关于季节性冻土地区高速铁路防冻胀填料的建议

杜晓燕，叶阳升，张千里，蔡德钩( 1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　100081; ．高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京　100081)



关于季节性冻土地区高速铁路防冻胀填料的建议

杜晓燕1，2，叶阳升2，张千里1，2，蔡德钩1，2
( 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)

摘要:高速铁路对路基冻胀变形控制提出了新的要求，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问题。针对季节性冻土地区路基冻胀对高速铁路平顺性的影响，基于能量最低原理，推导了微冻胀填料的冻胀计算公式，提出了高速铁路微冻胀填料控制方法和建议。同时综合分析了基床表层级配碎石关键参数，提出了严寒地区高速铁路基床表层级配碎石级配优化建议。

关键词:微冻胀填料骨架分析模型冻胀计算

我国75%国土为多年冻土或季节性冻土。由于以往对冻土区路基填料的防冻胀性认识不足，致使铁路路基冻胀病害时有发生。鉴于高速铁路对变形的高要求，在季节性冻土区修筑高速铁路，路基的防冻胀问题尤为关键。哈大高速铁路基床表层填料为细颗粒含量＜7%的级配碎石，基床底层冻深范围内填筑黏土含量≤15%的粗颗粒土(包括碎石类土，砾石，粗、中砂)或粉黏粒含量≤10%的细砂。根据《铁路特殊路基设计规范》( TB 10035—2002)对季节性冻土的冻胀分级，这些填料的冻胀等级均为Ⅰ级不冻胀，平均冻胀率＜1%，且对冻前天然含水率和地下水影响均不予考虑。而东北地区高铁路基冻结深度最大达3 m，如果将1%作为填料不冻胀的控制标准，其产生的冻胀变形量将无法满足无砟轨道变形控制要求。因此，目前针对高速铁路路基填料冻胀级别的划分不宜再依据TB 10035—2002确定，应基于高速铁路对平顺性要求，提出新的填料防冻胀建议，为设计和施工提供依据。

1　微冻胀填料冻胀模型

微冻胀填料属于粗粒土，具有土的三相特征。实际上微冻胀填料在冻胀过程中是混合料中填充料颗粒冻胀。亦即微冻胀填料试样冻胀时粗颗粒不胀，且粗颗粒亦是刚体，而细颗粒低温冻胀。

1. 1微冻胀填料完全填充情况分析

为研究微冻胀填料完全填充情况，简化混合料试样由骨架粗颗粒、填充料颗粒和孔隙三部分组成，如图1、图2所示。

图1试样混合料

图2混合料组成

如图2所示，填充料和剩余孔隙组成了混合料的骨架孔隙。填充料填充骨架孔隙过程中，混合料试样在侧限条件下填充料低温膨胀，首先充填剩余孔隙;当剩余孔隙填满后，若继续膨胀，则此时的膨胀量为混合料试样宏观膨胀量。微冻胀填料完全填充理论关系为

式中:ΔV混合料为混合料宏观冻胀量;ΔV填充料为填充料冻胀量;ΔV骨架孔隙为骨架孔隙变化量。

1. 2微冻胀填料不完全填充情况分析

工程中使用的微冻胀填料是骨架料和填充料的混合物，在低温下含水的填充料颗粒会发生冻胀。随着填充料体积增大，并非膨胀体积占满剩余孔隙再抬升骨架;实际上，对不完全充填情况而言，骨架剩余孔隙遇到阻力即可促使抬升骨架。

将填充料的膨胀受力状态类比如图3所示的数学物理模型。微冻胀填料骨架每一个孔隙可看作一个容器。容器顶板为多孔板，孔越多对应骨架孔隙率越大。

图3混合料不完全填充示意

填充料颗粒膨胀时，多孔板向上移动，导致宏观体积增加。此外，一部分细颗粒从顶板孔隙中挤出，其塑性变形消耗部分能量，如式( 2)所示。

式中，ΔV挤出为填充料膨胀从孔中挤出的量。

结合微冻胀填料完全填充与不完全填充情况的分析，考虑充填和抬升作用的相互影响，基于能量最低原理，得到微冻胀填料冻胀模型。完全填充时，微冻胀填料冻胀模型为式( 1)，而不完全填充时，微冻胀填料模型为式( 2)。

