路基填料冻胀性试验研究

王博，董喧

（1.天津泰达海洋开发有限公司，天津 300171；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461）

0 引言

穿越东北三省的某高速铁路，设计最高时速350 km/h以上，对路基的差异沉降、工后沉降要求严格。铁路沿线自然条件恶劣，极端最高气温39.8℃，极端最低气温-40℃以下，属于季节性冻土区域。路基冬季易发生冻胀，夏季逐渐融化后，路基中间由于融化较慢形成硬核，会发生翻浆、冒泥现象，造成路基的变形、开裂[1-3]。在这样的路基上建造如此高规格的高速铁路国内尚属首次，难度非常大。采取合理的路基防冻胀措施是关键，直接关系到将来运营线路安全以及维护成本高低，而实施的前提是了解路基填料的冻胀特性[4-5]。

本文针对路基填料特点，在室内开展冻胀性试验研究，分析路基填料的冻融强度损失和冻胀量，找出影响因素，为采用有效防冻胀措施提供依据。

1 工程概况

该高速铁路路基共约53 km，沿线属于温带亚湿润季风区气候，最大积雪厚度17～30 cm。地层依次为第四系全新统冲积黏质黄土、中砂、粗砂和白垩系下统泥岩。地下水位1～20m，局部可达30m。

高速铁路建设采用无砟轨道，基床表层是级配碎石，下部为A、B填料，基床填筑断面见图1。

图1 基床填筑断面图Fig.1 Cross-section of foundation bed filling

2 室内冻胀试验

室内路基填料抗冻性试验主要包括两部分内容，一是A、B填料的冻融强度损失，二是冻胀敏感性（冻胀量）。对于冻融强度试验，在专门的冻融箱内进行冰冻，温度波动度＜±2℃。选用加利福尼亚承载比CBR值表征冻融强度（取CBR2.5和CBR5.0的平均值作为代表值CBR）。对于冻胀量试验，在恒温箱内试验，环境温度变幅＜±0.1℃，采用φ150mm土样筒进行试验。

2.1 试验用料性质

试验用基本土料为A、B填料，取自现场，将其过31.5mm筛作为进行冻融试验和冻胀量试验的基本材料。颗粒分析结果见表1，按照TZ 212—2005《客运专线铁路路基工程施工技术指南》和TB 10102—2010《铁路工程土工试验规程》定名为角砾，或进一步定名为细（角）砾或中（角）砾。

表1 填料颗粒组成Table 1 Filling particle composition

A、B填料的细粒塑性指数为13～14，属于粉质黏土。

为了进一步研究填料冻胀特性，将粉土、粉质黏土分别按一定比例掺入基本土料中，最终形成供冻融试验和冻胀量试验用的试验土料，再进行重型击实试验。试验结果见表2。最大干密度和最佳含水率仅在很窄的范围内波动[6]。

表2 试验土料重型击实试验结果Table2 Soilheavy compaction test result

2.2 冻融强度损失试验

采用分层装填压实法制样，试验土样压实度93%。试验温度为-20℃，5次循环，每个循环时间为冷冻16 h，20℃室温融化8 h。

1）含水率的影响

掺入粉土试样冻融后的CBR值与含水率的关系见图2。可以看出，CBR均随含水率增大而减小，冻后CBR比冻前CBR均有不同程度的衰减。冻前、冻后CBR值均随细粒掺量的增大而减小，试样强度降低，其原因是掺入的少量细粒土较明显地降低了粒间摩擦，而对于像试样这样的松散粗粒混合材料，粒间摩擦是强度的主要来源[7-8]。

图2 试料CBR-w关系Fig.2 Relation of CBR-w of specimen

2）细粒土的影响

掺入粉土、粉质黏土不同土质试样冻融后的CBR值与含水率的关系见图3。由图可看出掺配粉质黏土的试样CBR比掺配粉土的大。

图3 细粒土质条件对冻后CBR的影响Fig.3 effect of fine particle on the CBR after freezing

3）冰冻温度影响

对1号试验土料，在-10℃和-30℃冰冻温度条件，5次冻融循环时分别进行试验。CBR与含水率关系见图4，可以看出，不同的冰冻温度对强度的影响不大。

图4 冰冻温度对强度影响Fig.4 effect of freezing temperature on the strength

4）循环次数影响

冰冻温度为-20℃，含水率w=8%，循环数分别为1、3、7、9条件下进行试验。冻前冻后CBR-N关系曲线，如图5所示。可以看出随循环次数N增加，冻后CBR值有些减少，但并不大。

图5 冻融循环数对CBR值影响Fig.5 effect of the cycle of freeze-thaw on CBR

根据以上试验，考虑到：①冻后CBR随N增加而减少幅度不大，还是在高位上；②经济因素；③老式慢法低标号混凝土采用N=25，但冰冻时间为4 h，而本试验为16 h，换算一下与5循环接近；④试验材料为一种典型松散材料，没有无机结合料（水泥或其他活性成分）。因此，采用5循环冻融试验结果表征冻融性能是经济可靠的。

2.3 冻胀量试验

采用上冷闭式冻胀试验（无外水分补给）研究表2中材料的冻胀量，压样法制备样品。

图6为冻胀率与含水率关系曲线，可以看出，当含水率增加到一定值时（大约是在最优含水率以后），冻胀率均有加速增大的趋势，试验最大值可达η=3～4。由此可知，即使是粗颗粒土，当其含水率达到一定值时，亦会产生相当可观的冻胀量。

而且图6还可以看出，随细粒含量增加，曲线沿横轴（w）向右偏移。这说明，材料的起始冻胀含水率在增加。

图6 η-w关系曲线Fig.6 Relation curve of η-w

图7为不同土质的η-w曲线，1号土样掺入粉土，4号土样掺入粉质黏土。可以看出，随着掺配土质塑性增强，曲线沿横轴向右偏移。说明掺配塑性较大细粒土的样品亲水性强，在临界含水率范围以内，含水率相同时冻胀量小。

图7 细粒土质条件影响Fig.7 effect on the fine particle soil condition

统计试验结果，各个试样起始冻胀含水率见表3。表中同时给出了η=1（临界含水率）和η=3.5（冻胀界限含水率）时相对应的界限含水率值，表3可为冻胀分级应用做参考。

表3 不同冻胀等级的界限含水率wTable 3 Water ratio limit of different frost heaving levels

5种土料η－w关系虽有些差异但并不显著，可综合起来进行统计，得到起始冻胀含水率为8.41%；临界冻胀含水率为10.32%；相应冻胀等级含水率为15.09%。

3 现场填料含水率检验

室内试验说明填料含水率是影响冻胀的主要因素。根据测温装置测得试验段的冻土深度约为1.66m，该深度为发生冻胀的区域[9]，路基填料根据室内试验结果进行了严格控制，现场采取了铺设隔水层、设置排水通道等措施。隔水层采用的是复合土工膜。

经历冻融循环后，路基未有明显的冻胀发生。同时，在隔水层下方取样进行含水率试验，结果见表4。可以看出，经历冻融循环周期后，填料的含水率变化较小，在起始冻胀含水率范围之内，说明路基防排水效果良好。

表4 路基填料物理性质Table4 Physical property of subgrade filling

4 结语

1）含水率是影响冻胀性的主导因素，路基设计施工应做好防水排水措施，阻断地表水和地下水的渗透，保证路基填料的抗冻性；

2）含水率、细粒土掺量及塑性是影响冻胀性的主要因素，而冰冻温度、冻融循环次数对于填料冻胀性影响较小；

3）即使是粗颗粒土，当其含水率达到一定值时，也会产生相当可观的冻胀量。

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