考虑补水条件的长白铁路路基土冻胀特性试验研究

孙延明

（中铁十九局集团电务工程有限公司 北京 100076）

1 引言

现有对季冻土冻胀特性的研究已取得丰硕成果，但对于不同地区，由于其土质、水文及气象特征的不同，表现出不同的冻胀特性，在实际工程中所遇到的问题及采取的施工及预防措施也不尽相同。因此，本文依托长春至白城铁路路段扩能改造项目工程，考虑补水条件，对该路段主线路及附属道路的路基土进行开放系统下饱和土样与非饱和土样的室内冻胀试验，根据不同土样冻胀特性给出季冻土铁路路基施工的合理化建议与防治冻害的有效措施，为季冻区铁路工程提供一定的理论与技术指导，确保铁路路基的安全与稳定。

2 工程概况

位于吉林省西部的长白铁路，起始长春终于白城，沿线经过农安县、前郭县、松原市、大安市，正线线路全长327.8 km。CBSG-3标段里程范围为DK77＋600～DK129＋000，正线长度有49.8 km，其中路基工程总长34.2 km，占正线长度的68.7%。

沿线多平原地带，K124＋080至K129＋000为冲积平原第二松花江阶地，地势开阔平坦，沼泽、洼地、水泡遍布，分布多条引松干渠及子渠，有丰富的地下水和地表水。沿线分布有大量的粉土、粉质黏土、黏土和粉砂土，地下水位埋藏较浅，且地处深季节性冻土区，冬季寒冷漫长，历年最冷月平均气温－16℃，历年年平均降水量约为440 mm，最大积雪深度28 cm。沿线土壤最大冻结深度见表1。降雨和融雪都会导致表层土体含水率增高，易加剧冻胀，诱发道路安全隐患的发生。

表1 沿线冻土区最大冻结深度

3 试验设计

（1）土样制备

试验用土取自长白铁路扩能改造工程CBSG-3标段沿线不同位置地基土，分别有粉土、粉质黏土、黏土、淤泥质粉质黏土和粉砂土五种典型土类，各土类的粒径和基本参数见表2～表3。根据《土工试验规程》［11］进行土样制备。将天然土样于干燥箱烘干碾碎后取2 mm筛下土，根据土的最优含水率将所需水量用喷壶均匀喷洒到土层，经充分拌匀后将其密封静置24 h，使土样各部分含水率一致，最后进行实际含水率的测试。土样密度取土的最大干密度，采用分层（三层）击实法进行制样，每层击实至目标高度后将表面刮毛，使其与下一层土样击实后相互粘结，确保每层土的质量和高度相等，保证各土样的密度保持一致，并控制其他因素对试验的影响。

表2 土样颗粒级配

表3 土样基本参数

（2）试验仪器

冻胀试验仪器见图1。试样筒：筒壁由有机玻璃制作，内部规格尺寸为φ100 mm×H200 mm，底部为带有补水通道的底座，可进行开放系统下的冻胀试验；冻胀融沉仪包括恒温室：温度控制范围＋80℃～－70℃；冻胀量采集系统：计算机通过位移传感器（量程0～50 mm）进行自动化采集；补水系统：通过恒压补水管与试样筒补水底座相连进行无压补水；水浴冰箱：温度控制范围为－50℃～200℃，开始工作后循环泵送防冻液通过接触土样顶部的制冷顶板实现单向冻结。

图1 试验仪器

（3）试验方案

以某电网330kV变电站母线短路电流为限流目标，说明装置的设计与优化方法。系统共9个变电站，短路电流列于表1。

标段沿线不同位置由于其土质及地貌、水温等地质条件的不同，对季冻土产生的影响显著不同，因此需结合实际地质与气象条件，考虑不同时期地下水源和地表降水对季冻土的影响。综合考虑吉林地区冬季平均气温，取－15℃为冻结温度，冻结时间为48 h，在开放系统下进行不同土类饱和补水和非饱和补水的室内冻胀试验，方案见表4。

表4 试验方案

（4）冻胀形成机理

冻胀发生基本要素为土体、液态水、负温。由于土的三向组成，在固体土颗粒的间隙中存在液态水和气体，在单向冻结作用下，与冷源接触的土体中的水分快速发生冻结，形成冻结锋面（0℃等温线），同时未冻结土中水分在温度势作用下向冻结锋面迁移聚集，冻结成冰产生膨胀。当有外界水源补给时，外界水源在温度势和毛细作用下不断从下到上向冻结锋面迁移聚集，加剧了冻胀程度［12］。

