王博，董喧

（1.天津泰達海洋開發(fā)有限公司，天津 300171；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461）

0 引言

穿越東北三省的某高速鐵路，設(shè)計最高時速350 km/h以上，對路基的差異沉降、工后沉降要求嚴格。鐵路沿線自然條件惡劣，極端最高氣溫39.8℃，極端最低氣溫-40℃以下，屬于季節(jié)性凍土區(qū)域。路基冬季易發(fā)生凍脹，夏季逐漸融化后，路基中間由于融化較慢形成硬核，會發(fā)生翻漿、冒泥現(xiàn)象，造成路基的變形、開裂[1-3]。在這樣的路基上建造如此高規(guī)格的高速鐵路國內(nèi)尚屬首次，難度非常大。采取合理的路基防凍脹措施是關(guān)鍵，直接關(guān)系到將來運營線路安全以及維護成本高低，而實施的前提是了解路基填料的凍脹特性[4-5]。

本文針對路基填料特點，在室內(nèi)開展凍脹性試驗研究，分析路基填料的凍融強度損失和凍脹量，找出影響因素，為采用有效防凍脹措施提供依據(jù)。

1 工程概況

該高速鐵路路基共約53 km，沿線屬于溫帶亞濕潤季風區(qū)氣候，最大積雪厚度17～30 cm。地層依次為第四系全新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土、中砂、粗砂和白堊系下統(tǒng)泥巖。地下水位1～20m，局部可達30m。

高速鐵路建設(shè)采用無砟軌道，基床表層是級配碎石，下部為A、B填料，基床填筑斷面見圖1。

圖1 基床填筑斷面圖Fig.1 Cross-section of foundation bed filling

2 室內(nèi)凍脹試驗

室內(nèi)路基填料抗凍性試驗主要包括兩部分內(nèi)容，一是A、B填料的凍融強度損失，二是凍脹敏感性（凍脹量）。對于凍融強度試驗，在專門的凍融箱內(nèi)進行冰凍，溫度波動度＜±2℃。選用加利福尼亞承載比CBR值表征凍融強度（取CBR2.5和CBR5.0的平均值作為代表值CBR）。對于凍脹量試驗，在恒溫箱內(nèi)試驗，環(huán)境溫度變幅＜±0.1℃，采用φ150mm土樣筒進行試驗。

2.1 試驗用料性質(zhì)

試驗用基本土料為A、B填料，取自現(xiàn)場，將其過31.5mm篩作為進行凍融試驗和凍脹量試驗的基本材料。顆粒分析結(jié)果見表1，按照TZ 212—2005《客運專線鐵路路基工程施工技術(shù)指南》和TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規(guī)程》定名為角礫，或進一步定名為細（角）礫或中（角）礫。

表1 填料顆粒組成Table 1 Filling particle composition

A、B填料的細粒塑性指數(shù)為13～14，屬于粉質(zhì)黏土。

為了進一步研究填料凍脹特性，將粉土、粉質(zhì)黏土分別按一定比例摻入基本土料中，最終形成供凍融試驗和凍脹量試驗用的試驗土料，再進行重型擊實試驗。試驗結(jié)果見表2。最大干密度和最佳含水率僅在很窄的范圍內(nèi)波動[6]。

表2 試驗土料重型擊實試驗結(jié)果Table2 Soilheavy compaction test result

2.2 凍融強度損失試驗

采用分層裝填壓實法制樣，試驗土樣壓實度93%。試驗溫度為-20℃，5次循環(huán)，每個循環(huán)時間為冷凍16 h，20℃室溫融化8 h。

1）含水率的影響

摻入粉土試樣凍融后的CBR值與含水率的關(guān)系見圖2?？梢钥闯?，CBR均隨含水率增大而減小，凍后CBR比凍前CBR均有不同程度的衰減。凍前、凍后CBR值均隨細粒摻量的增大而減小，試樣強度降低，其原因是摻入的少量細粒土較明顯地降低了粒間摩擦，而對于像試樣這樣的松散粗?；旌喜牧希ｉg摩擦是強度的主要來源[7-8]。

圖2 試料CBR-w關(guān)系Fig.2 Relation of CBR-w of specimen

2）細粒土的影響

摻入粉土、粉質(zhì)黏土不同土質(zhì)試樣凍融后的CBR值與含水率的關(guān)系見圖3。由圖可看出摻配粉質(zhì)黏土的試樣CBR比摻配粉土的大。

圖3 細粒土質(zhì)條件對凍后CBR的影響Fig.3 effect of fine particle on the CBR after freezing

3）冰凍溫度影響

對1號試驗土料，在-10℃和-30℃冰凍溫度條件，5次凍融循環(huán)時分別進行試驗。CBR與含水率關(guān)系見圖4，可以看出，不同的冰凍溫度對強度的影響不大。

