严寒地区高速铁路水泥稳定碎石基床冻胀性能试验研究

杨国涛，高　亮，王天亮，林永清

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京　100044；2.中国铁路总公司 科技管理部，北京　100844；3.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄　050043)

近年来，我国在东北、西北等季节性冻土地区开展了大规模的高速铁路建设，高速铁路路基变形控制标准严格与路基冻胀问题之间的矛盾成为工程设计、施工、养护和维修所面临的难题[1-3]。虽然采取了诸如表面封闭层、级配碎石基床、非冻胀填料、甚至混凝土基床等路基防冻胀措施[4]，但在季节性强烈冻结与融化作用下，高速铁路路基仍出现了冻胀隆起和结构开裂等病害，严重影响和制约着季节性冻土区高速铁路的建设和正常运营。因此，开展抗冻胀措施研究对解决冻土区高速铁路路基冻害问题、促进冻土区高速铁路建设与发展具有十分重要的实际意义。

国内外学者基于土体冻胀融沉机理的研究成果[5-8]主要从温度、水分和土质3个方面进行寒区高速铁路路基防冻胀措施的相关研究，提出了诸如隔热保温[9-10]、封闭防水[3]、换填非冻胀填料[4,11-13]等抗冻胀措施。其中，掺水泥的级配碎石作为一种弱冻胀敏感性填料，在哈大高速铁路路基过渡段以及个别特殊地段的应用取得了较好的效果[3]。针对掺水泥级配碎石，公路行业的研究成果和工程应用较多，且被称之为水泥稳定碎石。研究成果主要集中在水泥稳定碎石的无侧限抗压强度性能[14-15]、抗裂性能[16-17]、温缩变形特性[18]、压实成型方法[19]、疲劳特性[20]等方面，这些研究成果为水泥稳定碎石在铁路路基基床中的应用提供了大量的技术和理论支持。在抗冻融耐久性方面，吴瑞麟等人[21]认为在经历3次冻融后，水泥稳定碎石的无侧限抗压强度基本趋于稳定，而庄少勤等人[22]通过研究则发现水泥稳定碎石在经历5次冻融后其抗压强度才逐渐趋于稳定。在渗透性能研究方面，曾梦澜等人[23]对比研究了粗开级配、细开级配和常规级配的渗透性、强度和抗冻性能等，并提出不同级配类型的适用范围，这与闫宏业等人[4]的研究具有很多相似之处。上述研究成果表明，水泥稳定碎石具有较好的抗冻性、耐久性、水稳定性等优点[21-22]，且在铁路工程实践中被证明是一种比较好的抗冻胀填料。然而，由于其近似素混凝土的特征，与传统意义上的路基填料有所区别，且缺乏较为完善的评价指标和方法等原因，因此关于级配碎石掺水泥能否在季节性冻土地区的高速铁路路基上推广应用成为国内外学者讨论的焦点。

为解决上述问题，本文作者采用粗粒土冻胀性能大直径试验装置、岩石多功能试验机和大直径试样渗透仪，研究级配碎石填料的多次冻胀融沉特性、强度特性和渗透性能，深入探讨和分析颗粒级配、水泥掺量对级配碎石冻胀性能、无侧限抗压强度和渗透系数的影响规律，并给出了级配碎石水泥掺量和颗粒级配的建议值，为冻土区高速铁路路基基床的设计和施工提供技术指导。

1　试验装置及方案设计

1.1　试验材料

级配碎石：选取渗透性级配碎石，具体颗粒级配见表1，其不均匀系数Cu<10，曲率系数Cc介于1～3，为良好级配。

表1　渗透性级配碎石粒径范围

水泥：选取325#普通硅酸盐水泥作为掺加剂，初凝时间不小于45 min，终凝时间不大于10 h。

1.2　试验装置和方法

1.2.1粗粒土冻胀性能试验

为确保模型试验的相似性，采用图1所示大粒径土体冻胀性能测试装置(专利号：201420616480.X)进行级配碎石的反复冻胀、融沉性能试验研究。该测试装置由大直径试样筒、上冷浴盘、下冷浴盘、固定支架、保温棉、NESLAB低温恒温冷浴、温度传感器、位移传感器和水分传感器、DT85G数据采集仪及高低温环境试验舱组成。其中，大直径试样筒的材质为高强度有机玻璃圆筒，内径为450 mm，壁厚为25 mm，高度为900 mm，试样筒外侧均布高强度喉箍以防止筒体的侧向变形，模拟1维变形模式。

