高纬度严寒地区路基填料防冻胀技术研究

高纬度严寒地区路基填料防冻胀技术研究

李继刚

中铁一局集团有限公司西安710001

摘要：高寒地区路基的冻涨融沉是具备区域气候特征的病害现象，成因复杂，整治困难。本文从冻涨产生的机理和非冻涨填料试验研究着手，分析填料试验特性，为本地区路基工程填料的选择具有很强的指导作用。

关键词：严寒地区冻涨细颗粒含量

路基冻胀是指土壤在负温条件和存在一定温度梯度条件下，路基本体内水分向冻结面迁移冻结，冻结后路基土体体积增大导致路基顶面高程发生变化的现象。

通过对路基冻胀机理及影响因素的研究现状分析可知，国内外学者对路基冻胀机理的理论研究及数值模拟的运用逐渐趋于成熟，采用室内试验或者现场监测的方法对路基冻胀的影响因素，如土质、温度、水分等做了大量的研究，揭示了这些影响因素对路基冻胀量的影响。

鉴于冻胀速率直接影响路基冻胀，进而影响路基的稳定性，而路基冻胀速率的影响因素及其影响路基冻胀的机理还未可知，因此，本项目在研究现有高速铁路路基病害的基础上，进行室内土体冻胀变形试验，考虑冻胀速率及补水条件对于土体的冻胀特性进行分析，揭示高速铁路路基变形特性。

1季节冰冻地区铁路病害的类型及成因分析

现有的研究资料表明，冻胀是铁路路基典型的冻害形式，影响冻胀发生的因素很多，可以归结于自然因素和人为因素。

⑴自然因素主要有：气候条件、地质条件。

影响路基冻深的气候因素很多，主要有太阳辐射、地气间的对流换热作用，大气环流和季风、冬季雪盖的厚度以及该地区的云量和日照时间等，这些因素积极地参与大气与地面之间的热交换，进而影响地面和地层中的温度，改变冻深值。

影响路基冻深的地质条件有土性、地下水状况等。

⑵影响铁路路基冻胀的人为因素：路基的高度、排水设计、施工质量和行车荷载等因素。

2哈牡客专路基填料的工程特性

⑴哈牡客专自然环境特征

哈尔滨至牡丹江客运专线自然环境特性：路线所在区域地处松花江冰水冲积岗阜状平原、低山丘陵区、中地山区；冬季漫长、寒冷而干燥。夏季多受太平洋西北、西南气流的影响，炎热多雨。春秋两季短促，多风且干燥。

⑵试验设计考虑的填料的六大物理特性

①填料的含水率

根据《铁路工程土工试验规程》（TB10102-2010）的规定，烘干法试验，路基填料的含水率为1.0%。

②填料的颗粒分析

依据《铁路工程土工试验规程》（TB10102-2010）表明：细粒含量小于15%的角砾土，级配良好的填料为A1组填料。根据《土的分类标准》（GB/T50145-2007），将该填料定名为级配良好砾。

③细粒土的液塑限

通过液塑限联合测定仪法测得填料中细颗粒土（粒径小于0.075mm）的液限为36.02%，塑限为20.25%，塑性指数为15.77，因此填料中的细颗粒土为粉质黏土，依据《铁路工程土工试验规程》（TB10102-2010?）判定该细粒土为强冻胀敏感性土质。

④颗粒密度

试验采用量瓶法和虹吸筒法测定填料的颗粒密度。试验结果如表1所示。

⑶试验设计考虑的填料的力学特性

按照《铁路工程土工试验规程》（TB10102-2010）的规定对路基填料进行粗粒土大型直接剪切试验。结合试验数据及结果，从水平剪应力与剪切位移、抗剪强度与含水率的关系、粘聚力（c）及内摩擦角（φ）、剪胀剪缩角度分析了哈牡客专路基填料剪切强度变化特性。

