杜曉燕

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081)

凍脹率小于1%的填料具有良好的壓實(shí)性能、抗變形能力、抗剪強(qiáng)度與透水性，同時(shí)具有較高的填筑密度，是嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基防凍脹的主要填料[1]。本文將此填料稱為微凍脹填料[2]。為便于研究，將其分為骨架顆粒和填充料，骨架顆粒為粒徑大于1.7 mm的顆粒，填充料為粒徑小于等于1.7 mm的顆粒。對(duì)于普通構(gòu)筑物，如工民建、公路等，微凍脹填料的凍脹作用可忽略不計(jì)。但對(duì)高速鐵路而言，軌道結(jié)構(gòu)的高平順性要求不允許微凍脹填料產(chǎn)生凍脹引起路基不均勻沉降。目前關(guān)于土的凍脹機(jī)理及模型的研究主要針對(duì)填充料，即細(xì)顆粒含量較高的凍脹敏感性土，相關(guān)的界限劃分及凍脹規(guī)律的研究也主要針對(duì)此類填充料[3]。目前在高速鐵路中大量采用低細(xì)顆粒含量粗粒土(即微凍脹填料)，由于其凍脹率小于1%，以往的研究將其看作不凍脹土，加之其含細(xì)顆粒較少，填料內(nèi)部無(wú)法形成連續(xù)的薄膜水及水分遷移通道，故普通填料的凍脹機(jī)理不適用此類填料。鑒于目前對(duì)這類微凍脹填料的凍脹特性及規(guī)律研究較少，且凍脹對(duì)高速鐵路危害大，因此有必要對(duì)其凍脹機(jī)制進(jìn)行研究。

本文結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析，研究填充料、含水率及外荷載等因素對(duì)凍土區(qū)高速鐵路路基微凍脹填料凍脹的影響及凍脹過(guò)程中填充料的凍脹與骨架顆粒的相互作用機(jī)制。

1　凍脹試驗(yàn)

1.1　試驗(yàn)裝置

凍脹試驗(yàn)裝置由試樣盒、恒溫箱、溫度控制系統(tǒng)、溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)及補(bǔ)水系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。試樣盒直徑15 cm、高15 cm。

1.2　試驗(yàn)方法

稱取風(fēng)干土樣，加水拌和至所需含水率，將土樣按一定密實(shí)度分層(5層，每層高3 cm)裝入試樣盒內(nèi)，然后放入恒溫箱中，將熱敏電阻溫度計(jì)分別置于試樣盒頂板、底板和周側(cè)，試樣盒周側(cè)包裹5 cm厚的泡沫塑料以保溫，分別由2臺(tái)高精度低溫循環(huán)冷系統(tǒng)對(duì)頂板和底板的溫度進(jìn)行控制，試樣的變形由頂板上安置的百分表監(jiān)測(cè)，試樣的溫度由數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集；試驗(yàn)在封閉條件下進(jìn)行，采用單向凍結(jié)方式[4]，對(duì)每個(gè)試樣由上而下進(jìn)行凍結(jié)，整個(gè)凍結(jié)過(guò)程歷時(shí)72 h。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)將土樣溫度設(shè)定為1 ℃左右并持續(xù)6 h，然后保持底板溫度恒定不變，在0.5 h內(nèi)將頂板溫度降至-15 ℃，土樣迅速?gòu)捻斆鎯鼋Y(jié)，然后將頂板溫度升至-2 ℃，每小時(shí)以一定的梯度降低頂板溫度；試驗(yàn)結(jié)束后在低溫恒溫箱內(nèi)對(duì)土樣進(jìn)行分層并測(cè)定其含水量。

圖1　凍脹試驗(yàn)裝置

1.3　試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)填料取自東北某高速鐵路的路基填土，其級(jí)配見(jiàn)表1。填料中填充料的塑限ωp為19.2%，最佳含水量ω0為13.2%。