圖4 冰凍溫度對強度影響Fig.4 effect of freezing temperature on the strength

4）循環(huán)次數(shù)影響

冰凍溫度為-20℃，含水率w=8%，循環(huán)數(shù)分別為1、3、7、9條件下進行試驗。凍前凍后CBR-N關(guān)系曲線，如圖5所示?？梢钥闯鲭S循環(huán)次數(shù)N增加，凍后CBR值有些減少，但并不大。

圖5 凍融循環(huán)數(shù)對CBR值影響Fig.5 effect of the cycle of freeze-thaw on CBR

根據(jù)以上試驗，考慮到：①凍后CBR隨N增加而減少幅度不大，還是在高位上；②經(jīng)濟因素；③老式慢法低標號混凝土采用N=25，但冰凍時間為4 h，而本試驗為16 h，換算一下與5循環(huán)接近；④試驗材料為一種典型松散材料，沒有無機結(jié)合料（水泥或其他活性成分）。因此，采用5循環(huán)凍融試驗結(jié)果表征凍融性能是經(jīng)濟可靠的。

2.3 凍脹量試驗

采用上冷閉式凍脹試驗（無外水分補給）研究表2中材料的凍脹量，壓樣法制備樣品。

圖6為凍脹率與含水率關(guān)系曲線，可以看出，當含水率增加到一定值時（大約是在最優(yōu)含水率以后），凍脹率均有加速增大的趨勢，試驗最大值可達η=3～4。由此可知，即使是粗顆粒土，當其含水率達到一定值時，亦會產(chǎn)生相當可觀的凍脹量。

而且圖6還可以看出，隨細粒含量增加，曲線沿橫軸（w）向右偏移。這說明，材料的起始凍脹含水率在增加。

圖6 η-w關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve of η-w

圖7為不同土質(zhì)的η-w曲線，1號土樣摻入粉土，4號土樣摻入粉質(zhì)黏土。可以看出，隨著摻配土質(zhì)塑性增強，曲線沿橫軸向右偏移。說明摻配塑性較大細粒土的樣品親水性強，在臨界含水率范圍以內(nèi)，含水率相同時凍脹量小。

圖7 細粒土質(zhì)條件影響Fig.7 effect on the fine particle soil condition

統(tǒng)計試驗結(jié)果，各個試樣起始凍脹含水率見表3。表中同時給出了η=1（臨界含水率）和η=3.5（凍脹界限含水率）時相對應(yīng)的界限含水率值，表3可為凍脹分級應(yīng)用做參考。

表3 不同凍脹等級的界限含水率wTable 3 Water ratio limit of different frost heaving levels

5種土料η－w關(guān)系雖有些差異但并不顯著，可綜合起來進行統(tǒng)計，得到起始凍脹含水率為8.41%；臨界凍脹含水率為10.32%；相應(yīng)凍脹等級含水率為15.09%。

3 現(xiàn)場填料含水率檢驗

室內(nèi)試驗說明填料含水率是影響凍脹的主要因素。根據(jù)測溫裝置測得試驗段的凍土深度約為1.66m，該深度為發(fā)生凍脹的區(qū)域[9]，路基填料根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果進行了嚴格控制，現(xiàn)場采取了鋪設(shè)隔水層、設(shè)置排水通道等措施。隔水層采用的是復合土工膜。

經(jīng)歷凍融循環(huán)后，路基未有明顯的凍脹發(fā)生。同時，在隔水層下方取樣進行含水率試驗，結(jié)果見表4。可以看出，經(jīng)歷凍融循環(huán)周期后，填料的含水率變化較小，在起始凍脹含水率范圍之內(nèi)，說明路基防排水效果良好。

表4 路基填料物理性質(zhì)Table4 Physical property of subgrade filling

4 結(jié)語

1）含水率是影響凍脹性的主導因素，路基設(shè)計施工應(yīng)做好防水排水措施，阻斷地表水和地下水的滲透，保證路基填料的抗凍性；

2）含水率、細粒土摻量及塑性是影響凍脹性的主要因素，而冰凍溫度、凍融循環(huán)次數(shù)對于填料凍脹性影響較?。?/p>

3）即使是粗顆粒土，當其含水率達到一定值時，也會產(chǎn)生相當可觀的凍脹量。

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