高速铁路渗透性基床防冻胀结构研究

闫宏业，赵国堂，蔡德钩，王仲锦，张千里，姚建平

(1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081;2．中国铁路总公司，北京100844)

高速铁路渗透性基床防冻胀结构研究

闫宏业1，赵国堂2，蔡德钩1，王仲锦1，张千里1，姚建平1

(1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081;2．中国铁路总公司，北京100844)

基于填料抗冻理念，以合理的填料持水率、冻胀性及压实特性为综合目标，探讨了适用于高速铁路路基防冻胀的渗透性级配碎石的级配组成。通过不同级配条件下室内饱水持水试验、渗透试验和冻胀试验，研究了不同级配填料的持水能力、渗透性能和冻胀特性，明确了渗透性级配碎石的级配范围。依托中国东北地区一高速铁路开展了现场填料制备、压实及试验段防冻胀效果监测试验研究，完善了渗透性级配碎石的制备和压实工艺。研究结果表明，渗透性级配碎石基床应用于高寒地区高速铁路路基防冻胀是可行的。

高速铁路 防冻胀结构 渗透性基床 填料

中国正在东北、西北等季节性冻土地区开展大规模的高速铁路建设。截至2015年3月，东北地区已建成并投入运营的高速铁路有哈大、长吉、盘营等线，在建的有哈齐、沈丹、哈牡、京沈、吉图珲、哈佳等线路。西北地区已建成并投入运营的有兰新、郑西、大西等线路，在建的有西宝、宝兰等线路。东北和西北地区投入运营的高速铁路超过4 000 km，在建的近3 000 km。此外，拟修建的北京到莫斯科的欧亚高速运输走廊，全长超过7 000 km。这些高速铁路穿越了冻土广泛分布的高寒地区，面临着冻土路基冻胀问题，合理的防冻胀基床结构是路基抗冻胀成功的关键［1-4］。

我国学者对高寒地区高速铁路防冻胀结构进行了深入研究。叶阳升等［5-6］研究了我国路基填料冻胀性分类标准及防冻层的设置问题。刘华等［7］讨论了适应我国季节性冻土地区高速铁路路基填料的冻胀分类技术指标。从目前的实践来看，高速铁路防冻胀基床结构有三种:①表面封闭层+基床表层级配碎石+两布一膜+冻深范围非冻胀土，如哈大线;②表面封闭层+基床表层掺水泥级配碎石+冻深范围非冻胀土，如盘营客专和哈齐客专;③地下水较高地段采用混凝土基床结构+表层封闭措施，如哈齐客专部分地段和京沈客专。这些基床结构适应了不同环境条件，基本满足了高速铁路路基防冻胀要求。但由于建设期间所采用填料的冻胀敏感性归类依据较早时期的规范，不完全适用于严格的高速铁路变形控制要求。当一些地段表层封闭措施部分失效时，就会产生一定程度的冻胀。对于基床表层级配碎石掺水泥的长期冻融特性目前学界尚未形成共识，而对于混凝土基床结构，从经济性上也存在争议。

本文旨在提出一种基于渗透性级配碎石的高速铁路路基防冻胀结构，可作为上述防冻胀基床结构的补充。在高速铁路途径的一些区域，如果沿线级配碎石供给条件充足，可就地取材进行填筑。同时由于采用了渗透性级配碎石填料，可降低对表面封闭层的要求，从而实现经济、技术最优。

本文通过室内试验、现场碾压和长期监测试验，对渗透性级配碎石的级配特性、渗透特性、冻胀特性、压实性能和试验段冻胀情况进行了系统研究，对渗透性级配碎石的适用性进行了评价。

1 渗透性级配碎石基床

渗透性级配碎石是一种具有良好级配、高渗透性、低冻胀性、满足压实要求的填料，是基于“填料抗冻”理念，以满足高速铁路路基冻胀控制要求为目标而提出的。渗透性级配碎石基床就是以渗透性级配碎石为填料的基床。由于该种填料具有高渗透性，水分进入基床之后，短期内得以排出，其自然持水率不足以产生影响线路平顺性的冻胀。

路基冻胀是由于填料中的水分而产生，若想减小冻胀，关键途径之一就是减小填料的水分含量。在不利条件下，路基直面大气降水时，填料本身的渗透性能、持水性能及路基的排水能力从根本上决定了填料中的水分含量。而前二者与填料的级配、压实特性尤其是细粒含量密切相关。细粒土与水的结合能力较强，是填料中持水的主要组分。此外，细粒含量对填料的渗透性能也有重要影响，细粒含量越小，渗透系数越大。因此，渗透性级配碎石主要特点就是细粒含量较低。对于工程应用而言，减小细粒含量会降低填料的可压实性。所以，渗透性级配碎石填料的基本理念就是，在填料的渗透性能和压实性能之间寻找一个合适的平衡点，即填料在具备必要的渗透性能和持水能力的同时，也须满足工程压实性能要求，其设计流程见图1。