冻胀性能试验时，在冻胀筒内分7层进行击实制样，期间在土体内不同高度处布设温度和水分传感器；试样高度为700 mm，直径为450 mm；为防止试验过程中水分损失，在试样顶端放置1层塑料薄膜。待试样制备完毕并静置养护7 d后，试样筒外壁包裹保温棉，连接上、下冷浴盘至NESLAB低温恒温冷浴，试样顶端安装位移传感器，开启高低温环境试验舱，开始反复冻胀、融沉试验。

图1　大粒径土体冻胀性能测试装置

为了更好地模拟季节性冻土地区一年内的冻融交替变化，进行冷却72 h，融化48 h，再冷却72 h，…，共3次冻融循环过程。其中，在第1次冻胀开始前，首先将连接上、下冷浴盘的NESLAB低温恒温冷浴均调至1 ℃进行恒温，恒温时间为48 h；待试样内部整体温度均达到1 ℃时，调节连接上冷浴盘的NESLAB低温恒温冷浴至-20 ℃，连接下冷浴盘的NESLAB低温恒温冷浴始终保持1 ℃，开始第1次冻胀过程，以模拟现场土体的单向冻结模式。第1次冻胀结束后，开始融沉过程。整个试验过程中采用DT85G数据采集仪实时采集土体内部温度、含水量和试样顶端位移。试验结束后，立即拆样，并测量试样内不同高度土体的含水量。

1.2.2强度特性和渗透性能试验

为了研究水泥稳定碎石的强度性能，采用TAW—2000M型岩石多功能试验机进行水泥稳定碎石的无侧限抗压强度试验，最大轴向力为2 000 kN，精度为1/200 000。

无侧限抗压强度试样为直径150 mm、 高150 mm的圆柱体。在圆柱体试模内分2层进行击实制样，为防止试验过程中水分损失，在试样周边包裹1层塑料薄膜。待试样制备完毕并静置养护7 d后，在岩石多功能试验机上进行无侧限抗压强度试验。

采用自行研制开发的大直径试样常水头渗透仪进行水泥稳定碎石的渗透性能测试，大直径试样常水头渗透仪的内径为300 mm，高为550 mm，如图2所示。

图2　大直径试样常水头渗透仪

渗透性能试验时，在渗透仪内分5层进行击实制样，为防止试验过程中水分损失，在试样顶端放置1层塑料薄膜。待试样制备完毕并静置养护7 d后，进行渗透性能测试。

1.3　试验方案

为了研究水泥掺量、颗粒级配对级配碎石冻胀性能、强度特性和渗透性能的影响规律，确定的试验方案见表2。表2中试样编号NCFx表示该试样为不掺加水泥且粒径在0.075 mm以下的细粒土含量为x(0，3%和5%)；试样编号CyPz表示该试样的水泥掺量为y(1%，3%和5%)，且不含某粒径z(0.1，0.5和1.7 mm)以下的土颗粒。根据表1和表2中的颗粒级配和含水量配制试验用土体，浸润一昼夜，以保证土体的含水量均匀一致。制备试样时，按照方案(见表2)要求掺加水泥并充分搅拌均匀，按97%压实度分层击实制备冻胀试样、立方体试块和渗透试样。

表2　级配碎石工程性能试验方案

2　多次反复冻胀融沉性能分析

2.1　土体温度场

温度、水分、土质是土体冻胀发生发展的3个主要影响因素，研究和分析土体温度场、水分场特征对解释冻胀机理，揭示土体的反复冻胀、融沉过程具有重要意义。

图3为多次冻胀、融沉过程中试样C5P0.5的内部温度变化时程曲线，其中0 cm对应试样的冷端(即为试样顶端)，其冻融过程中的温度变化范围为-20～15 ℃；70 cm对应试样的暖端(即为试样底端)，其冻融过程中的温度保持1 ℃。从图3可以看出：在3次反复冻胀融沉过程中，土体内部温度呈现周期性变化过程，且在同一时刻土体内部温度随深度增加呈现梯度式递增或递减，这与现场的实测土体温度变化规律一致[24]； 3次冻融过程中，土体内部温度变化过程基本一致，且每次冻结或融化过程均可划分为快速降温(升温)阶段、过渡阶段和稳定阶段，其中快速降温(升温)阶段的持续时间较短。

图3　多次冻融过程中土体内部温度时程曲线

图4为每次冻融过程中不同时刻土体内部温度随深度的变化曲线。由图4可见，各次冻融过程中土体内部温度沿深度的变化过程基本一致；冻结过程中(0～72 h)，试样土体沿深度可分为冻土段和未冻土段；融化过程中(72～120 h)，在快速升温阶段，试样土体的顶端和底端均为正温，而中部土体处于冻结状态，即在融化初期土体内部存在冻土核。

