高速铁路路基粗颗粒填料冻胀特性改良试验研究

金　兰，熊治文，程　佳，蔡汉成，史向阳

( 1．中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州　730000; 2．青海省冻土与环境工程重点实验室，青海格尔木　816000; 3．兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州　730070)



高速铁路路基粗颗粒填料冻胀特性改良试验研究

金兰1，2，熊治文1，2，程佳1，2，蔡汉成1，2，史向阳3

( 1．中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州730000; 2．青海省冻土与环境工程重点实验室，青海格尔木816000; 3．兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070)

摘要:针对寒区高速铁路出现的路基冻胀变形影响行车的问题，以含有一定量粉土的级配碎石和A组填料为改良对象，向其中掺入水泥，通过击实、界限含水率、渗透和冻胀试验，研究不同粉土和水泥掺量的粗颗粒填料的冻胀规律。结果表明，水泥的掺入可将粗颗粒填料的冻胀率控制在一定范围内。在增加粉土掺量的情况下，分别以冻胀率0. 1%和0. 2%为标准，确定了级配碎石和A组填料的水泥最佳掺量，可将路基冻胀变形控制在3. 55 mm以内，小于规范要求的路基变形限值。

关键词:高速铁路路基冻胀粗颗粒填料冻胀特性改良

哈大高速铁路在冻结影响范围内选用冻胀率≤1%的非冻胀粗颗粒填料，季节冻土区最大冻结深度超过2 m，产生的冻胀量会在20 mm以上，不符合《高速铁路设计规范》( TB 10020—2009)［1］中路基变形量不得大于15 mm的要求。研究［2-3］表明:哈大高速铁路局部地段的路基冻胀较为严重，冬季以降速运行应对冻胀变形。目前在基床表层应用的级配碎石中的细颗粒土含量控制在5%以内，而从路基的各种结构缝渗入的水分使填料的含水率增大，继续降低细颗粒土的含量并不能减小冻胀变形，而且影响填料的压实度。因此考虑向粗颗粒填料中加入无机材料，在增加细颗粒土掺量的同时，减弱填料的冻胀性。

经过无机材料改良的填料已经应用在一般地区的高速铁路路基中，针对改良填料物理力学特性的试验研究较多，而对改良填料冻胀特性的研究较少。谭丽华［4］通过加入水泥使土体的透水性降低，同时有效控制了水分的迁移，降低了析冰作用，从而控制了冻胀的发生。刘华等［5］对高速铁路填料按冻胀敏感性进行分类，认为哈大高铁路基防冻层宜采用细颗粒土含量＜5%的A，B组填料，并向A，B组填料中加入4%水泥，通过数值计算得出改良后填料具有良好的保温效果和升温速率。张传［6］基于季节冻土区的路基冻胀问题，使用石灰和盐对填料进行改良，研究改良土的抗剪强度、抗压强度、冻融循环下的强度损失。韩春鹏等［7］以低液限黏土为原料，通过试验研究发现石灰可以抑制黏土的冻胀。这些研究主要针对细颗粒土的冻胀特性进行改良。

寒区高速铁路主要为路基基床冻胀，级配碎石和A组填料分别填筑在基床表层和底层，因此本试验以级配碎石和A组填料为改良目标，向其中掺入水泥，通过击实、界限含水率、渗透和冻胀试验，研究不同掺量粉土和水泥的粗颗粒填料冻胀规律。

1　改良试验

1. 1试验原料

级配碎石由开山块石、砂砾石等组成，本试验所用级配碎石的粒径级配符合《高速铁路设计规范》的要求，见表1。

表1级配碎石的粒径级配

本试验所用A组填料的不均匀系数Cu为9. 92，曲率系数Cc为1. 01，为砾砂土，级配良好( Cu≥5，1＜Cc＜3)。本试验所用细颗粒土经界限含水率试验测定，液限为24. 9%，塑限为15. 1%，塑性指数为9. 8，定名为低液限粉土。

