嚴寒地區(qū)鐵路路基防凍脹改良土封閉層控制標準研究

溫立光 曾帥 張守超 張棟

1.包滿鐵路有限責(zé)任公司，呼和浩特010050；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；3.中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京102600

在我國北方嚴寒地區(qū)修建高速鐵路，當?shù)氐姆纼雒浱盍陷^少?？紤]到經(jīng)濟環(huán)保的要求，亟須進行填料改良研究。采用單純摻加水泥、石灰的改良土填筑的路基，經(jīng)受列車動荷載、大氣降雨和溫度的作用后，會出現(xiàn)開裂、剝落等病害，對路基防滲、防凍脹等功能及長期穩(wěn)定性造成較大影響，尤其是基床上部［1］。

土壤經(jīng)過改良后抗壓強度和抗剪強度會顯著提高，在道路基層及以下部位填筑和構(gòu)筑物地基處理中改良土應(yīng)用廣泛。由于鐵路對路基變形控制要求較為嚴格，改良土發(fā)展初期在鐵路上應(yīng)用比較少。自20世紀70年代以來，美國、日本等國家逐步在鐵路路基填料中推廣使用改良土，通過在實際應(yīng)用中對出現(xiàn)的問題進行改進和總結(jié)，獲得了大量成功經(jīng)驗［2］。《德國鐵路工程設(shè)計規(guī)范匯編》（DS836）提出對于粉砂和黏性土等不良路基填料，可以通過加入水泥、石灰粉、石灰漿等進行改良［3］。中國從鐵路第6次大提速開始，對路基的技術(shù)要求不斷提高，路基填料改良研究隨之展開，并獲得了大量成果［4-5］。

對于在基床表層填料中摻加綜合改良劑提高其強度及防凍脹性能，目前尚未開展過研究。本文對防凍脹改良土用于基床表層填料時的控制指標進行探討，通過室內(nèi)試驗研究防凍脹耐久性好的改良土方法和配方，并進行現(xiàn)場試驗。結(jié)合包滿鐵路巴滿（巴音花—滿都拉）試驗段探討路基基床表層改良土防凍脹封閉層結(jié)構(gòu)控制標準，為嚴寒地區(qū)高速鐵路建設(shè)提供技術(shù)儲備。

1 防凍脹改良土路基填料控制標準

美國PCA（Portland Cement Association，美國波特蘭水泥協(xié)會）標準（1992年）和美國陸軍工程兵團（United States Army Corps of Engineers，USACE）技術(shù)手冊用12個干濕（凍融）循環(huán)的質(zhì)量損失率作為改良土耐久性的控制標準［6-7］。美國墾務(wù)局（United States Bureau of Reclamation，USBR）《大壩水泥土護坡設(shè)計準則》（1986年）還規(guī)定了水泥土7 d最低抗壓強度為4 MPa，28 d最低抗壓強度為6 MPa。日本在改良土性能控制上以單軸抗壓強度作為控制指標，要求單軸抗壓強度達到基床表面列車荷載的5倍以上。德國規(guī)定，固化土在性能檢測范圍內(nèi)，28 d穩(wěn)定后強度達到6 MPa。

中國鐵路系統(tǒng)通過強度和耐久性兩項指標來控制改良土的性能，對于嚴寒地區(qū)高速鐵路路基凍結(jié)深度范圍內(nèi)的填料要求更加嚴格，須控制級配、抗凍性、滲透性。TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》要求：嚴寒地區(qū)改良土用于基床底層時，7 d飽和無側(cè)限抗壓強度大于等于550 kPa；耐久性標準以5次干濕循環(huán)和凍融循環(huán)后強度的損失率來控制，無論是用質(zhì)量損失率還是用強度損失率作為控制指標，其損失后的路基強度都不應(yīng)低于標準設(shè)計強度。

各國對高速鐵路路基防凍脹要求與高速鐵路運營速度以及氣候環(huán)境有關(guān)。俄羅斯、中國、德國、日本對高速鐵路路基在基床表層填料防凍脹要求基本相當。俄羅斯對基床底層填料的防凍脹要求沒有中國、德國、日本嚴格，見表1。

