季节性冻土区路基基床粗颗粒土填料冻胀特性研究

2014-07-30赵洪勇闫宏业张千里程远水

铁道建筑 2014年7期

赵洪勇，闫宏业，张千里，程远水

(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

随着我国寒区铁路建设的不断发展，在施工和运营中出现的路基填料冻胀病害亟需研究。高速铁路对路基基床稳定和工后沉降的要求十分严格。《铁路特殊土路基设计规范》(TB 10035—2006)规定粗颗粒土在细粒含量不大于15%情况下不考虑冻胀问题，高速铁路对季节性冻土区域粗颗粒土平均冻胀率要求不大于1%。

基床填料是影响路基冻胀的最主要因素，季节性冻土区域路基基床填料不仅要满足常规路基填料要求，还要符合抗冻性要求。本文以我国东北季节性冻土区某铁路客运专线路基基床底层A、B组填料为研究对象，通过冻胀试验研究影响路基填料冻胀的主要因素对冻胀率的影响。

1 试验概况

土样取自东北吉林某客运专线路基基床底层A、B组填料取土场。该地段属于季节性冻土区，年平均气温在6℃左右，年极端最低气温可达－35℃，季节冻结深度约为150 cm，因此路基基床冻胀病害对上部结构物的威胁非常大，严重时会造成工程的直接破坏，或减少运营使用的寿命，造成巨大损失。

该路基基床A、B组填料的基本性质如表1所示。

表1 填料的基本性质

取不同含水率状态下的土样在相同试验条件下进行试验，试验时密封试样，使其与大气隔绝，以免水分进入引起含水率增大，以研究不同含水率下填料的冻胀规律。

取不同细粒含量的土样在相同试验条件下进行冻胀试验，以研究该类填料细粒含量对其冻胀特性的影响。

取不同冻结温度的土样在相同试验条件下进行试验，以研究冻结温度对填料冻胀特性的影响。

表2列出了各试验方案样品的基本参数。

试样直径为160 mm，高度为200 mm，干密度为2.1 g/cm3，冻胀方式为有侧限单向冻胀。为模拟施工现场环境，试样侧向及底部采用厚度10 cm的绝热保温材料，试样底部为冻结端。设置热敏电阻温度探头以记录试验过程中温度变化，变形传感器安置在试样顶部以记录轴向变形，样品剖面温度及轴向变形定时自动采集，试验结束继续测定样品的含水率、密度等参数。试样冻结时间为72 h。使试样在72 h内由0℃按每小时降低2℃速率降至预先设定冻结温度后停止降温，保持恒定的冷端温度直至冻胀停止。若72 h后试样内部温度梯度未达到恒定，且冻胀变形持续增加，则需继续进行试验直至冻胀变形稳定才终止试验。在整个冻胀试验过程中实时采集试样内部温度和顶端位移。

表2 不同试验方案样品参数

2 试验结果分析

2.1 路基基床A、B组填料含水率与冻胀率

冻胀源于土体冻结过程中内部水的迁移和凝结。试验测得不同含水率时填料的冻胀率见表3，可见该A、B组填料在相同冻结温度(－40℃)和相同细粒含量(5%)时，随含水率的增大冻胀率随之增大。这是因为土体在冻结过程中水结冰膨胀，推动土颗粒重新排列进而增大了土体孔隙，土体中含水越多，水凝结成冰后膨胀体积越大，土体的冻胀量也越大。

表3 不同含水率时填料的冻胀率

土样含水率7%，9%时的冻胀率分别达到1.54%，2.82%，均超出高速铁路对季节性冻土区域粗粒土填料平均冻胀率不大于1%的规定，说明该填料在含水率充分且冻结温度较低时会出现冻胀问题。建议对季节性冻土区域粗颗粒土在细粒含量＜15%的情况下仍要通过室内冻胀试验确定其冻胀性。

2.2 路基基床A、B组填料细粒含量与冻胀率

保持相同的含水率(5%)进行冻胀试验，当粗颗粒土中含有细颗粒时，增加了薄膜水的含量和连续性，细粒含量越大粗颗粒土就越容易发生冻胀问题。不同细颗粒含量时填料冻胀率试验结果见表4。可见随着土样中细粒含量的增加，填料的冻胀率也随着增加，但冻胀率增加速率在减少，说明粗粒土填料中细粒含量达到一定数值在含水充分时会加剧冻胀。

表4 不同细粒含量时填料的冻胀率

2.3 路基基床A、B组填料冻结温度与冻胀率

在相同细粒含量(5%)下选取不同含水率进行不同冻结温度的冻胀率试验，结果见表5及图1。

表5 不同冻结温度时填料的冻胀率

图1 相同细粒含量(5%)不同冻胀温度下填料冻胀率随含水率变化曲线

土样由常温降低到－5℃时，冻胀变化非常明显，随着温度的降低，冻胀发展趋于缓慢，温度降低到－20℃时，冻胀率变化不甚明显，冻胀率增加的速率逐渐减少。这是由于土颗粒中存在结合水、毛细水和自由水，其冰点各不相同。土样由常温降低到－5℃时，土颗粒中的自由水和毛细水基本都会结成冰，这两种水在土中含量占大多数，所以冻胀比较明显。随着温度的不断降低，自由水和毛细水都已大部分结冰，以后冻胀缓慢。－20℃以后，土颗粒中只有结合水是未冻胀水，仅有少部分结冰，所以冻胀趋于不明显。