1. 2试验方案

由于级配碎石和A组填料的颗粒粒径不同，在相同温度、水分条件下，其冻胀特性也有区别，因此采用不同的试验方案。

1. 2. 1级配碎石

向级配碎石中分别掺入15%，20%粉土，在此基础上，向每组试样中掺入3%，5%，7%水泥，进行渗透和冻胀试验。为利于叙述，将级配碎石和A组填料的试样进行编号，见表2。

表2试样参数

1. 2. 2 A组填料

向粉土掺量为12%的A组填料中分别掺入5%，7%，9%，10%水泥，通过冻胀试验，确定水泥的最佳掺量，然后再增加粉土掺量，研究掺入水泥后不同粉土掺量A组填料的冻胀性。

1. 3主要试验

本文中试验按照《铁路工程土工试验规程》( TB 10102—2010)［8］进行。

1. 3. 1击实试验

击实试验可以测定试样的最大干密度和最优含水率。根据本试验所用材料的粒径范围和规范要求，采用重型击实。

1. 3. 2渗透试验

由于土体颗粒之间存在孔隙，水在重力作用下由高处向低处透过土体的孔隙流动，土体可被水透过的性质称为土的渗透性。衡量土体渗透性能的指标称为渗透系数。根据所测土样的渗透性，渗透试验分为常水头法和变水头法。由于未掺入水泥的粗颗粒填料的渗透系数较大，所以采用常水头渗透试验。水泥改良后的填料渗透系数减小，常水头试验无法测出，改用变水头试验测定。

1. 3. 3冻胀试验

土体的冻胀是当土体冻结时，土体孔隙中原有的部分水分结冰体积膨胀以及部分未冻水向冻结锋面迁移、聚集并冻结，使土体的体积产生不同程度增大的现象。衡量土体冻胀变形的特征值是冻胀量，当土体单向冻结侧向不发生变形时，以土体冻后高度与冻前高度之差作为冻胀量。在实际应用中，由于不同地区的土质、气候条件不同，土体的冻结深度不同，冻胀量相差很大。用冻胀量很难比较不同地区土体冻胀性的大小，因此常采用土体冻胀量与冻结深度的比值作为土体冻胀变形的特征值，即冻胀率η。

式中:Δh为土体冻胀量，mm; Hf为土体冻结深度，mm。本试验采用的冻胀装置见图1。

图1安装就绪的冻胀试样

2粗颗粒填料的试验结果与分析

根据击实试验结果，填料在改良前后的最优含水率变化不大，在6%～7%之间。因此统一规定各组冻胀试样含水率为7%，在压实度0. 95、开放补水的条件下进行冻胀试验。渗透试验的试样含水率为7%、压实度为0. 85。

2. 1渗透试验

渗透试验结果见表3。从表中可以看出:未掺入水泥的级配碎石的渗透系数较大，相当于细砂(渗透系数1×10－3～6×10－3cm/s)［9］级别;掺入水泥后改良填料的渗透系数减小了2～3个数量级，相当于粉质黏土(渗透系数6×10－6～1×10－4cm/s)［9］。此外，随着水泥掺量的增加，渗透系数呈现下降的趋势，说明水泥对减小粗颗粒填料渗透性作用显著。

表3级配碎石渗透试验结果

级配碎石填筑在基床表层，路基表面的水分从路基结构缝、纤维混凝土裂缝、电缆槽接缝处渗入级配碎石内，而下方铺设的两布一膜隔水层使水分不能继续下渗，使级配碎石内有积水的可能。随着气温的降低，填料开始冻结，积聚的水分会使局部地段路基产生过大的冻胀变形。经过改良后的级配碎石的渗透性降低，使从路基表面渗入的水分减少，这样就从水分来源角度减弱了基床表层的冻胀。

2. 2冻胀试验

2. 2. 1级配碎石

级配碎石在开放补水条件下的冻胀试验结果见表4。

表4级配碎石的冻胀率

由表4可见:水泥对减小级配碎石冻胀率的作用明显，并且随着水泥掺量的增加，冻胀率进一步减小，当冻胀率降到0. 1%以下时，不必要继续增加水泥的掺量。因为当水泥掺量过大时，改良后的土体收缩性增大，容易产生较多的收缩裂缝，而且增加经济成本。