表1 各國防凍脹填料標準

對于防凍脹改良土填料應(yīng)用于路基基床表層的控制指標及標準目前尚無明確的論述。本文結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)狀，提出防凍脹改良土用于基床表層的控制標準——由凍脹率、滲透性、12次凍融循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強度3項指標組成，并通過凍脹試驗、滲透試驗和飽和凍融無側(cè)限抗壓強度試驗進行了驗證。

1.1 凍脹率

文獻［8］發(fā)現(xiàn)封閉系統(tǒng)條件下，凍脹率隨含水率及細顆粒含量的增加而增大。對于凍結(jié)深度較大的嚴寒地區(qū)，文獻［9］提出將凍脹率作為防凍脹標準的主要控制指標，凍融循環(huán)作用下的無側(cè)限抗壓強度作為次要指標評價耐久性。

根據(jù)軌道維修標準，軌面落差4 mm時需要維修，凍結(jié)深度放大系數(shù)取1.3，則對應(yīng)的最大凍脹率η=0.004∕（1.3h），h為凍結(jié)深度。

通過查閱相關(guān)資料可知，我國東北地區(qū)凍結(jié)深度為1.5～3.0 m，計算得到最大凍脹率為0.001～0.002。

1.2 滲透性

冷景巖等［10］通過哈齊（哈爾濱—齊齊哈爾）客運專線現(xiàn)場試驗研究了路基填料的滲透性能，確定了A、B組填料的細顆粒含量和滲透系數(shù)控制指標。

基床表層Ⅰ型級配碎石滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10-6m∕s，改良土封閉層防滲功能不應(yīng)低于Ⅰ型級配碎石，即其滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10-6m∕s。

1.3 無側(cè)限抗壓強度

取標準活載20 t，雙線客貨共線動力沖擊系數(shù)0.003，設(shè)計速度200 km∕h，道砟層厚0.35 m，道砟層模量300 MPa。結(jié)合有限元數(shù)值模擬和彈性半無限空間體內(nèi)布辛尼斯克公式［11］，計算得出此工況下路基面最大正應(yīng)力P為0.15 MPa。作用于路基面的應(yīng)力由道砟層施加，因此作用在基床表層填料上的道砟壓入強度取0.15 MPa。道砟顆粒間平均接觸力由道砟壓入強度除以道砟孔隙率μ得到，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)［12］，μ取0.3?？紤]到長期循環(huán)荷載作用下的動力穩(wěn)定性，參考混凝土疲勞強度折減系數(shù)的取值［13］，改良土疲勞強度折減系數(shù)λ取0.6。安全系數(shù)α取1.2，則此工況下作用于基床表層填料的抗壓強度σ計算公式為σλ≥（P∕μ）α，得到σ≥1 MPa。

根據(jù)TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》，化學(xué)改良土考慮凍融循環(huán)作用，7 d飽和無側(cè)限抗壓強度大于等于700 kPa。

對細粒含量23.78%的粉砂養(yǎng)生7 d，進行飽和凍融循環(huán)、非飽和凍融循環(huán)試驗。當水泥含量在8%以上或摻加改良劑時水泥含量在5%以上時，12次凍融循環(huán)后無側(cè)限抗壓強度大于1.5 MPa，試件的質(zhì)量損失率符合要求（不超過5%），外觀良好。

綜上，取12次凍融循環(huán)后無側(cè)限抗壓強度不小于1.5 MPa作為改良土填料用于基床表層的控制標準。

2 防凍脹改良土封閉層試驗研究

2.1 室內(nèi)試驗

2.1.1 凍脹試驗

浸水24 h后細粒含量23.78%的粉砂試件質(zhì)量變化見表2。試件經(jīng)過6次反復(fù)凍脹試驗，得到凍融次數(shù)與凍脹率的關(guān)系，見圖1?？芍簺]有摻加復(fù)合改良劑的試件，從第3次凍融后就開始出現(xiàn)比較明顯的凍脹，而同樣配比摻加復(fù)合改良劑的試件從始至終都沒有發(fā)生顯著的凍脹；摻加復(fù)合改良劑的試件，多次凍融循環(huán)后凍脹率均在0.1%以下，可見，復(fù)合改良劑可以有效降低粉砂試件凍脹率。