表1　試驗(yàn)填料級(jí)配

為研究含水率、填充料及外荷載等因素對(duì)微凍脹填料凍脹的影響，本文從以下幾個(gè)方面展開(kāi)凍脹試驗(yàn)研究。

1)填充料塑限和最佳含水率對(duì)微凍脹填料凍脹的影響

稱取風(fēng)干的填料，通過(guò)加入不同質(zhì)量的水并充分拌和得到30組不同初始含水率ω的試樣，30組試樣的初始含水率見(jiàn)表2。前15組試樣用于研究填充料塑限對(duì)微凍脹填料凍脹的影響，后15組試樣用于研究填充料最佳含水量對(duì)微凍脹填料凍脹的影響。根據(jù)密實(shí)度為0.95計(jì)算試樣質(zhì)量并擊實(shí)入試樣盒進(jìn)行凍脹試驗(yàn)。

表2　試樣初始含水率

2)體積含水率對(duì)微凍脹填料凍脹的影響

稱取風(fēng)干的填料，通過(guò)加入不同質(zhì)量的水并充分拌和得到15組不同體積含水率ωV的試樣，15組試樣的體積含水率見(jiàn)表3。根據(jù)密實(shí)度為0.95計(jì)算試樣質(zhì)量并擊實(shí)入試樣盒進(jìn)行凍脹試驗(yàn)。

表3　試樣體積含水率

3)填充料含量、填充率對(duì)微凍脹填料凍脹的影響

要得到所需填充料含量的試樣，只需稱取一定量的風(fēng)干填料，并加入相應(yīng)比例的填充料充分拌和即可。使用下列公式計(jì)算填料中填充料的體積填充率S。

(1)

其中，

式中：V1為填料中骨架顆粒的體積分?jǐn)?shù)；V2為填料中填充料的體積分?jǐn)?shù)；m1為單位填料體積下骨架顆粒質(zhì)量；γ1為對(duì)應(yīng)填料壓實(shí)度下骨架顆粒干密度；m2為單位填料體積下填充料質(zhì)量；γ2為對(duì)應(yīng)填料壓實(shí)度下填充料干密度。

試驗(yàn)共配制15組試樣，試樣的填充料含量及填充料填充率見(jiàn)表4。所有試樣均在含水率15%、密實(shí)度0.95的條件下進(jìn)行凍脹試驗(yàn)。

表4　試樣的填充料含量及填充料填充率

4)填充料凍脹對(duì)微凍脹填料凍脹的影響

針對(duì)表4中15組不同填充料含量的試樣，在含水率為15%及密實(shí)度為0.95的試驗(yàn)條件下分別進(jìn)行填料凍脹試驗(yàn)和單獨(dú)的填充料凍脹試驗(yàn)[5]。

5)上覆荷載對(duì)微凍脹填料凍脹的影響

配制填充料含量為10%的試樣，在初始含水率為15%，上覆荷載分別為5，10，20，30，40，55，65和80 kPa的試驗(yàn)條件下進(jìn)行凍脹試驗(yàn)，凍脹試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。

圖2　凍脹試驗(yàn)加載裝置圖

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

微凍脹填料的凍脹率η的計(jì)算式為

(2)

式中：Δh為試樣總凍脹量，mm；Hf為凍結(jié)深度(不包括凍脹量)，mm。

2.1　含水率對(duì)微凍脹填料凍脹的影響

2.1.1填充料的塑限、最佳含水率與微凍脹填料凍脹的關(guān)系

圖3給出了ω-ωp與填料凍脹率η的關(guān)系，圖4給出了ω-ωo與填料凍脹率η的關(guān)系。由圖3和圖4可知：當(dāng)填料含水率ω≤ωp+2%或ω≤ωo+4.6%時(shí)，凍脹率η<1%；但當(dāng)含水率繼續(xù)增加時(shí)，填料凍脹率顯著增加。

圖3　填充料塑限與填料凍脹關(guān)系

圖4　填充料最佳含水率與填料凍脹關(guān)系

2.1.2微凍脹填料體積含水率與凍脹率的關(guān)系

圖5給出了不同填料體積含水率填料的凍脹率。由圖5可知：當(dāng)ωv≤13%時(shí)，隨著體積含水率的增加，填料凍脹率的變化不敏感；當(dāng)ωv>13%時(shí)，隨著體積含水率的增加，填料凍脹顯著增加。