求解并进一步优化得混合料微冻胀率

式中: N为试样上覆荷载;φ为填充料塑性变形摩擦角; C为填充料黏聚力;α为填充料冻胀率;β0为混合料初始填充料填充骨架孔隙程度; ds为混合料相对密度;ρw为水的密度; w为混合料含水率;ρ混为混合料密度;θ为填充料含量; G骨架为混合料骨架相对密度。

式( 3)中各参数通过室内填充料冻胀试验和简单的微冻胀填料基本物理力学试验获取。根据微冻胀填料冻胀模型，微冻胀填料冻胀与以上各因素均有密切的关系。采用室内试验对该式进行验证，比较计算得出填料冻胀率与室内试验填料冻胀率相差仅为0. 06%，各因素均直接影响微冻胀填料的冻胀。

2高速铁路防冻胀填料建议

迄今，铁路工务部门针对管段范围内的季节性路基冻害，大多采取限速、抬升路基、道砟清筛、加冻胀垫板、注盐、换填、增设渗水盲沟等整治措施，但是并没有从根本上解决冻害。目前高速铁路无砟轨道路基防冻层填料采用普通A，B组填料，即填料中粒径≤0. 074 mm的细颗粒含量＜5%且级配良好，平均冻胀率＜1%，此要求是在一般规范要求下确定的。考虑到哈大铁路沿线季节性冻深为0. 88～2. 90 m，若依照一般性规范要求，冻胀量允许值则为8. 80～29. 0 mm，已不能满足哈大高铁路基变形不得大于15 mm的要求。

2. 1填料选择步骤

1)确定填料内细颗粒含量。根据国内外研究资料及室内冻胀试验可知，细粒含量是影响土体冻胀的内在因素，也是主要因素。通过室内颗分试验，确定混合料中的细颗粒含量。

①细粒含量＜3%时，土体在开敞与封闭情况下，冻胀性变化不大，且冻胀系数较小，可直接用于路基防冻胀填料。

②细粒含量在3%～10%之间时，冻胀系数随填充率等参数影响而变化。

③细粒含量＞10%后，土体冻胀性随着细粒含量的增加而显著增加，但对于细粒含量低于15%的土质，冻胀系数＜1%，属于弱冻胀性土。

2)确定土的渗透系数。通过室内渗透试验确定渗透系数K。试验表明，当K＞1×10－3时，属于弱冻胀性土。

3)根据1)，2)结果，选择合适的填料。

4)依据选择填料的性质与外界环境，计算冻土区路基填料冻结深度。

5)填料细粒含量＞3%时，采用微冻胀填料冻胀模型计算路基冻胀变形。满足要求时则使用该填料;不满足要求时，可通过适当增大混合料骨架孔隙以达到高速铁路路基防冻目的。

6)若用上述方法选择的填料均不满足，则不能用此填料，可采取防排水或保温等防冻胀措施。

2. 2级配碎石级配设计流程

对于不同粒径组合而成的混合料，其级配符合规范规定时为级配型集料。级配型碎石又分为级配碎石、级配碎砾石、未筛分的碎石、级配砾石，统一称为级配粒料。级配集料的强度、稳定性与集料类型、最大粒径和级配、细粒含量(粒径为0. 075 mm的通过率)有关，而水稳定性与粒径为0. 425 mm以下材料的通过率及其塑性指数有关。通过对高速铁路基床表层级配碎石病害的调查及理论分析，目前我国高速铁路基床表层级配碎石总体上使用情况良好，但局部地区出现了问题:其一是南方多雨地区基床表层翻浆问题;其二是东北严寒地区的冻胀问题。

低细颗粒含量粗粒土冻胀机理研究结果表明，低细颗粒含量粗粒土(级配碎石)冻胀变形，主要是由于集料骨架接触部位黏土颗粒周围薄膜水引起的水分微迁移并冻结引起的，宏观上表现为原位冻胀。散粒体材料的绝对冻胀是很难避免的，铁路路基防冻胀应着眼于路基的不均匀冻胀，可通过增大级配碎石的渗透性、降低持水性能、减少细颗粒含量或减小0. 5 mm以下细颗粒含量的液塑限等综合措施，控制级配碎石的冻胀性能。综上所述，高速铁路基床表层级配碎石级配确定的流程如图4所示。

