高速铁路路基微冻胀填料冻胀规律研究

杜晓燕，叶阳升，张千里，王昊

（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；3.中国铁道科学研究院，北京100081）

高速铁路路基微冻胀填料冻胀规律研究

杜晓燕1，叶阳升2，张千里2，王昊3

（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；3.中国铁道科学研究院，北京100081）

高速铁路对路基冻胀变形控制要求极高，传统意义上的不冻胀填料的微冻胀已经不能忽略，由此产生了一系列新的问题。针对季节性冻土地区路基冻胀对高速铁路轨道平顺性的影响问题，通过数值模型计算与理论分析相结合的研究方法，得到了微冻胀填料的外部约束制约冻胀而内部约束对冻胀影响不大的规律，深化了对高速铁路路基填料冻胀机理的认识。

微冻胀；填料骨架；填充料；冻胀规律

国内外对土体冻胀开展了大量研究。关于土的冻胀以及冻土在冻结、冻融状态下力学特性的研究，绝大部分局限于发生较大冻胀变形和产生严重冻害的冻胀敏感性土［1-5］。对于冻胀率＜1%的微冻胀土，由于其具有压实性能好、填筑密度高、抗变形能力强等优良的物理力学性质，已在我国土木工程建设中得到了广泛应用［6-10］。《高速铁路设计规范》（TB 10621—2014）［11］规定：基床底层范围采用A，B组填料或改良土，基床以下路堤可选用A，B组填料或C组碎石、砾石类填料。其冻胀率对于工民建、公路等一般建（构）筑物来说可忽略，可作为非冻胀性填料使用，但对高速铁路而言路基冻胀产生的不均匀沉降已不能满足轨道结构高平顺性的要求。目前关于土的冻胀机理及模型的研究主要针对细颗粒含量较高的冻胀敏感性土，相关的界限划分及冻胀规律的研究也主要集中于此。高速铁路大量采用低细颗粒含量粗粒土，由于其冻胀系数＜1，在以往的研究中属于不冻胀土，且由于细颗粒含量低，该填料内没有连续的薄膜水及水分迁移通道。因此，相关的机理不再适用于此类填料，并且对这类微冻胀填料的冻胀特性及规律研究较少。

1　热力学分析

本文的数值计算程序为颗粒流程序（Particle Flow Code，PFC），其理论基础是Cundall（1979）提出的离散单元法［12］，以圆盘（2D）或球形颗粒（3D）为计算单元，采用有限差分法迭代计算每个颗粒的运动及颗粒之间的相互作用，并在PFC程序中实现模拟颗粒材料的力学特性。试验材料宏观与细观力学参数的关系见图1，计算循环过程见图2。

图1　宏观与细观力学参数的关系

图2　计算循环过程

2　微冻胀填料物理力学参数研究

颗粒流模型的细观参数一般不能直接简单地与材料一系列的宏观物理力学参数联系。本文通过对土体进行平面应变数值试验，采用适当的接触本构模型，运用数值伺服机理调节控制应力加载和围压应力，分析土体颗粒间的摩擦系数、接触强度等细观参数的变化对宏观参数的影响，建立宏细观参数的联系，最终确定目标微冻胀填料的细观参数。标定试验的细观参数与宏观参数关系为

式中：φ为土体的内摩擦角；c为土体的黏聚力；En为颗粒间的接触变形模量；t为颗粒圆盘的厚度，一般情况系统默认为1；kn，ks分别为颗粒的法向刚度和切向刚度；f为颗粒的摩擦系数。

微冻胀填料物理力学参数见表1。

表1　微冻胀填料物理力学参数

根据数值模拟步骤，对于细观参数分别取4组，进行平面应变数值试验。不同细观参数组合标定的微冻胀填料骨架颗粒摩擦系数见表2。骨架颗粒刚度kn和ks取2×106N/m，填充料刚度kn和ks取2×105N/m。