圖5　不同填料體積含水率填料的凍脹率

2.2　填充料對(duì)微凍脹填料凍脹的影響

2.2.1填充料含量、填充率與微凍脹填料凍脹的關(guān)系

圖6給出了不同填充料含量微凍脹填料的凍脹率。由圖6可知：填料的凍脹性隨著填充料含量的增加逐漸增加，當(dāng)填充料含量小于3%時(shí)，凍脹率約為0.2%；當(dāng)填充料含量小于15%時(shí)，凍脹率小于1.0%；當(dāng)填充料含量大于15%時(shí)，隨著填充料含量的增加，填料凍脹敏感性顯著增加。

圖7給出了不同填充料填充率微凍脹填料的凍脹率。由圖7可知：當(dāng)填充料填充率小于0.18時(shí)填料凍脹率小于0.2%，當(dāng)填充料填充率小于0.25時(shí)填料凍脹率小于0.5%，說(shuō)明隨著填充料含量的增加，填料凍脹不敏感；但當(dāng)填充率大于0.25后，填料凍脹率隨著填充率的增加顯著增加，填料凍脹敏感；填充率低于0.37時(shí)凍脹率小于1.0%。

圖6　不同填充料含量微凍脹填料凍脹率

圖7　不同填充料填充率的微凍脹填料凍脹率

2.2.2填充料凍脹量與微凍脹填料凍脹量的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出各組試樣填充料凍脹量與填料凍脹量的關(guān)系圖，如圖8所示。從圖8可知：填充料凍脹量低于25 cm3時(shí)，微凍脹填料未凍脹，此時(shí)填充料凍脹填充了孔隙，并未引起填料宏觀凍脹；當(dāng)填充料凍脹量大于25 cm3后，微凍脹填料出現(xiàn)宏觀凍脹，并隨著填充料的凍脹量增加而顯著增加。

圖8　填充料凍脹量與微凍脹填料凍脹量的關(guān)系

2.3　上覆荷載與微凍脹填料凍脹的關(guān)系

上覆荷載對(duì)微凍脹填料凍脹性的影響體現(xiàn)在2個(gè)方面：外部約束的增加使凍結(jié)點(diǎn)降低；填料內(nèi)的水分在上覆荷載作用下重新分布[6]。圖9給出了不同上覆荷載下微凍脹填料的凍脹率。由圖9可知，微凍脹填料凍脹率與上覆荷載間呈指數(shù)關(guān)系，微凍脹填料凍脹率隨著上覆荷載的增加而逐漸減小。

圖9　不同上覆荷載下微凍脹填料的凍脹率

3　微凍脹填料凍脹作用機(jī)制

3.1　凍脹填充料與骨架顆粒的相互作用

微凍脹填料由粗顆粒和少量的細(xì)顆粒填充料組成[7]，在結(jié)構(gòu)層面上可分為骨架顆粒和填充料，填充料分布在骨架顆粒間、填充在骨架孔隙中。當(dāng)外部約束較弱時(shí)，填充料顆粒發(fā)生凍脹，骨架顆粒被抬升，骨架顆粒產(chǎn)生相鄰微位移，從而增大骨架孔隙，利于填充料填充骨架孔隙；而當(dāng)外部約束較強(qiáng)時(shí)，擠脹效應(yīng)會(huì)發(fā)生于骨架顆粒與填充料之間，使微凍脹填料的凍脹作用得到抑制。填充料在凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生的體積膨脹存在兩方面作用：一是填充作用，剩余的孔隙被填充，加劇凍脹的內(nèi)部消納作用；二是抬升作用，骨架顆粒被抬升，出現(xiàn)宏觀上的凍脹。抬升作用與填充作用的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程就是微凍脹填料的凍脹過(guò)程。圖10給出了填充料與骨架顆粒的相互作用關(guān)系。