图1 渗透性级配碎石设计流程

2 室内试验

2.1 试验系统

试验系统主要涉及筛分试验、渗透试验、击实试验、持水试验和冻胀试验，前三者按现行规范《铁路土工试验规程》(TB 10102—2010)执行。为了保证试验连贯性，将击实试验、持水试验和冻胀试验的试筒设计成相同的形式，试筒内径15 cm，筒高18 cm，筒内试样高度15 cm。

对持水试验的试验系统进行了设计，先称量击实后的试筒和试样总质量，然后将其在满水的水桶中浸泡24 h，使试样充分饱和后迅速提起试筒并及时称总质量，连续2 h质量变化不超过0.1 g视为稳定。通过击实试验时记录的土样质量、试筒质量及试样含水量换算出不同时刻试样的含水率。

冻胀试验的试筒采用分环形式，主要是为了消除冻土区段与试筒侧向摩擦力对其下部土体冻胀的抑制作用，保证土体的竖向自由冻胀。冻胀试验时采用顶部施加冷域的方法，在1℃环境下将试样放置24 h，使其内部全部达到1℃，然后以1℃/h的降温速率降温，直至试样全部冻透。冻结过程中，测试试样不同深度处温度的变化和土体的冻胀。

主要对不同级配填料开展上述试验，基准级配为目前高速铁路基床表层碎石采用的级配，之后不断减小砾以下填料的比例。

2.2 试验结果分析

1)级配与渗透系数的关系分析

在不同级配条件下制样，待试样饱水后，自由渗透24 h，然后进行冻胀试验，分析最不利条件下填料的冻胀性能。级配对冻胀率和渗透系数的影响如图2所示，可知随着砾以下颗粒的不断去除，试样的冻胀率不断降低。去除0.75 mm以下粒径后，粗骨料的冻胀率均＜0.65%。

图2 级配对冻胀率和渗透系数的影响

渗透系数与冻胀率的关系如图3所示，可知随着渗透系数的增大，冻胀率迅速减小，其关系式为y= 0.003 8x-0.57。渗透系数为2×10-4m/s时，冻胀率约为0.5%。

图3 渗透系数与冻胀率的关系曲线

2)初步确定级配

以冻胀率为最终评定依据，以某一安全冻胀率为界限划定级配，确定渗透性级配碎石填料的级配范围。以冻深3 m为界限，冻胀率0.5%作为界限冻胀率，按保守计算，其冻胀变形为15 mm，因此界限冻胀率取为0.5%。按表1所划定级配范围的填料冻胀试验表明，划定范围内的填料均满足冻胀率＜0.5%要求。自然持水和渗透试验表明，填料的渗透系数均不小于1× 10-4m/s，自然持水率基本上在3%～5%。该范围内级配碎石不均匀系数＞10，曲率系数介于1～3，为良好级配。

表1 渗透性级配碎石粒径级配

3 现场试验

3.1 现场级配确定

根据表1的级配进行现场碎石级配的配制。由于现场缺乏细粒含量较低的细集料，经过现场调查，决定采用四站砂场的中粗砂。根据现场拌合站的设备条件确定了渗透性级配碎石的级配曲线，见表2和图4。虽然最大颗粒直径有较小比例超过级配范围，但对冻胀来说是有利的，其压实效果需要通过现场碾压试验获得。由于工期较为紧张，试验时间有限，集料中的细粒含量无法全部消除，最终混合料的细粒含量为2.7%。

表2 渗透性级配碎石各集料级配及比例%

图4 现场填料级配及其合理范围曲线

3.2 现场填料制备

渗透性级配碎石的制备必须采用厂拌的方式(图5)。由料厂生产前述几种集料，在制备过程中需要增加风洗或水洗的环节，确保细粒含量被控制在合理范围内。采用自动拌合站对各集料的配合比和含水率进行精确控制，保证填料级配达到设计要求。3.3现场填料压实

图5 渗透性级配碎石制备流程

图6 压实试验现场

针对选定的级配填料，在现场开展了压实试验。采用23T振动压路机进行了分层振动压实，见图6。根据现场试验研究，确定现场压实工艺为1遍静压+ 1遍弱振+4～6遍强振+1遍弱振+1遍静压。现场检测结果显示98%测点动态变形模量Evd＞40 MPa，平均值为50 MPa，满足要求。干密度基本上在2.20～2.35 g/cm3，压实度满足95%要求。该种填料细粒含量较小，且采用了圆砾状中粗砂(图7)，由于压路机的反复碾压及施工机械行走导致路基表层存在5～10 cm的松动层，按常规检测方法地基系数K30偏低，平均在125 MPa/m，不满足高速铁路对于基床底层的压实要求。因此必须去除该松动层的影响，可采取两种方法:①先手动清除松动层，再进行K30指标检测;②先增加预压荷载将松动层压实至实际路基填筑完成后的状态，再进行K30指标检测。

