李 軍

(中國(guó)神華神朔鐵路分公司，陜西 榆林 719316)

季節(jié)性凍土地區(qū)鐵路路基因低溫、細(xì)顆粒填料和地下水等原因，常在冬季發(fā)生路基凍脹[1-3]。神朔鐵路是我國(guó)第二條西煤東運(yùn)的大通道神黃線的一部分，單線設(shè)計(jì)運(yùn)輸能力為 3 500萬(wàn)t。該線每年冬季因線路局部的嚴(yán)重凍害而影響其正常運(yùn)行，極大地制約了煤炭外運(yùn)能力[4]。本文研究該線路填料的凍脹特性和凍害的發(fā)生機(jī)理，從而為整治路基凍害提供借鑒。

王春雷[5]等建立季節(jié)性凍土地區(qū)路基凍脹變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用以監(jiān)測(cè)高速鐵路路基在嚴(yán)寒地區(qū)的凍脹與融沉變形特征。石剛強(qiáng)[6]等通過(guò)對(duì)嚴(yán)寒季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基的變形監(jiān)測(cè)，探討了不同形式的路基結(jié)構(gòu)路基凍脹特性在多個(gè)凍融周期內(nèi)的變化規(guī)律,認(rèn)為采用路基基床表層整體結(jié)構(gòu)可明顯降低凍脹變形。冷景巖[7]等控制季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基填料的級(jí)配，通過(guò)室內(nèi)的一維凍脹試驗(yàn)研究填料的凍脹特性，認(rèn)為控制填料細(xì)顆粒含量有利于排水和降低凍脹變形。王青志[8]等進(jìn)行了季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基基床表層填料級(jí)配碎石的多因素多水平正交凍脹試驗(yàn)，研究在不同含水率、細(xì)顆粒含量、冷端溫度等條件下級(jí)配碎石的凍脹特性。魏厚振[9]等通過(guò)把室內(nèi)凍脹試驗(yàn)的邊界溫度和土樣高度作為變量，對(duì)飽和粉土進(jìn)行了凍結(jié)試驗(yàn)，研究其水分遷移、水分重分布、凍脹和冰透鏡體的發(fā)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)土樣越高，凍脹率越小，凍土段含水率增量越小。邰博文[10]等對(duì)哈齊高鐵泰康試驗(yàn)段的地溫和變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并提出了凍脹過(guò)程中的陰陽(yáng)坡效應(yīng)。目前，對(duì)路基凍脹特性的研究中，逐漸通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)路基凍脹變形的監(jiān)測(cè)，但無(wú)法監(jiān)測(cè)凍脹過(guò)程中水分遷移的情況，且造價(jià)昂貴。近些年來(lái)對(duì)寒區(qū)鐵路路基填料凍脹特性的研究主要集中在高速鐵路，對(duì)既有重載鐵路路基填料的凍脹特性研究較少，且研究中缺乏列車荷載對(duì)填料凍脹特性影響的探討。

本文采用封閉系統(tǒng)凍脹室內(nèi)試驗(yàn)，以神朔鐵路路基填料中低液限粉土填料作為試驗(yàn)土樣，分析其在冷端溫度、含水率、壓實(shí)系數(shù)3個(gè)條件下的凍脹特性，得出該類型填料凍脹率與水分重分布規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 土性參數(shù)

試驗(yàn)所用的土樣為神朔鐵路上行K223+200處路基路肩下0.5 m的填料經(jīng)實(shí)驗(yàn)室過(guò)1 mm篩得到。該處已被確定為嚴(yán)重凍害地段。根據(jù)《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB 10102—2010)[11]進(jìn)行該試驗(yàn)土樣的顆分試驗(yàn)和液塑限測(cè)定，并根據(jù)《鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》(TB 10077—2001)[12]確定該試驗(yàn)土樣為低液限粉土。試驗(yàn)土樣的物理指標(biāo)見表1，試驗(yàn)土樣級(jí)配曲線見圖1。

圖1 試驗(yàn)土樣的級(jí)配曲線

1.2 土樣準(zhǔn)備與試驗(yàn)計(jì)劃

根據(jù)TB 10102—2010凍脹量試驗(yàn)規(guī)程中有關(guān)土樣和試樣制備的要求，制取不同初始含水率、直徑150 mm、高150 mm的圓柱體試樣，壓實(shí)系數(shù)為0.89和0.93。將試樣盒和加載系統(tǒng)放在低溫室中，溫度傳感器通過(guò)試樣盒邊上的測(cè)溫孔插入土體中。試樣盒周圍用泡沫塑料保溫，以確保其單向凍結(jié)。

試驗(yàn)開始前先使試樣在1 ℃條件下恒溫穩(wěn)定，然后開啟加載系統(tǒng)，同時(shí)頂板的溫度保持固定的負(fù)溫(冷端冷卻溫度)，底板溫度保持1 ℃不變(暖端溫度)，使土自上而下凍結(jié)。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)溫度位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控試樣的溫度變化和凍脹量；凍結(jié)72 h后在低溫室把試樣按每層3 cm切成薄片測(cè)定含水率。

