季節(jié)性凍土區(qū)路基基床粗顆粒土填料凍脹特性研究

趙洪勇，閆宏業(yè)，張千里，程遠水

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

隨著我國寒區(qū)鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，在施工和運營中出現(xiàn)的路基填料凍脹病害亟需研究。高速鐵路對路基基床穩(wěn)定和工后沉降的要求十分嚴格?！惰F路特殊土路基設(shè)計規(guī)范》(TB 10035—2006)規(guī)定粗顆粒土在細粒含量不大于15%情況下不考慮凍脹問題，高速鐵路對季節(jié)性凍土區(qū)域粗顆粒土平均凍脹率要求不大于1%。

基床填料是影響路基凍脹的最主要因素，季節(jié)性凍土區(qū)域路基基床填料不僅要滿足常規(guī)路基填料要求，還要符合抗凍性要求。本文以我國東北季節(jié)性凍土區(qū)某鐵路客運專線路基基床底層A、B組填料為研究對象，通過凍脹試驗研究影響路基填料凍脹的主要因素對凍脹率的影響。

1 試驗概況

土樣取自東北吉林某客運專線路基基床底層A、B組填料取土場。該地段屬于季節(jié)性凍土區(qū)，年平均氣溫在6℃左右，年極端最低氣溫可達－35℃，季節(jié)凍結(jié)深度約為150 cm，因此路基基床凍脹病害對上部結(jié)構(gòu)物的威脅非常大，嚴重時會造成工程的直接破壞，或減少運營使用的壽命，造成巨大損失。

該路基基床A、B組填料的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 填料的基本性質(zhì)

取不同含水率狀態(tài)下的土樣在相同試驗條件下進行試驗，試驗時密封試樣，使其與大氣隔絕，以免水分進入引起含水率增大，以研究不同含水率下填料的凍脹規(guī)律。

取不同細粒含量的土樣在相同試驗條件下進行凍脹試驗，以研究該類填料細粒含量對其凍脹特性的影響。

取不同凍結(jié)溫度的土樣在相同試驗條件下進行試驗，以研究凍結(jié)溫度對填料凍脹特性的影響。

表2列出了各試驗方案樣品的基本參數(shù)。

試樣直徑為160 mm，高度為200 mm，干密度為2.1 g/cm3，凍脹方式為有側(cè)限單向凍脹。為模擬施工現(xiàn)場環(huán)境，試樣側(cè)向及底部采用厚度10 cm的絕熱保溫材料，試樣底部為凍結(jié)端。設(shè)置熱敏電阻溫度探頭以記錄試驗過程中溫度變化，變形傳感器安置在試樣頂部以記錄軸向變形，樣品剖面溫度及軸向變形定時自動采集，試驗結(jié)束繼續(xù)測定樣品的含水率、密度等參數(shù)。試樣凍結(jié)時間為72 h。使試樣在72 h內(nèi)由0℃按每小時降低2℃速率降至預先設(shè)定凍結(jié)溫度后停止降溫，保持恒定的冷端溫度直至凍脹停止。若72 h后試樣內(nèi)部溫度梯度未達到恒定，且凍脹變形持續(xù)增加，則需繼續(xù)進行試驗直至凍脹變形穩(wěn)定才終止試驗。在整個凍脹試驗過程中實時采集試樣內(nèi)部溫度和頂端位移。

表2 不同試驗方案樣品參數(shù)

2 試驗結(jié)果分析

2.1 路基基床A、B組填料含水率與凍脹率

凍脹源于土體凍結(jié)過程中內(nèi)部水的遷移和凝結(jié)。試驗測得不同含水率時填料的凍脹率見表3，可見該A、B組填料在相同凍結(jié)溫度(－40℃)和相同細粒含量(5%)時，隨含水率的增大凍脹率隨之增大。這是因為土體在凍結(jié)過程中水結(jié)冰膨脹，推動土顆粒重新排列進而增大了土體孔隙，土體中含水越多，水凝結(jié)成冰后膨脹體積越大，土體的凍脹量也越大。

表3 不同含水率時填料的凍脹率

土樣含水率7%，9%時的凍脹率分別達到1.54%，2.82%，均超出高速鐵路對季節(jié)性凍土區(qū)域粗粒土填料平均凍脹率不大于1%的規(guī)定，說明該填料在含水率充分且凍結(jié)溫度較低時會出現(xiàn)凍脹問題。建議對季節(jié)性凍土區(qū)域粗顆粒土在細粒含量＜15%的情況下仍要通過室內(nèi)凍脹試驗確定其凍脹性。

2.2 路基基床A、B組填料細粒含量與凍脹率

保持相同的含水率(5%)進行凍脹試驗，當粗顆粒土中含有細顆粒時，增加了薄膜水的含量和連續(xù)性，細粒含量越大粗顆粒土就越容易發(fā)生凍脹問題。不同細顆粒含量時填料凍脹率試驗結(jié)果見表4?？梢婋S著土樣中細粒含量的增加，填料的凍脹率也隨著增加，但凍脹率增加速率在減少，說明粗粒土填料中細粒含量達到一定數(shù)值在含水充分時會加劇凍脹。

表4 不同細粒含量時填料的凍脹率

2.3 路基基床A、B組填料凍結(jié)溫度與凍脹率

在相同細粒含量(5%)下選取不同含水率進行不同凍結(jié)溫度的凍脹率試驗，結(jié)果見表5及圖1。

表5 不同凍結(jié)溫度時填料的凍脹率

圖1 相同細粒含量(5%)不同凍脹溫度下填料凍脹率隨含水率變化曲線

土樣由常溫降低到－5℃時，凍脹變化非常明顯，隨著溫度的降低，凍脹發(fā)展趨于緩慢，溫度降低到－20℃時，凍脹率變化不甚明顯，凍脹率增加的速率逐漸減少。這是由于土顆粒中存在結(jié)合水、毛細水和自由水，其冰點各不相同。土樣由常溫降低到－5℃時，土顆粒中的自由水和毛細水基本都會結(jié)成冰，這兩種水在土中含量占大多數(shù)，所以凍脹比較明顯。隨著溫度的不斷降低，自由水和毛細水都已大部分結(jié)冰，以后凍脹緩慢。－20℃以后，土顆粒中只有結(jié)合水是未凍脹水，僅有少部分結(jié)冰，所以凍脹趨于不明顯。

3 結(jié)論

1)所研究的路基基床A、B組填料土樣凍脹率與含水率關(guān)系明顯，凍脹率隨著土體含水率增大而增大。該填料細顆粒含量＜15%時在含水充分且凍結(jié)溫度較低時測得的平均凍脹率＞1%，超出規(guī)范規(guī)定。因此建議季節(jié)性凍土區(qū)域粗顆粒土在細粒含量＜15%的情況下，仍要進行室內(nèi)凍脹試驗確定其凍脹性。

2)在保持含水率和凍結(jié)溫度不變的情況下，隨著土樣中細粒含量的增多，凍脹率隨之增大，凍脹率的增長率逐漸變小。

3)土樣由常溫降低到－5℃時，凍脹率變化非常明顯;隨著溫度的進一步降低，凍脹發(fā)展趨于緩慢;溫度降低到－20℃時，凍脹率變化不甚明顯，凍脹率增加的速率逐漸減少。

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