圖10　填充料與骨架顆粒的相互作用

3.2　微凍脹填料填充密實(shí)度分析

不同粒徑顆粒的比例直接決定微凍脹填料的結(jié)構(gòu)類型。填料的結(jié)構(gòu)類型一般可分為3種：懸浮密實(shí)型、骨架密實(shí)型以及骨架孔隙型，如圖11所示。當(dāng)填充料顆粒比例較低時(shí)，孔隙不能完全被填充，此時(shí)的結(jié)構(gòu)類型為骨架孔隙結(jié)構(gòu)；隨著填充料顆粒比例的增加，當(dāng)骨架間的孔隙剛好被填充料填充密實(shí)時(shí)，此時(shí)的結(jié)構(gòu)類型變?yōu)楣羌苊軐?shí)結(jié)構(gòu)；粗顆粒所占比例隨著填充料顆粒比例的繼續(xù)增加而減小，當(dāng)原形成的骨架被填充料顆粒擠開(kāi)時(shí)，即變?yōu)閼腋∶軐?shí)結(jié)構(gòu)。

圖11　填料的結(jié)構(gòu)類型

微凍脹填料的填充密實(shí)度與其結(jié)構(gòu)類型直接相關(guān)。填充料在骨架孔隙中填充的密實(shí)程度由體積填充率確定[2]，本文僅分析填充料填充骨架孔隙的情況。

在某壓實(shí)度下，填料中粒徑大于x的顆粒的干分布密度ρfmaxx的計(jì)算式為

ρfmaxx=ρdmaxxρx

(3)

式中：ρdmaxx為試樣中粒徑大于x的顆粒在相同壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)下的最大干密度；ρx為試樣中粒徑大于x顆粒的百分含量，%。

定義Dc為填料中填充料顆粒與骨料顆粒的分界粒徑。在相同壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)下，當(dāng)填料粒徑x≤Dc時(shí)，填料中粒徑小于等于x的顆粒(即剩余顆粒)與粒徑大于x的顆粒的干分布密度相同，即ρfmaxx=ρdmaxx；當(dāng)填料粒徑x>Dc時(shí)，粒徑大于x的顆粒在填料中處于彼此分離的懸浮分布狀態(tài)，此時(shí)ρfmaxx<ρdmaxx。因此，Dc是粒徑x由小到大變化至首次出現(xiàn)ρfmaxx<ρdmaxx時(shí)所對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑。粒徑小于Dc顆粒的百分含量βi為

(4)

式中：ρi，dmax為填料在第i次剔除最小粒組后的最大干密度；ρi，fmax為填料在第i次剔除最小粒組后的最大干分布密度。

理想狀態(tài)下，當(dāng)壓實(shí)度相同且ρfmaxx=ρdmaxx時(shí)，填料中剩余顆粒在骨架中的狀態(tài)等同于緊密壓實(shí)狀態(tài)。考慮試驗(yàn)誤差的影響，為與填料最大干密度平行試驗(yàn)的允許誤差保持一致，可取誤差范圍為3%，即當(dāng)βi≤3%時(shí)填料結(jié)構(gòu)為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。圖12為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)填料的ρfmaxx和ρdmaxx曲線。由圖12可見(jiàn)：Dc為2條曲線的分叉點(diǎn)。當(dāng)βi>3%時(shí)填料中剔除第i組粒組后的顆粒在骨架中處于懸浮狀態(tài)，即填料結(jié)構(gòu)為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)。圖13為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)填料的ρfmaxx和ρdmaxx曲線，此結(jié)構(gòu)狀態(tài)下，填料中的顆粒均為骨架顆粒。

圖12　骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)填料的ρfmaxx和ρdmaxx曲線

圖13　懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)填料的ρfmaxx和ρdmaxx曲線

分析得出Dc后，即可得到填料中填充料在孔隙中的填充干密度ρt

ρt=ρdmax(1-pDc)/ng

(5)

其中，ng=1-ρdmaxpDc/ρa(bǔ)g

式中：ρdmax為填料中填充料的最大干密度，g·cm-3；pDc為填料中骨架顆粒的百分比，%；ng為填充料干密度狀態(tài)時(shí)的孔隙率；ρa(bǔ)g為骨架顆粒毛體積密度，g·cm-3。

(6)