表2　微冻胀填料骨架颗粒摩擦系数

3　微冻胀填料外部约束研究

3.1微冻胀填料冻胀外部约束模型

数值模型采用室内试验模型，试样高度150 mm，直径150 mm，并设置不同的上覆荷载。

土冻胀模拟过程：①球颗粒在9.80 m/s2的重力加速度作用下下落，直到达到静力平衡；②将逐级递增的温度施加到容器底壁上。数值试样采用从底端按从0℃开始，每级递增1℃直至10℃，然后每级递增15℃直至60℃升温膨胀，用颗粒升温膨胀模拟水分降温冻胀，当所有的球温度均达到每级设定温度时继续传递热量直到最终温度并设置严格的收敛条件。模拟结束后试样如图3所示。

3.2微冻胀填料外部压力与冻胀的关系

增加外部荷载对土体冻胀产生显著的抑制作用。这是由于外部附加压力增加，增大了土颗粒间的接触应力，降低了土中冰的冻结点及初始含水量，并且抑制了水分的迁移，使土中水的液、固态转换受到影响。在研究不同上覆荷载条件下填充料膨胀量和微冻胀填料膨胀量之间的关系时，微冻胀填料的填充料含量取7%，骨架颗粒摩擦系数取0.31，上部荷载取5，10，20，40，60和142 kN。

模拟结果表明，当混合料颗粒间摩擦系数一定时，随着微冻胀填料颗粒外部荷载的增加，其颗粒间力链更发达，更均衡。究其原因是外部约束越大，骨架颗粒间的填充料颗粒才能更好地被挤压入骨架孔隙中，混合料颗粒能达到更好的压密效果，对力链的贡献亦较大。一般情况下，微冻胀填料的膨胀随着外部约束增加而减少，外部约束的增大会压密微冻胀填料，然后致使混合料宏观上膨胀量减少。随着填充料膨胀量的增加，上覆荷载越大试样顶面上升越小，证明上覆荷载对微冻胀填料有抑制作用。

填充料含量7%时微冻胀填料不同温度下混合料体积膨胀率与外部约束作用的关系曲线见图4。混合料骨架摩擦系数均为0.31。图4中1～9系列分别对应10，15，30，45，60，75，90，105和120℃温度条件。

图3　颗粒离散元计算模型模拟结束后试样

图4　不同温度下混合料体积膨胀率与外部约束的关系曲线

由图4可知，随着外部约束的增加，微冻胀填料膨胀呈减少趋势。荷载较小时膨胀率随荷载的增加呈非线性减少并收敛于某一值。在同一外部约束作用下，温度越高混合料膨胀率越大。这主要是因为外部荷载制约微冻胀填料膨胀。

4　微冻胀填料内部约束研究

4.1微冻胀填料冻胀内部约束模型

在研究微冻胀填料冻胀过程中内部约束的影响时，取各粒组颗粒平均粒径与外部约束分析时相同，同时赋予颗粒重力加速度。重新设定微冻胀填料骨架的摩擦系数，填充料组的微小摩擦系数设为0.01。填充料含量取10%。

4.2微冻胀填料骨架颗粒强度与冻胀的关系

当微冻胀填料混合料为砾石时，摩擦角相对较小；而当混合料为碎石时，其摩擦角相对较大。本文分析不同的摩擦系数情况下填充料膨胀与微冻胀填料膨胀之间的关系。微冻胀填料摩擦角分别取10°，15°，20°，25°，30°，35°和40°（填充料含量为5%）。当混合料颗粒间摩擦系数较大时，试样压实程度大，因为此时颗粒间摩擦角较大，试样能达到更好的密实效果。随着微冻胀填料颗粒摩擦系数的增加，其颗粒间的力链更发达，更均衡。