通過(guò)氣象資料確定當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁貫? ℃左右，其中1月最冷，平均氣溫約-13 ℃，冷季平均氣溫-5 ℃。本文采用單一變量分析法共進(jìn)行12組封閉試驗(yàn)，每組試驗(yàn)凍結(jié)時(shí)間為72 h。試驗(yàn)變量參數(shù)取值見表2。

表2 單一變量分析法中試驗(yàn)變量參數(shù)

2 不同條件下試驗(yàn)土樣的凍脹特征

根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中土樣的凍脹變形特征，以24 h為時(shí)間段將土樣的凍脹變形分為3個(gè)階段進(jìn)行分析。第1階段為凍脹快速發(fā)展階段，冷端部位的土體迅速凍結(jié)，且最上部土體水分發(fā)生原位凍結(jié)，當(dāng)含水率較大時(shí)，冰的體積大于土體孔隙體積，導(dǎo)致凍脹快速發(fā)生。第2階段為相對(duì)穩(wěn)定階段，該階段土體內(nèi)部溫度場(chǎng)逐漸趨于穩(wěn)定，該階段由已凍段未凍水和下部水分遷移轉(zhuǎn)換為冰而增加凍脹量。第3階段為穩(wěn)定階段，該階段土樣內(nèi)部溫度已經(jīng)穩(wěn)定，微小的凍脹量由未凍段水分遷移結(jié)冰為主，而未凍段含水率已遠(yuǎn)低于初始含水率。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，不同試驗(yàn)條件下土樣在各個(gè)階段的凍脹量見表3。

表3 不同試驗(yàn)條件下土樣各階段的凍脹量 mm

2.1 初始含水率

凍脹率定義為某時(shí)刻凍脹量與凍結(jié)深度的比值，表示為

ηf=h/Hf×100%

(1)

式中：ηf為凍脹率；h為凍脹量，mm；Hf為凍結(jié)深度(不包括凍脹量)，mm。

按式(1)計(jì)算不同試驗(yàn)條件下土體凍脹率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖2。可知：初始含水率為15%時(shí)，不論壓實(shí)系數(shù)和冷端溫度如何變化，土樣并未發(fā)生凍脹，而初始含水率達(dá)到18%后發(fā)生顯著凍脹，故15%為該試驗(yàn)土樣的起始凍脹含水率，在試驗(yàn)結(jié)果分析時(shí)，將其作為土樣0凍脹參照組，用以對(duì)比土體含水率分別為18%和21%的凍脹效果。

圖2 土體凍脹率統(tǒng)計(jì)

起始凍脹含水率與最優(yōu)含水率大小相近，隨著初始含水率的提高，土樣凍脹量隨著凍脹時(shí)間的推移逐漸增大，含水率越高，凍脹率越大。其他實(shí)驗(yàn)條件一致時(shí)，凍脹率隨著初始含水率的增大而增大，趨勢(shì)逐漸放緩。

對(duì)于季節(jié)性凍土的凍脹性，通常用凍脹率來(lái)描述，《凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50324—2014)[13]給出的凍脹等級(jí)與凍脹率關(guān)系見表4。

表4 凍脹等級(jí)與凍脹率關(guān)系

根據(jù)12組封閉試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含水率較高的封閉凍脹試驗(yàn)組，凍脹率均超過(guò)2%，多數(shù)已超3.5%甚至超過(guò)5%，故該土凍脹等級(jí)屬于“凍脹”。

2.2 冷端溫度

不同初始含水率土樣的凍脹量增長(zhǎng)曲線見圖3?？芍弘S著冷端溫度的降低，18%和21%含水率的試樣最大凍脹量變大。含水率和壓實(shí)系數(shù)相同時(shí)，冷端溫度的降低也會(huì)導(dǎo)致前期凍脹速率增大，凍脹量和凍脹率逐漸增大。

圖3 土樣凍脹量增長(zhǎng)曲線

由試驗(yàn)可知，當(dāng)冷端溫度從-3 ℃降低至-5 ℃后，土樣的凍結(jié)深度會(huì)增大，對(duì)應(yīng)凍深增大范圍內(nèi)的液態(tài)水變成冰引起體積變化導(dǎo)致凍脹量增大。另外凍土中未凍水含量成指數(shù)形式降低，導(dǎo)致已凍土段的含冰量增大。除此之外，冷暖兩端的溫度差異越大，凍土段的分凝勢(shì)越大，未凍土段的水分遷移越明顯，也導(dǎo)致封閉條件下土體內(nèi)部更多的水分轉(zhuǎn)化成固相。

2.3 壓實(shí)系數(shù)

相同含水率條件下，壓實(shí)系數(shù)越高，單位體積土樣的孔隙越小，飽和度越高。土樣中水的質(zhì)量增大，毛細(xì)作用增強(qiáng)，導(dǎo)熱能力增強(qiáng)，引起水分的遷移。另外未凍段土體骨架更為緊密，強(qiáng)度和剛度更高，凍脹力引起的壓縮變形量更小，使得凍脹量增大。