3.3　微凍脹填料結(jié)構(gòu)類型劃分

微凍脹填料的填充與抬升作用與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。3種結(jié)構(gòu)類型的微凍脹填料在凍脹性上差別明顯。級(jí)配碎石作為高速鐵路基床表層的主要填料，必須保證基床結(jié)構(gòu)在列車動(dòng)荷載作用下的長(zhǎng)期穩(wěn)定，且基床不應(yīng)發(fā)生明顯的持續(xù)累積塑性變形[8]，因此基床填料級(jí)配范圍在TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中作了明確限定。但當(dāng)顆粒級(jí)配處于規(guī)定的范圍內(nèi)的不同數(shù)值時(shí)，經(jīng)過(guò)壓實(shí)后的級(jí)配碎石會(huì)表現(xiàn)為不同的結(jié)構(gòu)類型。分析結(jié)果表明，壓實(shí)后的最優(yōu)結(jié)構(gòu)類型為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，應(yīng)避開(kāi)骨架孔隙結(jié)構(gòu)和懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，因?yàn)闅夂颦h(huán)境和列車動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用會(huì)使這2種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生累積的塑性變形，進(jìn)而影響線路的平順性，同時(shí)，當(dāng)富水地區(qū)的孔隙水來(lái)不及排出時(shí)，土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還會(huì)因?yàn)橥馏w結(jié)構(gòu)不良而有所降低。而在確定寒區(qū)高速鐵路路基基床的填料級(jí)配時(shí)，為有利排水防凍，可優(yōu)選細(xì)顆粒較少的骨架孔隙結(jié)構(gòu)。

當(dāng)高速鐵路基床表層的微凍脹填料級(jí)配由規(guī)范規(guī)定的上限值向下限值變化時(shí)，填料中填充料的含量逐漸減小。當(dāng)微凍脹填料級(jí)配在上限與中值之間時(shí)，級(jí)配結(jié)構(gòu)為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)；當(dāng)微凍脹填料的級(jí)配在中值向下限變化時(shí)，此時(shí)填料中存在3種結(jié)構(gòu)類型：中值附近區(qū)域?yàn)閼腋∶軐?shí)結(jié)構(gòu)，中值與下限之間區(qū)域?yàn)楣羌苊軐?shí)結(jié)構(gòu)，下限附近區(qū)域?yàn)楣羌芸紫督Y(jié)構(gòu)。近似分區(qū)如圖14所示。

4　結(jié)　論

(1)隨著填充料含量的減少，微凍脹填料的凍脹率逐漸減少，但即使填料中細(xì)粒含量較低，其凍脹變形在低溫條件下仍能發(fā)生。上覆荷載會(huì)在一定程度上抑制微凍脹填料的凍脹。

圖14　高速鐵路基床表層填料的結(jié)構(gòu)類型劃分

(2)當(dāng)填充料的凍脹增加時(shí)，微凍脹填料的凍脹也隨之增大。但當(dāng)填充料填充率小于0.25時(shí)，填充料含量的增加對(duì)微凍脹填料凍脹效應(yīng)的影響不明顯，此時(shí)填充料的凍脹在填充骨架孔隙，并未引起微凍脹填料的宏觀凍脹；而當(dāng)填充料填充率大于0.25以后，微凍脹填料的凍脹率隨填充率的增大而顯著增加。

(3)外部約束強(qiáng)時(shí)，填充料的凍脹主要體現(xiàn)為填充作用，而外部約束弱時(shí)，填充料的凍脹引起的膨脹抬升骨架，微凍脹填料發(fā)生宏觀凍脹。抬升后骨架結(jié)構(gòu)內(nèi)部的消納作用增強(qiáng)，有利于填充作用的發(fā)展。微凍脹填料的凍脹過(guò)程是抬升作用與填充作用的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。

(4)微凍脹填料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征會(huì)影響填充與抬升作用。不同粒徑顆粒的比例直接與微凍脹填料的結(jié)構(gòu)類型相關(guān)，填充的結(jié)構(gòu)類型有骨架孔隙結(jié)構(gòu)、骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)和懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)3種形式。

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