一般情况下，微冻胀填料的膨胀随着填充料含量增加而增大，填充料膨胀先填满孔隙，然后再致使混合料膨胀。特别是当填充料膨胀到刚好填满混合料骨架孔隙时，此时尽管填充料继续膨胀，微冻胀填料宏观上并没有膨胀，主要是因为微冻胀填料骨架强度和试样顶部荷载对填充料的膨胀有约束作用，抑制了其膨胀。随着填充料继续膨胀，由于混合料对其约束力为固定值，填充料将冲破骨架，混合料此后也随之膨胀，试样顶面抬升。填充料含量5%不同摩擦系数情况下，微冻胀填料混合料膨胀量与骨架颗粒填充料膨胀量的关系见图5。

图5　不同摩擦系数混合料膨胀量与填充料膨胀量的关系

相同压力时，填充料在膨胀过程中混合料密度与摩擦系数的关系曲线见图6。序列1～18表示试样从0℃开始，分别按每级递增1℃直至10℃，然后按每级递增15℃直至120℃升温膨胀，模拟不同的填充料膨胀量时微冻胀填料的膨胀情况。

在微冻胀填料平衡过程中，随着摩擦系数的增大，混合料密度减小。主要原因是混合料在重力平衡时，骨架颗粒强度会阻止混合料密实。而在填充料膨胀过程中，微冻胀填料骨架颗粒摩擦系数越大，混合料密度越大。因为在填充料膨胀过程中，骨架颗粒强度会约束颗粒运动，这样混合料就会随着填充料的膨胀而变得密实。相对于某一骨架颗粒摩擦系数，温度越高混合料密度越小。主要原因是升温时颗粒活动加剧，更加不利于混合料的密实。在填充料膨胀量极小时密度随摩擦系数的增大略有增大，但这部分膨胀量极小，不影响整个宏观膨胀。以上分析说明在填充料含量5%情况下填充料膨胀主要是充填骨架孔隙。

图6　混合料密度与摩擦系数的关系曲线

5　结论

1）采用颗粒流离散元软件对微冻胀填料冻胀模型宏观参数进行了细观标定，分析土体颗粒间的摩擦系数、接触强度等细观参数的变化对宏观参数的影响，建立宏观与细观参数的联系，最终确定了目标微冻胀填料的细观参数。

2）一般微冻胀填料的膨胀量随着外部约束增加而减少，外部约束的增大会压密微冻胀填料，致使混合料宏观上膨胀量减少。小荷载时膨胀随荷载的增加非线性减少，并收敛于某一值。在同一外部约束作用下，温度越高混合料膨胀量越大。

3）在微冻胀填料平衡过程中，混合料密度随着摩擦系数的增大而减小；而在填充料膨胀过程中，混合料密度随混合料骨架颗粒摩擦系数增大而增大。相对于某一骨架颗粒摩擦系数，混合料密度随温度升高而增大，因此骨架摩擦力不是影响微冻胀填料冻胀量的主要因素。

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［12］CUNDALL P A.PFC3D Users'Manual［M］.Minnesota：Itasca Consulting Group Inc，2004.

Study on Frost Heaving Law of Filling Featuring Micro Frost Heaving for High Speed Railway Subgrade

DU Xiaoyan1，YE Yangsheng2，ZHANG Qianli2，WANG Hao3
（1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2.State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China；3.China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

T he frost heaving deformation of high speed railway subgrade is seriously controlled.T he micro frost heaving of traditional subgrade non-frost heaving filling cannot be neglected，which results a series of new problems. Focusing on the effect of subgrade frost heaving on track smoothness of high speed railway in seasonal frozen soil area，and combing the research method of numerical model calculation and theoretical analysis，the frost heaving law was obtained that external constraint of micro-frost heave filling restricts frost heave，and internal constraint has a little influence on frost heave.T he results deep the understanding on frost heaving mechanism of high speed railway subgrade.

M icro frost heaving；Filling skeleton；Filling material；Frost heave law

U213.1+4

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.21

1003-1995（2016）09-0082-04

（责任审编李付军）

2016-04-30；

2016-05-13

中国铁道科学研究院基金（2015YJ038）

杜晓燕（1980—），女，助理研究员，博士。