图4　土体内部温度沿深度变化曲线

2.2　土体水分场

图5为多次冻融过程中土体水分变化曲线。

图5表明，土中未冻水的含量在冻胀时普遍减小，在融化时普遍增加。由于水分传感器只能测定未冻水含量，对观测水分迁移意义不大。

2.3　冻胀、融沉变形

在多次冻融过程中，土中的水反复结冰融化，导致土颗粒重新排列、土体积发生变化，是一个从不稳定态向着动态稳定态发展的过程。图6为不同细粒土含量、不同水泥掺量和不同颗粒级配条件下土体反复冻胀、融沉的位移变化曲线。从图6可以看出：多次冻融过程中土体发生了冻胀隆起、融沉下陷变形，且最大冻胀量均未出现在第1次冻胀过程中；不含细粒土的级配碎石试样在经历3次冻融后呈现融沉压缩现象(见图6(a))；相比于水泥掺量的影响，颗粒级配对级配碎石冻胀变形的影响更为显著，当去掉1.7 mm以下土颗粒时，级配碎石的冻胀变形基本上可以忽略(见图6(c))。

图5　多次冻融过程中土体水分变化曲线

2.4　冻胀率

通过分析上述土体温度场和反复冻胀、融沉位移变化过程，可以得到试样的最大冻结深度、最大冻胀变形。为了更好地评价水泥稳定碎石的冻胀性能，采用冻胀率分析细粒土含量、水泥掺量和颗粒级配对水泥稳定碎石冻胀性能的影响规律，各次冻胀过程中试样的冻胀率计算结果见表3。

图6　水泥稳定级配碎石的冻融位移变化曲线

试样编号冻胀率/%第1次冻胀第2次冻胀第3次冻胀NCF0028043036NCF3032078051NCF5025060070C1F3018036037C3F3007036040C3P01039053056C1P05035058059C3P05024042045C5P05024041043C3P17008009011C5P17012037039

表3表明：细颗粒含量由0增加到5%，冻胀率增加1倍；水泥的掺加使冻胀率有所减小；水泥掺量3%时对冻胀的抑制效果较好。

图7为各次冻胀过程中冻胀率随细粒土含量、水泥掺量以及颗粒粒径的变化曲线。从图7可以看出：当未掺加水泥且细粒土含量在3%附近时，其冻胀率较大(见图7(a))，原因是细粒土含量增大到一定程度后，使密实度增大，阻塞了水分迁移通道，使得冻胀量反而有所减小；对于去除0.5 mm以下颗粒的级配碎石，其冻胀率随水泥掺量的增加而减小并呈现稳定的趋势(见图7(b))；与细粒含量、水泥掺量相比，颗粒级配对水泥稳定级配碎石冻胀率的影响最为显著，冻胀率随所去除颗粒粒径的增大呈现先增大而后迅速减小的趋势(见图7(c))，这说明当级配碎石中既含有细粒土又掺加水泥时，具有较高的密实度，且渗透系数低，无法形成较大的冻胀量。

图7　冻胀率与细粒含量、水泥掺量、颗粒粒径的关系

2.5　冻胀率统计分析模型

冻胀率是反映路基冻胀变形的重要参数，目前国内外关于此方面的研究仅停留在定性上，没有定量的计算方法或理论直接指导工程设计和施工。针对此问题，本文结合试验结果，运用数理统计等手段，推导冻胀率的统计分析模型。

本次试验针对11组试样进行了冻胀试验，每组试件进行3个循环，各组试件冻胀率的结果如图8所示。

图8　冻胀循环次数与冻胀率的关系

由图8可知：随着冻融循环次数的增加，试样的冻胀率呈双曲线分布，在第2次冻融循环时出现拐点，第3次则基本稳定。因此，本文选取第3次试验数据进行分析。鉴于本文数据量较小，本文选取除第1组NCF0以外的10组数据进行统计分析，采用第1组NCF0数据进行验证。

基于图7所示的冻胀率随细粒含量、水泥掺量级颗粒粒径的变化规律可知，冻胀率与细粒含量、水泥掺量之间具有较好的指数函数关系，与颗粒粒径呈现多项式关系。因此，本文将对上述3个因素进行三元线性回归，从而得出冻胀率统计分析模型，具体如下。

lgζ=αex+ρey+μ1z+μ2z2+μ3z3+μ

(1)