4 试验结果及分析

（1）冻胀率计算方法

冻胀率作为表征土体冻胀特性的一个重要指标，是评价土体冻胀特性的标准，主要根据冻胀试验获取。因试验受多因素影响，不同的试验条件对结果有较大影响，计算方法为土样的冻胀量与实际冻结深度的比值，计算公式为：

式中，η为冻胀率，%；Δh为土样冻胀量，mm；Hf为冻结深度（不包括冻胀量），mm。

（2）冻胀量曲线

不同土类在不同试验工况下表现出的冻胀特性差异较大。为揭示开放系统下不同土类的冻胀特性，本文依据长白铁路现场路基土进行取样，展开不同土类在开放系统下饱和补水和非饱和补水的室内季冻土冻胀试验，得到各土类冻胀量随时间变化曲线，见图2～图6。由图可知，粉土、粉质黏土、黏土、淤泥质粉质黏土和粉砂土在饱和补水工况下的冻胀量分别为22.9 mm、35.3 mm、24.6 mm、38.8 mm、21.7 mm；在非饱和补水工况下的冻胀量分别为11.7 mm、25.9 mm、15.1 mm、31.2 mm、11.1 mm。淤泥质粉质黏土的冻胀量最大，粉质黏土次之，粉砂土的冻胀量最小。由于淤泥质粉质黏土的土颗粒较小，含粉粒较多，土的渗透性较大，因此冻胀量表现为最大；粉砂土由于含有砂砾，故冻胀量表现为最小。

图2 粉土冻胀量曲线

图3 粉质黏土冻胀量曲线

图4 黏土冻胀量曲线

图5 淤泥质粉质黏土冻胀量曲线

图6 粉砂土冻胀量曲线

在开放系统下五种土样冻胀量变化特征表现为一致的规律，冻胀量变化大致分为三个阶段：快速增长—缓慢增长—保持稳定；饱和土样较不饱和土样冻胀量大。粉砂土冻胀初始阶段冻胀发展速率最快且最快达到稳定。

不同土类因其本身特性，在相同工况下产生的冻胀量显著不同。水作为发生冻胀的主要因素之一，对冻胀产生的影响巨大，尤其是当有外界补水的情况下会显著增加土体的冻胀。

（3）土样冻胀率

根据冻胀率计算公式（1），得到各土样在饱和补水和非饱和补水工况下的冻胀率，见表5。由表5可知，五种土样在补水条件下均表现为较大冻胀率，经过饱和可显著增大土样冻胀率；在饱和补水和非饱和补水状况下淤泥质粉质黏土冻胀率均为最大，冻胀率分别为38.8%、31.2%，粉质黏土次之；粉砂土的冻胀率表现为最小，冻胀率分别为21.7%、11.1%。

表5 土样冻胀率

5 路基防冻胀措施

（1）对于铁路主线水资源丰富、地下水位较高及地势低洼路段，可对路基土表层进行清除换填，改填为强渗水性土或非冻胀性填料，并做好与周围河流和水源的流渗隔断。

（2）路基底部采取一定的隔水措施或设置渗水盲沟，防止地下水（毛细水）或降低地下水位对路基土进行补水；路基面进行一定的封水或设置排水沟，避免雨水或地表水下渗。

（3）对于淤泥质粉质黏土路段，在最大冻结深度范围内换填弱冻胀或不冻胀性填料，并对地下水和地表水采取隔断与疏排措施。

6 结论

（1）五种土样冻胀量发展变化曲线表现为一致规律，主要分为三个阶段：快速增长—缓慢增长—保持稳定。

（2）在饱和补水和非饱和补水工况下淤泥质粉质黏土冻胀量最大，冻胀量分别为38.8 mm、31.2 mm；粉砂土冻胀量最小，冻胀量分别为21.7 mm、11.1 mm。粉砂土冻胀发展速率最快且最快达到稳定，初始发展阶段冻胀量发展曲线的切线倾斜角接近90°；粉土冻胀发展速率最慢且最后达到稳定。

（3）饱和补水较非饱和补水有较大冻胀率。在饱和补水和非饱和补水两种补水工况下淤泥质粉质黏土冻胀率均为最大，冻胀率分别为38.8%、31.2%；粉砂土的冻胀率最小，冻胀率分别为21.7%、11.1%。