①填料抗剪强度试验

通过对大型直剪仪的应用及方案制定，对超粒径的处理方法，针对剪应力-水平位移曲线总体特征、剪胀剪缩特性、抗剪强度拟合进行分析。

②填料的压缩性

荷载作用下孔隙比的变化：荷载逐渐增加过程中，孔隙比逐渐减小。

荷载作用下压缩系数的变化：随着荷载的增加，压缩系数大体呈减小的趋势。

压缩性评价：路基填料在最佳含水率状态下属于低压缩性土。

荷载作用下压缩模量的变化情况：填料强度较高，大粒径颗粒较多，棱角丰富，并且本试验在刚性约束条件下进行，因此压缩模量会出现波动的现象。

③强度指标CBR

采用贯入试验，填料吸水膨胀极小，适合作路堤填料。该填料贯入量为5mm时的承载比大于贯入量为2.5mm时的承载比，因此所取的CBR值为贯入量为5mm时的承载比。

3高纬度严寒地区粗粒土填料冻胀特性分析

一般来说，当土体处在负温环境时，土体孔隙中部分水将会冻结相变成冰，导致土体内原有的热学平衡条件被打破。在温度梯度的影响下，土体中的水分不仅会发生原位冻结，也会受到抽吸作用，从未冻结区域向冻结锋面迁移、聚集且冻结成冰，引起冻结锋面附近的土体受力条件发生变化，孔隙被冰晶体填充，土颗粒受拉分离，形成冰透镜体。随着水分向冻结边缘区域的进一步迁移、冻结以及冻结锋面的推进，土体体积逐渐膨胀，出现冻胀现象。

影响土体冻胀的因素很多，但归纳总结起来主要为以下几点：土体的矿物成分、粒度组成、含水量、密度、温度、外加荷载以及含盐量等。

选择哈牡客专典型路段的路基填料作为研究对象，考虑了含水率、环境温度、细颗粒土含量、压实功四个因素，进行封闭不补水条件下和开放补水条件下，不施加荷载的冻胀特性试验。

根据试验结果，分析了四个因素对试样的温度、冻结速率、水分迁移及冻胀变形量的影响。

⑴试验设计

选同一压实功压实后的试样，在封闭条件（不补水条件）和开放条件（补水条件）下进行冻胀变形试验。

针对两种试验，对土性、含水率、温度的设定及补水条件进行对比。

冻胀试验装置由试件模型、降温系统、补水系统、温度监测系统、变形监测系统等构成。

⑵试验方案

细粒土含量8%、细粒土含量16%的碎石由哈牡客专路基填料配制，分别称取所需土样和水，喷洒至土样，并不断搅拌，闷料24小时。

模型桶外侧再用海绵包裹，增加保温效果。装料前在模型桶的内侧刷一层凡士林，减小筒壁与试样间的摩擦。在进行开放系统条件下的冻胀试验时，在模型桶底部铺一层碎石，碎石层应高于补水管，碎石层上面放一张滤布，防止土样进入碎石层，填料前打开潜水泵，测试补水系统是否正常，让水充满补水层，待土工布浸湿后关闭潜水泵，开始填土。

先填部分土样并击实至1cm厚，然后将剩余的土样平均分三次装入有机玻璃筒内，每次装料前放置温度传感器，填完后均将该层土样击实至8cm厚，第一、二层击实后要进行刮毛，三层土样的底部均放置一个温度传感器。进行开放系统条件下的冻胀试验时，碎石层顶部也放置一个温度传感器。将一个薄有机玻璃板埋入土顶部，使有机玻璃板上表面与土顶面齐平。

①试验过程及监测

封闭系统下冻胀试验过程：将制好的五个件一同放入恒温箱内，将固定好百分表的磁铁支架吸附在恒温箱内壁上，百分表下头顶在有机玻璃板上。记录百分表读数后关闭恒温箱，将恒温箱温度设置为-10℃。将温度传感器连接到温度采集仪上，实时采集温度。经过72小时后，打开恒温箱读取百分表，得到各试样的冻胀量，可见恒温箱内有明显的结霜。

开放系统下冻胀试验过程：将有机玻璃桶放置在恒温箱内预先设置好的高度处并安装百分表，检查各设备正常后，设置恒温箱温度，待恒温箱内温度接近0℃时打开潜水泵，补水系统开始工作，冻结过程中采集温度和变形量。

试验温度监测：试验模拟环境温度，进行封闭系统下的冻胀试验时，将恒温箱温度设置为-10℃，打开后让其降温，大约在三个小时时到达设定温度然后保持恒定。由于各组试样进行试验的时间不同，在试验开始时的初始温度会不同，但初始温度相差最大不超过2℃，而在快速降温阶段，降低2℃不需要太多时间，因此初始温度的差异对试验造成的影响较小。

开放系统下冻结试验的温度控制与采集和封闭系统相同，但三组试验设置的温度分别为-5℃、-10℃、-15℃，它们分别需要大约2、3、4个小时到达设定的温度并保持恒定。

②封闭条件下填料的冻胀特性分析

试验结果显示各试样在最佳含水率及更低含水率下的冻胀率均小于1，按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）以冻胀率对季节性冻土的划分，其属于不冻胀土，因此认为试样在低含水率时虽然发生了微量的冻胀，但作为填料填筑路基时，只要保证其保持低含水率，就不会发生冻胀。