式中：α，ρ，μ，μ1，μ2，μ3为回归系数；ζ为冻胀率。

通过开展回归分析，得出α=0.006 2，ρ=0.000 86，δ1=11.944，δ2=-21.103 8，δ3=-0.400 5，δ=-0.400 1，lgζ的标准差为0.063，回归方程的残差图如图9—图11所示。

图9　lgζ的残差分布图

图10　ex的残差分布图

图11　z的残差分布图

针对所提出的冻胀率统计分析模型，采用第1组数据进行验证，将相关参数带入式(1)中，得冻胀率为0.380，而实测值为0.36，两者误差约为5.6%，小于10%，具有较高的精度。值得注意的是冻胀率模型的研究涉及温度场和湿度场两大部分，非常复杂，本文基于室内试验数据提出了冻胀率的统计分析模型，能够为此方向的研究提供思路，但是该模型所采用的数据量较少，需要在后续的研究中不断的优化完善。

3　强度特性与渗透性能分析

冻胀是寒区高铁路基设计、施工、运营过程中需要考虑的一个重要因素，级配碎石掺加水泥可有效改良其冻胀性能。但随着水泥掺量的增加，水泥的胶结作用显现，其性能接近素混凝土的特征，原有适用于填料的K30等评价指标在适用性方面存在局限性。为此，引入无侧限抗压强度和渗透系数2个指标对水泥稳定级配碎石进行综合评价，并最终得到适用于寒区高速铁路路基基床的合理填料。

3.1　无侧限抗压强度

图12和图13分别为无侧限抗压强度随水泥掺量和颗粒粒径的变化曲线。由图12和图13可知：水泥掺量相同试样的无侧限抗压强度随着去除粒径的增加而减小，相同级配试样的无侧限抗压强度随水泥掺量的增多而增大。也就是说，某种颗粒粒径的缺失削弱了级配碎石的抗压强度和密实程度；然而，水泥的掺加有效地弥补了由于某中粒径缺失所导致的强度衰减现象。

图12　抗压强度随颗粒粒径的变化曲线

图13　抗压强度随水泥掺量的变化曲线

3.2　渗透系数

表4为渗透系数试验结果。由表4可知：试样的渗透性和土体级配密切相关，去除土颗粒的粒径越大，试样的渗透性越好；水泥掺量越少，渗透性越好。可见，水泥掺量的增加虽然提高了级配碎石的抗压强度，但也降低了级配碎石的渗透系数。

表4　渗透系数试验结果

4　讨　论

图14—图16给出了寒区高速铁路路基冻胀率、抗压强度以及渗透系数的相互关系。由图14—图16可以看出：除了含细粒土并掺加水泥的试样(C3F3)以外，冻胀率与抗压强度呈现正相关的关系(见图14)，而冻胀率与渗透系数则呈现负相关的关系(见图15)。综合考虑冻胀率、抗压强度和渗透系数，对于无渗水性要求的路基，基床填料宜选用细粒土含量3%、水泥掺量3%的级配碎石；而对于有渗水性要求的路基，基床填料宜选用渗透性好、抗压强度和冻胀率较低的填料，即去除0.5 mm以下颗粒、水泥掺量为3%～5%的级配碎石作为基床填料。

图14　冻胀率与抗压强度的关系

图15　冻胀率与渗透系数的关系

图16　抗压强度与渗透系数的关系

5　结　论

(1)采用冻胀率、无侧限抗压强度、渗透系数作为评价指标，综合考虑寒区高速铁路路基的冻胀问题、承载能力问题和排水问题，是一种行之有效的方法。

(2)单向冻结条件下，土体的冻结或融化过程可划分为快速降温(升温)、过渡和稳定3个阶段，且在融化初期，土体中间部分存在冻土核。

(3)在保证基床强度满足规范要求的前提下，0.5 mm以下粒径土颗粒的缺失可以有效地削弱级配碎石的冻胀敏感性，提高级配碎石的渗透性能，但同时也明显降低了级配碎石的强度，而水泥的适量(小于5%)掺加可有效地提高级配碎石的强度。

(4)综合考虑冻胀率、抗压强度和渗透系数，对于无渗水性要求的路基，基床填料宜选用细粒土含量为3%、水泥掺量为3%的级配碎石；而对于有渗水性要求的路基，基床填料宜选用去除0.5 mm以下细颗粒、水泥掺量为3%～5%的级配碎石。

(5)综合考虑细粒含量、水泥含量及颗粒粒径3个因素对冻胀率的影响规律，提出冻胀率的计算分析模型。尽管该模型所采用的数据量较少，需要在后续的研究中不断的优化完善，但能够为后续的研究提供新思路。

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