

1　改良試驗(yàn)

1. 1試驗(yàn)原料

級(jí)配碎石由開(kāi)山塊石、砂礫石等組成，本試驗(yàn)所用級(jí)配碎石的粒徑級(jí)配符合《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，見(jiàn)表1。

表1級(jí)配碎石的粒徑級(jí)配

本試驗(yàn)所用A組填料的不均勻系數(shù)Cu為9. 92，曲率系數(shù)Cc為1. 01，為礫砂土，級(jí)配良好( Cu≥5，1＜Cc＜3)。本試驗(yàn)所用細(xì)顆粒土經(jīng)界限含水率試驗(yàn)測(cè)定，液限為24. 9%，塑限為15. 1%，塑性指數(shù)為9. 8，定名為低液限粉土。

1. 2試驗(yàn)方案

由于級(jí)配碎石和A組填料的顆粒粒徑不同，在相同溫度、水分條件下，其凍脹特性也有區(qū)別，因此采用不同的試驗(yàn)方案。

1. 2. 1級(jí)配碎石

向級(jí)配碎石中分別摻入15%，20%粉土，在此基礎(chǔ)上，向每組試樣中摻入3%，5%，7%水泥，進(jìn)行滲透和凍脹試驗(yàn)。為利于敘述，將級(jí)配碎石和A組填料的試樣進(jìn)行編號(hào)，見(jiàn)表2。

表2試樣參數(shù)

1. 2. 2 A組填料

向粉土摻量為12%的A組填料中分別摻入5%，7%，9%，10%水泥，通過(guò)凍脹試驗(yàn)，確定水泥的最佳摻量，然后再增加粉土摻量，研究摻入水泥后不同粉土摻量A組填料的凍脹性。

1. 3主要試驗(yàn)

本文中試驗(yàn)按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》( TB 10102—2010)［8］進(jìn)行。

1. 3. 1擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)可以測(cè)定試樣的最大干密度和最優(yōu)含水率。根據(jù)本試驗(yàn)所用材料的粒徑范圍和規(guī)范要求，采用重型擊實(shí)。

1. 3. 2滲透試驗(yàn)

由于土體顆粒之間存在孔隙，水在重力作用下由高處向低處透過(guò)土體的孔隙流動(dòng)，土體可被水透過(guò)的性質(zhì)稱為土的滲透性。衡量土體滲透性能的指標(biāo)稱為滲透系數(shù)。根據(jù)所測(cè)土樣的滲透性，滲透試驗(yàn)分為常水頭法和變水頭法。由于未摻入水泥的粗顆粒填料的滲透系數(shù)較大，所以采用常水頭滲透試驗(yàn)。水泥改良后的填料滲透系數(shù)減小，常水頭試驗(yàn)無(wú)法測(cè)出，改用變水頭試驗(yàn)測(cè)定。

1. 3. 3凍脹試驗(yàn)

土體的凍脹是當(dāng)土體凍結(jié)時(shí)，土體孔隙中原有的部分水分結(jié)冰體積膨脹以及部分未凍水向凍結(jié)鋒面遷移、聚集并凍結(jié)，使土體的體積產(chǎn)生不同程度增大的現(xiàn)象。衡量土體凍脹變形的特征值是凍脹量，當(dāng)土體單向凍結(jié)側(cè)向不發(fā)生變形時(shí)，以土體凍后高度與凍前高度之差作為凍脹量。在實(shí)際應(yīng)用中，由于不同地區(qū)的土質(zhì)、氣候條件不同，土體的凍結(jié)深度不同，凍脹量相差很大。用凍脹量很難比較不同地區(qū)土體凍脹性的大小，因此常采用土體凍脹量與凍結(jié)深度的比值作為土體凍脹變形的特征值，即凍脹率η。

式中:Δh為土體凍脹量，mm; Hf為土體凍結(jié)深度，mm。本試驗(yàn)采用的凍脹裝置見(jiàn)圖1。

圖1安裝就緒的凍脹試樣

2粗顆粒填料的試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，填料在改良前后的最優(yōu)含水率變化不大，在6%～7%之間。因此統(tǒng)一規(guī)定各組凍脹試樣含水率為7%，在壓實(shí)度0. 95、開(kāi)放補(bǔ)水的條件下進(jìn)行凍脹試驗(yàn)。滲透試驗(yàn)的試樣含水率為7%、壓實(shí)度為0. 85。