③开放系统条件下填料的冻胀特性分析

在开放系统条件下，初始含水率为4%的试样较封闭系统下冻胀率均有增大，且细粒土含量越多冻胀率增加越大，冻胀敏感性增强，因此在选择路基填料时应注意控制土中细粒土含量。对于本次研究的路基填料，在细粒土含量（16%）到达了冻胀敏感性土的范畴时，填料也没有表现出较强的冻胀敏感性，这可能与采用的试验有关，但也可以在一定程度上说明该填料稳定性较好。

⑶试验结果

通过对比我们可以看出，在补水条件下，试样的冻胀量较封闭系统有明显的增加，也就是说外来水源是导致冻胀产生的重要因素之一，开放系统下三种试样的冻胀量较封闭系统分别增加了22.5%、44.6%、71.6%，细颗粒含量越多，补水对其冻胀的影响越明显，因此在工程中应尽量隔绝外界水源对路基的水分补给，在选择路基填料时要控制土中细颗粒土的含量。

4细粒土的冻胀与融沉试验研究

⑴试验设计

为了能够模拟路基的实际工作状态，考虑大气环境的升温与降温变化、地下水的补给等状态，进行土柱试验模型测试系统对土体内部各点的温度、水分以及总体变形进行测设。土柱试验模型测试系统主要是由变形采集系统、温度采集系统和温度控制系统、水分采集系统、补水装置以及圆柱型试模筒六部分组成。

⑵试验方案

土体的冻胀与融沉主要是受温度和水分的影响，通过填料制备，补水过程，温度控制，检测过程分析冻胀与融沉中温度和水分的影响进行了冻胀融沉土柱模型试验。

在室内试验过程中施加-20℃的温度；同时为了减小基质势的影响，试验开始前就补水，直到土体内部的含水率在24h内变化不超过0.1%时开始施加冷浴；在冻结过程中，试件顶部一直施加-20℃的负温，同时为了模拟地下水的补给，在试件底部进行持续补水；为了更好地观测冻结过程的开始，刚试验开始初期采用间隔6h记录一次试验数据，等到冻结过程开始时就改成间隔24h记录一次试验数据；当冻结过程中温度变化在24h内不超过0.1℃，停止施加冷浴，由室内正温让其自然融化，直到融化过程中温度变化在24内不超过0.1℃，此时整个试验完成，在融化过程中间隔24h记录一下试验数据。

⑶试验结果

①按照冻结深度把土体划分为已冻结段和未冻结段；同时按照冻结速率把冻结过程分为三段：快速冻结、冻结过渡以及稳定冻结，即：在冻结初期（0～48h）冻结深度随冻结速率快速衰减而快速下降，冻结48h～240h冻结深度随冻结速率缓慢衰减而缓慢下降，冻结240h～336h冻结深度随冻结速率的稳定而稳定下降。

②冻结过程中变形特性为，冻胀分为三个阶段：冻胀变形缓慢阶段、冻胀变形快速发展阶段以及冻胀变形稳定阶段，最终冻胀量为4.55mm。

③由融化过程中变形特性可以看出，融沉变形分为三个阶段：快速变形阶段、慢速变形阶段和稳定阶段。

⒕经历了一个冻胀融沉循环，细粒土土体的孔隙率增大，导致产生的冻胀量大于融沉量。

5结论

土体的基本物理性质是研究其冻胀特性的基础，通过物理性质试验，结果表明：填料为级配良好的A1组填料；填料中细颗粒土为粉质黏土；对不同细粒含量的填料进行击实试验，发现随着细粒含量的增加，填料的最佳含水率在增加，而最大干密度在逐渐减小。

路基填料进行大型直剪试验，结果表明填料的剪应力-水平位移曲线都表现线性变形阶段、初始屈服阶段和剪切破坏阶段等三个阶段，产生明显的剪切“跳跃”现象。根据摩尔库伦准则拟合得到的“粘聚力”较大，主要是由颗粒之间咬合力和切齿力等组成；填料由于粗颗粒含量较多，其摩擦角可能会比一般土体较高，略高于45o。

参考文献:

[1]铁路工程土工试验规程（TB10102-2010）[M].中国铁道出版社，2011.

[2]土的分类标准（GB/T50145-2007）[M].中国计划出版社，2007.

[3]公路桥涵地基与基础设计规范（JTGD63-2007）[M].人民交通出版社.2007.