凍脹速率定義為凍脹過(guò)程中凍脹增量與時(shí)間增量的比值，即

(2)

式中：ηt為凍脹速率，mm/h；Δh為凍脹增量，mm；Δt為時(shí)間增量，h。

按式(2)計(jì)算12組常規(guī)試驗(yàn)過(guò)程中土體的凍脹速率，結(jié)果見圖4?？芍簤簩?shí)系數(shù)為0.89時(shí)，凍脹速率在2 h時(shí)達(dá)到最大之后急速下降，大約8 h后再次增大，在30 h后趨于穩(wěn)定。壓實(shí)系數(shù)為0.93時(shí)，自凍結(jié)開始后，凍脹速率逐漸增大，在10 h左右達(dá)到峰值后緩慢下降，超過(guò)40 h數(shù)值較小。兩者之間的區(qū)別是因?yàn)椋孩賶簩?shí)系數(shù)較小時(shí)，土顆粒和水質(zhì)量較低，導(dǎo)熱系數(shù)小，未凍水結(jié)冰時(shí)釋放潛熱使得凍結(jié)峰面下移放緩；②壓實(shí)系數(shù)小，孔隙率高，頂端的原位凍結(jié)使水分排走得更快，凍脹速率下降。

圖4 土體凍脹速率曲線

綜上所述，土體凍脹速率受壓實(shí)系數(shù)的影響較大。在凍脹快速發(fā)展階段，壓實(shí)系數(shù)越大，凍脹速率越大，導(dǎo)致凍脹量和凍脹率越大；在凍脹相對(duì)穩(wěn)定階段，壓實(shí)系數(shù)較大時(shí)，凍脹速率較大，導(dǎo)致凍脹量和凍脹率的繼續(xù)增大；進(jìn)入凍脹穩(wěn)定階段后，不論壓實(shí)系數(shù)大小，凍脹速率保持在相對(duì)小值，凍脹量和凍脹率幾乎恒定。在其他試驗(yàn)條件相同的條件下，壓實(shí)系數(shù)越大，凍脹量越大。

3 結(jié)論與建議

1)土樣凍脹率和水分遷移隨著含水率增大而顯著增大；在近飽和狀態(tài)，土樣的凍脹率多數(shù)已經(jīng)超過(guò)3.5%，凍脹性等級(jí)屬于“凍脹”。

2)低液限粉土填料的初始凍脹含水率和最優(yōu)含水率相當(dāng)，約為15%；隨著土體初始含水率從15%增大到21%，凍脹量和凍脹率顯著增大。

3)含水率和壓實(shí)系數(shù)相同時(shí)，冷端溫度的降低也會(huì)導(dǎo)致前期凍脹速率增大，凍脹量和凍脹率逐漸增大。冷端溫度絕對(duì)值增大，凍脹量和凍脹率顯著增大。

4)隨著壓實(shí)系數(shù)從0.89增大到0.93，其他條件相同時(shí)的凍脹量和凍脹率略有增大。

建議在雨季做好路基的防排水工作，從而降低寒季時(shí)路基填料含水率，降低線路凍脹。

[1]徐斅祖,王家澄,張立新.凍土物理學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[2]閆宏業(yè),蔡德鉤,張千里,等.鐵路路基凍害防治保溫技術(shù)研究[J].鐵道建筑,2015,55(1):51-55.

[3]楊有海,沈鑫,于洪欽,等.蘭新高速鐵路高寒區(qū)段路基凍害分析與整治[J].鐵道建筑,2017,57(10):88-92.

[4]尹成斐.朔黃鐵路神池南站咽喉路基病害檢測(cè)與分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2012(3):65-67,70.

[5]王春雷,張戎墾,趙曉萌,等.季節(jié)凍土區(qū)高速鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及凍脹規(guī)律研究[J].冰川凍土,2014,36(4):962-968.

[6]石剛強(qiáng),王珣.哈大鐵路客運(yùn)專線路基填料凍脹性試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑,2011,51(10):61-63.

[7]冷景巖,付新平,楊軍杰,等.高速鐵路路基填料凍脹試驗(yàn)研究[J].冰川凍土,2015,37(2):440-445.

[8]王青志,劉建坤,田亞護(hù),等.寒區(qū)級(jí)配碎石凍脹正交試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2015,36(10):2825-2830,2836.

[9]魏厚振,周家作,韋昌富,等.飽和粉土凍結(jié)過(guò)程中的水分遷移試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2016,37(9):2547-2552,2560.

[10]邰博文,岳祖潤(rùn),劉建坤,等.嚴(yán)寒地區(qū)客專路堤陰陽(yáng)面地溫及變形差異分析[J].鐵道學(xué)報(bào),2017,39(3):82-89.

[11]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10102—2010 鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2010.

[12]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10077—2001 鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2001.

[13]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50324—2014 凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2015.