2. 1滲透試驗(yàn)

滲透試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可以看出:未摻入水泥的級(jí)配碎石的滲透系數(shù)較大，相當(dāng)于細(xì)砂(滲透系數(shù)1×10－3～6×10－3cm/s)［9］級(jí)別;摻入水泥后改良填料的滲透系數(shù)減小了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，相當(dāng)于粉質(zhì)黏土(滲透系數(shù)6×10－6～1×10－4cm/s)［9］。此外，隨著水泥摻量的增加，滲透系數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，說(shuō)明水泥對(duì)減小粗顆粒填料滲透性作用顯著。

表3級(jí)配碎石滲透試驗(yàn)結(jié)果

級(jí)配碎石填筑在基床表層，路基表面的水分從路基結(jié)構(gòu)縫、纖維混凝土裂縫、電纜槽接縫處滲入級(jí)配碎石內(nèi)，而下方鋪設(shè)的兩布一膜隔水層使水分不能繼續(xù)下滲，使級(jí)配碎石內(nèi)有積水的可能。隨著氣溫的降低，填料開(kāi)始凍結(jié)，積聚的水分會(huì)使局部地段路基產(chǎn)生過(guò)大的凍脹變形。經(jīng)過(guò)改良后的級(jí)配碎石的滲透性降低，使從路基表面滲入的水分減少，這樣就從水分來(lái)源角度減弱了基床表層的凍脹。

2. 2凍脹試驗(yàn)

2. 2. 1級(jí)配碎石

級(jí)配碎石在開(kāi)放補(bǔ)水條件下的凍脹試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4級(jí)配碎石的凍脹率

由表4可見(jiàn):水泥對(duì)減小級(jí)配碎石凍脹率的作用明顯，并且隨著水泥摻量的增加，凍脹率進(jìn)一步減小，當(dāng)凍脹率降到0. 1%以下時(shí)，不必要繼續(xù)增加水泥的摻量。因?yàn)楫?dāng)水泥摻量過(guò)大時(shí)，改良后的土體收縮性增大，容易產(chǎn)生較多的收縮裂縫，而且增加經(jīng)濟(jì)成本。

以改良后填料凍脹率小于0. 1%為控制標(biāo)準(zhǔn)，15%粉土的級(jí)配碎石水泥最佳摻量為3%，20%粉土的級(jí)配碎石水泥最佳摻量為5%。這樣基床表層的凍脹量可控制在1 mm以內(nèi)，很大程度上減少高速鐵路路基來(lái)自基床表層的凍脹。

2. 2. 2 A組填料

A組填料在開(kāi)放補(bǔ)水條件下的凍脹試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 A組填料的凍脹率

由表5可見(jiàn):粉土摻量為12%時(shí)A組填料凍脹率是1. 61%，而摻有15%粉土的級(jí)配碎石在相同條件下凍脹率為0. 49%，說(shuō)明土的凍脹特性與土的顆粒組成有密切關(guān)系，即土的凍脹具有隨顆粒粒徑減小而增大的特點(diǎn)。粉土摻量一定時(shí)A組填料凍脹率隨水泥摻量的增加而減小。在水泥摻量從5%增大到7%的過(guò)程中，凍脹率減小幅度最大;當(dāng)超過(guò)7%后，減小趨勢(shì)逐漸趨于平緩。所以當(dāng)凍脹率可以控制在一定范圍內(nèi)時(shí)，再增加水泥的摻量是不合適的。對(duì)于粉土摻量為12%的A組填料，水泥最佳摻量為9%，再考慮試驗(yàn)過(guò)程中的誤差，可將凍脹率控制在0. 2%以內(nèi)。

為研究一定水泥摻量時(shí)不同粉土摻量A組填料的凍脹性，在水泥摻量為9%時(shí)，將粉土摻量增加至15%和17%，測(cè)定其凍脹率變化情況。結(jié)果參見(jiàn)表5。可見(jiàn)，摻入15%粉土?xí)rA組填料凍脹率為0. 25%，摻入17%粉土?xí)rA組填料凍脹率為0. 49%，即隨粉土摻量增加凍脹率在增大。粉土摻量在17%以內(nèi)時(shí)，9%水泥可將A組填料凍脹率控制在0. 5%以內(nèi)，這時(shí)總凍脹量不超過(guò)8. 05 mm。如果將A組填料的凍脹率減小至0. 2%，則需進(jìn)一步增加水泥的摻量。