图4级配碎石级配确定流程

2. 3基床表层级配碎石级配

综合分析基床表层级配碎石关键参数，初步选定基床表层级配碎石级配，并进行级配碎石性能验证，包括持水性、渗透性、冻胀敏感性及压实性能。综合以上分析，拟定的严寒地区高速铁路基床表层级配碎石级配如表1及图5所示。

表1基床表层级配碎石粒径级配(建议值)

图5级配碎石级配曲线(建议值)

2. 4微冻胀填料冻胀试验方法

微冻胀填料由骨架颗粒和填充料组成，而其冻胀主要为填充料冻胀。根据冻胀过程中填充料冻胀与骨架颗粒间相互作用关系，由微冻胀填料冻胀预测模型η混=η( N，φ，C，α，β0，ds，ρw，w，ρ混，θ，G骨架)，通过填料物理力学性质试验和填充料冻胀试验即可得到微冻胀填料冻胀量。

3　结论

1)根据微冻胀填料完全填充理论与不完全填充情况，建立了微冻胀填料冻胀模型η混=η( N，φ，C，α，β0，ds，ρw，w，ρ混，θ，G骨架)。据此，微冻胀填料冻胀与上覆荷载、填充料塑性变形摩擦角、填充料黏聚力、填充料冻胀率、混合料初始填充料填充骨架孔隙程度、混合料相对密度、水的密度、混合料含水率、混合料密度、填充料含量以及混合料骨架相对密度均有密切的关系。

2)研究了铁路路基防冻胀设计方法，提出高速铁路基床表层填料选择步骤与级配碎石级配确定流程，以及季节性冻土区高速铁路基床表层级配碎石级配。

3)依据填料物理力学性质试验和填充料冻胀试验结果并结合微冻胀填料模型，得到微冻胀填料冻胀量的计算方法。提出了严寒地区高速铁路路基微冻胀填料建议。

参考文献

［1］赵云龙．铁路路基冻害及防治［M］．北京:中国铁道出版社，1984．

［2］陈肖柏，刘建坤，刘鸿绪，等．土的冻结作用与地基［M］．北京:科学出版社，2005: 132-158．

［3］程爱君．铁路路基填料的冻胀性分类研究［D］．北京:铁道科学研究院，2006．

［4］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 ( 12) : 2549-2557．

［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．论铁路路基填料分类［J］．中国铁道科学，2004，25 ( 2) : 35-41．

［7］王仲锦，张千里，叶阳升．铁路路基填料分类深化研究［J］．中国铁道科学，2012，33( 2) : 13-20．

［8］钟敏辉，王少斌．季节性冻土路基冻胀性分析及治理措施［J］．铁道建筑，2009( 4) : 96-98．

［9］中华人民共和国铁道部．TB 10035—2002铁路特殊路基设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2002．

［10］赵阳升，冯增朝，万志军．岩体动力破坏的最小能量原理［J］．岩石力学与工程学报，2003，22( 11) : 1781-1783．

［11］王红，袁鸿，夏晓舟．基于最小能耗原理的塑性应变流动法则［J］．上海大学学报，2012，18( 4) : 390-395．

(责任审编孟庆伶)

Proposal to apply anti-frost heaving filling material of high speed railway subgrade in seasonal frozen soil region

DU Xiaoyan1，2，YE Yangsheng2，ZHANG Qianli1，2，CAI Degou1，2
( 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)

Abstract:New demands was proposed to control the subgrades frost heave deformation for high speed railways．M icro-heaving，meaning no frost heave in the traditional view，cannot be ignored．T his paper is aimed at the impact on the ride comfort of high speed railways，caused by the subgrades frost heave in the seasonal frozen soil region．Based on the principle of minimum energy，the frost heave formula of the micro-heaving fillers was derived．M eanwhile，control methods and proposal to micro-heaving filling materials were proposed．In addition，the optimum suggestions of surface layer graded aggregatefor high speed railway in seasonal frozen soil region was put forward by analyzing the gradation key parameters．

Key words:M icro-heaving; Skeleton of filling material; Analysis model; Frost heave calculation

文章编号:1003-1995( 2016) 01-0047-06

中图分类号:U213．1+4

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．10

作者简介:杜晓燕( 1980—)，女，助理研究员，博士。

基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划课题( 2014G003-A) ;中国铁道科学研究院基金课题( 2015YJ038)

收稿日期:2015-11-09;修回日期: 2015-12-10