表2 浸水24 h后凍脹試件質(zhì)量變化

圖1 不同改良方式時細粒含量23.78%的粉砂凍脹率

2.1.2 滲透試驗

采用素土、摻加5%水泥、摻加5%復(fù)合改良劑對細粒含量23.78%粉砂開展?jié)B透試驗［14］，結(jié)果見圖2。

圖2 粉砂及其改良土的滲透系數(shù)（養(yǎng)生28 d）

由圖2可知：與素土相比，摻加復(fù)合改良劑的粉砂滲透系數(shù)降低了30%左右。由于復(fù)合改良劑對降低土體滲透性效果明顯，在設(shè)計中可以通過摻加復(fù)合改良劑來形成封閉層結(jié)構(gòu)。

2.1.3 無側(cè)限抗壓強度試驗

浸水凍融循環(huán)后飽和試件7 d無側(cè)限抗壓強度見圖3?？芍涸谡麄€浸水飽和凍融循環(huán)過程中，摻加改良劑的試件強度顯著高于只摻加水泥的試件；在8次浸水凍融循環(huán)后，摻加復(fù)合改良劑的試件強度依然呈增長趨勢，而摻加水泥的試件則出現(xiàn)降低趨勢或增長不明顯；摻加8%的水泥能將試件的無側(cè)限抗壓強度控制在1.5 MPa以上。可見，復(fù)合改良劑能顯著提高試件的無側(cè)限抗壓強度。

圖3 飽和試件7 d無側(cè)限抗壓強度

2.2 現(xiàn)場試驗

本文提出的利用抗凍脹的土壤復(fù)合改良劑制成的基床表層除了滿足高速鐵路路基要求的防滲、抗裂、防凍脹功能外，所述基床表層、基床底層所組成的路基基床結(jié)構(gòu)還滿足強度和變形的要求，保證其在列車荷載、降水、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等因素影響下具有長期穩(wěn)定性，使寒冷地區(qū)的高速鐵路路基不發(fā)生凍脹，滿足軌道平順性要求。

包滿鐵路巴滿段路基長20.543 km。沿線可用填料主要為細沙、粉砂、中砂及粗砂。由于線路位于季節(jié)性凍土區(qū)，整個填料細粒含量控制在5%以下非常困難，有必要進行改良，減少凍脹，保證基床穩(wěn)定。在冬季前安裝監(jiān)測設(shè)備，對其進行含水率、凍脹量等監(jiān)測，通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果評估改良土封閉層的防凍防水效果。

根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果，在包滿鐵路滿都拉車站附近修筑試驗段，監(jiān)測經(jīng)過一個冬夏的凍融循環(huán)的路基變形。施工前將改良劑與水泥按比例充分攪拌混合，形成復(fù)合改良劑，路基填料改良土的生產(chǎn)工藝采用場拌法施工。為了檢測復(fù)合改良劑的抗凍性能，采用地溫度、位移監(jiān)控傳感器進行實時監(jiān)測，再經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)傳入到監(jiān)測室內(nèi)。施工完畢后，從路基路床表層上鉆挖3個直徑50 mm、深3 300 mm的孔，預(yù)埋PVC管。其中一個為地溫觀測點，其他兩個是凍脹變形觀測點，里面裝入傳感器，如圖4所示。

圖4 凍脹平面布置示意（單位：mm）

不同監(jiān)測點的豎向位移變化曲線見圖5。可知，改良土基床表層呈現(xiàn)先凍縮后增長、最后趨于平穩(wěn)的變化趨勢，最大豎向位移發(fā)生在2018年2月19日，為-1.27 mm，然后緩慢恢復(fù)到0，幾乎沒有發(fā)生凍脹?？梢姡瑑雒浡试谠试S范圍內(nèi)，填料改良后的基床表層抗凍脹效果明顯。

圖5 不同監(jiān)測點的豎向位移變化曲線

3 結(jié)論

1）粉砂經(jīng)過改良后，可用于基床表層的填筑，通過凍脹變形監(jiān)測，凍脹率在允許范圍內(nèi)，改良后的基床表層抗凍脹效果良好。

2）防凍脹改良土應(yīng)走綜合改良劑的路線。提出了改良土用于路基基床表層的控制標準：改良土6次凍融循環(huán)后其凍脹率小于0.1%；滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10-6m∕s；12次凍融循環(huán)后其無側(cè)限抗壓強度不低于1.5 MPa。