丁靖康等人的研究［10］表明:當(dāng)顆粒粒徑＞0. 1 mm時(shí)，水分向背離凍結(jié)鋒面的方向遷移，引起凍脹的水分主要是土中孔隙水，凍脹率一般＜0. 2% ;當(dāng)粒徑為0. 1～0. 02 mm時(shí)，水分向凍結(jié)鋒面遷移，形成薄層冰，凍脹率一般為0. 5%～2. 0% ;當(dāng)顆粒粒徑為0. 02～0. 002 mm時(shí)，水分向凍結(jié)鋒面遷移作用強(qiáng)烈，可形成厚層冰或冰透鏡體，凍脹率一般＞3%，如果有水分補(bǔ)給，凍脹率可超過(guò)10% ;粒徑＜0. 002 mm后，因?yàn)轲ね令w粒的表面能大，能強(qiáng)烈吸附土中水分，成為黏土顆粒表面的強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水，這時(shí)水分遷移困難，凍脹性減弱。對(duì)比級(jí)配碎石和A組填料的顆粒篩分試驗(yàn)結(jié)果可以得到: A組填料中粒徑＜0. 1 mm的土顆粒含量為26. 7%，而級(jí)配碎石為15%，級(jí)配碎石的顆粒粒徑較大，因此A組填料在凍結(jié)時(shí)水分向凍結(jié)鋒面的遷移作用比較強(qiáng)，產(chǎn)生的凍脹量較大。

3　結(jié)論

1)經(jīng)過(guò)水泥改良的級(jí)配碎石的滲透性大幅度降低，并且隨著水泥摻量的增加，滲透系數(shù)呈減小趨勢(shì)。由于級(jí)配碎石層在冬季凍結(jié)后進(jìn)入的水分無(wú)法排出，會(huì)產(chǎn)生一定量的凍脹變形，而改良后級(jí)配碎石滲透性較低，這樣從路基表面滲入的水分減少，控制了產(chǎn)生凍脹變形的水分來(lái)源。

2)在開(kāi)放補(bǔ)水的凍結(jié)條件下，水泥有效地減弱了級(jí)配碎石和A組填料的凍脹性，并且隨著水泥摻量的增加，這種凍脹率減小趨勢(shì)逐漸趨于平緩，分別以凍脹率0. 1%和0. 2%為控制標(biāo)準(zhǔn)，確定了級(jí)配碎石和A組填料的最佳水泥摻量。

3)在粉土摻量相當(dāng)?shù)臈l件下，級(jí)配碎石的凍脹率小于A組填料，而且若將凍脹率控制在同一范圍內(nèi)，A組填料需摻入更多的水泥，說(shuō)明A組填料的凍脹性較強(qiáng)，即土的凍脹具有隨顆粒粒徑減小而增大的特點(diǎn)。

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(責(zé)任審編葛全紅)

Experimental study on frost heave performance improvement of coarse grain filling in high speed railway subgrade

JIN Lan1，2，XIONG Zhiwen1，2，CHENG Jia1，2，CAI Hancheng1，2，SHI Xiangyang3

( 1．Northwest Research Institute Co．，Ltd．，China Railway Engineering Corporation，Lanzhou Gansu 730000，China; 2．Qinghai Province Key Laboratory of Permafrost and Environmental Engineering，Golmud Qinghai 816000，China; 3．School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China)

Abstract:Given that the high speed railway subgrade in extremely cold areas is plagued by frost heave-induced deformation，the paper takes graded crash stones with silty soil and group-A fillings as the experiment subjects and adds cement within．By performing compaction，test of moisture content limit，permeability and frost heave test，the paper identifies the frost heave patterns for different coarse grain with different soil and cement mix．T he results show that cement helps maintain the frost heave ratio within certain range．As silty soil is added，the paper works out the most preferable cement mix for both specimens with frost heave ratio of 0. 1% and 0. 2% as standard value．By doing so，the deformation occurred falls below 3. 55 mm，lower than the deformation limit value．

Key words:High Speed railway; Frost heave of subgrade; Coarse grain filling; Frost heave performance; Improvement

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 02-0102-04

作者簡(jiǎn)介:金蘭( 1989—)，女，碩士。

基金項(xiàng)目:中鐵西北科學(xué)研究院創(chuàng)新項(xiàng)目( K2014009)

收稿日期:2015-05-10;修回日期: 2015-09-28

中圖分類號(hào):U416．03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．25