采用第一种方法时由于填料中大粒径颗粒较多，在挖除松动层后依然有较大的突出点，试验时造成应力集中现象，砂层铺设较薄不能有效解决该问题，铺设太厚则造成试验结果偏低。第二种试验方法，按23 t荷载计算，振动轮与填料接触面宽取0.15 m，振动轮宽2 m，强振时接触力约为767 kPa。当碾压其上一层时，按45°扩散角计算，本层松动层受到传递过来的压力为153 kPa，见图8。因此，检测过程中可施加150 kPa的预压荷载，使表面填料达到压实状态。按照此方法进行检测，K30均在150 MPa/m以上，满足高速铁路对基床底层的压实要求。

图7 中粗砂团聚在大颗粒表面

图8 扰动层得到再次碾压

4 试验段冻胀监测结果分析

试验段于2014年9月填筑完毕。随后在现场埋设了位移和温度传感器，采用无线实时监测系统对试验段的冻胀和冻深进行了监测。图9为冻深和冻胀的变化曲线。可知试验段最大冻深为2.69 m，冻胀为1.2 mm，冻深范围内平均冻胀率为0.04%，满足路基冻胀的控制要求。

图9 冻胀变形与冻深变化曲线

5 结论

本文通过室内试验、现场碾压试验和冬季冻胀观测，对渗透性级配碎石级配特性、渗透特性、压实性能、冻胀特性和试验段的冻胀效果进行了系统研究，主要得到以下结论:

1)渗透性级配碎石填料的基本理念是在填料的渗透性能和压实性能之间寻找一个合适的平衡点，体现在降低细粒含量和调整级配方面。

2)在渗透性级配碎石生产制备过程中须严格控制细颗粒含量，应设置水洗或风洗环节。渗透性级配碎石须用自动化拌合站制备，精确控制各集料拌合比例。

3)渗透性填料应采用富于棱角及表面纹理丰富的轧制碎石，避免采用圆砾状集料，以提高颗粒之间的“咬合力”和碾压性能。

4)夏季施工时，渗透性级配碎石表层水分易流失，易受施工机械行走影响形成扰动层。应做好洒水工作，并尽量连续施工，确保碾压质量。碾压后，控制大型施工机械的行走路线及速度，避免压实层受到扰动。

5)渗透性级配碎石应用于高寒地区高速铁路路基防冻胀是可行的，但应继续开展更宽范围的级配调制试验，提出更易于工程实施的级配范围。

［1］哈大铁路客运专线有限责任公司.哈大高铁运营长期连续观测技术及冻胀整治技术研究［R］.沈阳:哈大铁路客运专线有限责任公司，2014.

［2］中国铁道科学研究院.高寒地区高速铁路路基冻胀综合防治技术试验［R］.北京:中国铁道科学研究院，2014.

［3］乔连军.哈大客运专线路基冻胀线路养护维修技术［J］.铁道建筑，2014(1):72-74.

［4］马荣田，仇鹏，欧志强.季节性冻土区铁路客运专线路堑路基冻害成因分析及对策研究［J］.铁道建筑，2014(6):101-105.

［5］叶阳升，王仲锦，程爱君，等.路基的填料冻胀分类及防冻层设置［J］.中国铁道科学，2007，28(1):1-7.

［6］叶阳升，王志坚，王仲锦，等.青藏铁路清水河段细粒土用作路基填料问题的探讨［J］.中国铁道科学，2002，23(6):86-89.

［7］刘华，牛富俊，牛永红，等.季节性冻土区高速铁路路基填料及防冻层设置研究［J］.岩石力学与工程学报，2011，30 (12):2549-2557.

Research on anti-frost heaving structure of permeable subgrade bed on high speed railway

YAN Hongye1，ZHAO Guotang2，CAI Degou1，WANG Zhongjin1，ZHANG Qianli1，YAO Jianping1
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.China Railway Corporation，Beijing 100844，China)

Based on the concept of anti-freeze filling material，by setting up a series of comprehensive targets which include the reasonable water retention rate，the frost heave characteristic and the compaction characteristic of filling material，a type of permeable graded gravel has been proposed，which was suitable for the high-speed railway subgrade.T hrough a series of in-door water retention tests，the permeability tests and frost heave tests under different graded conditions.T he water retention characteristic，the permeability characteristic and the frost heave characteristic of different graded filling materials can be determined，in order to define the gradation range of permeable graded gravel.Relied on the frost-heave monitoring record of high speed railway in Northeast China，a series of experimental study have been carried out，which include the on-site filler production，the compaction test and the anti-frost effect test，in order to improve the production and compaction techniques of permeable graded gravel.T he research results show that using permeable graded gravel subgrade as the anti-frost structure for the high speed railway subgrade in the cold area is feasible.

High speed railway;Anti-frost heaving structure;Permeable subgrade bed;Filling material

U213.1+4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．05．25

1003-1995(2015)05-0098-05

(责任审编李付军)

2015-01-10;

2015-03-20

铁道部科技研究开发计划项目(Z2012-062);中国铁路总公司科研试验任务(Z2013-038);铁道科学技术研究发展中心科研项目(J2014G003);中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2013G009-G，2014G003-A);中国铁道科学研究院基金项目(2013YJ032)

闫宏业(1981—)，男，河北定州人，助理研究员，硕士。