以改良后填料冻胀率小于0. 1%为控制标准，15%粉土的级配碎石水泥最佳掺量为3%，20%粉土的级配碎石水泥最佳掺量为5%。这样基床表层的冻胀量可控制在1 mm以内，很大程度上减少高速铁路路基来自基床表层的冻胀。

2. 2. 2 A组填料

A组填料在开放补水条件下的冻胀试验结果见表5。

表5 A组填料的冻胀率

由表5可见:粉土掺量为12%时A组填料冻胀率是1. 61%，而掺有15%粉土的级配碎石在相同条件下冻胀率为0. 49%，说明土的冻胀特性与土的颗粒组成有密切关系，即土的冻胀具有随颗粒粒径减小而增大的特点。粉土掺量一定时A组填料冻胀率随水泥掺量的增加而减小。在水泥掺量从5%增大到7%的过程中，冻胀率减小幅度最大;当超过7%后，减小趋势逐渐趋于平缓。所以当冻胀率可以控制在一定范围内时，再增加水泥的掺量是不合适的。对于粉土掺量为12%的A组填料，水泥最佳掺量为9%，再考虑试验过程中的误差，可将冻胀率控制在0. 2%以内。

为研究一定水泥掺量时不同粉土掺量A组填料的冻胀性，在水泥掺量为9%时，将粉土掺量增加至15%和17%，测定其冻胀率变化情况。结果参见表5。可见，掺入15%粉土时A组填料冻胀率为0. 25%，掺入17%粉土时A组填料冻胀率为0. 49%，即随粉土掺量增加冻胀率在增大。粉土掺量在17%以内时，9%水泥可将A组填料冻胀率控制在0. 5%以内，这时总冻胀量不超过8. 05 mm。如果将A组填料的冻胀率减小至0. 2%，则需进一步增加水泥的掺量。

丁靖康等人的研究［10］表明:当颗粒粒径＞0. 1 mm时，水分向背离冻结锋面的方向迁移，引起冻胀的水分主要是土中孔隙水，冻胀率一般＜0. 2% ;当粒径为0. 1～0. 02 mm时，水分向冻结锋面迁移，形成薄层冰，冻胀率一般为0. 5%～2. 0% ;当颗粒粒径为0. 02～0. 002 mm时，水分向冻结锋面迁移作用强烈，可形成厚层冰或冰透镜体，冻胀率一般＞3%，如果有水分补给，冻胀率可超过10% ;粒径＜0. 002 mm后，因为黏土颗粒的表面能大，能强烈吸附土中水分，成为黏土颗粒表面的强结合水和弱结合水，这时水分迁移困难，冻胀性减弱。对比级配碎石和A组填料的颗粒筛分试验结果可以得到: A组填料中粒径＜0. 1 mm的土颗粒含量为26. 7%，而级配碎石为15%，级配碎石的颗粒粒径较大，因此A组填料在冻结时水分向冻结锋面的迁移作用比较强，产生的冻胀量较大。

3　结论

1)经过水泥改良的级配碎石的渗透性大幅度降低，并且随着水泥掺量的增加，渗透系数呈减小趋势。由于级配碎石层在冬季冻结后进入的水分无法排出，会产生一定量的冻胀变形，而改良后级配碎石渗透性较低，这样从路基表面渗入的水分减少，控制了产生冻胀变形的水分来源。

2)在开放补水的冻结条件下，水泥有效地减弱了级配碎石和A组填料的冻胀性，并且随着水泥掺量的增加，这种冻胀率减小趋势逐渐趋于平缓，分别以冻胀率0. 1%和0. 2%为控制标准，确定了级配碎石和A组填料的最佳水泥掺量。

3)在粉土掺量相当的条件下，级配碎石的冻胀率小于A组填料，而且若将冻胀率控制在同一范围内，A组填料需掺入更多的水泥，说明A组填料的冻胀性较强，即土的冻胀具有随颗粒粒径减小而增大的特点。

参考文献

［1］中华人民共和国铁道部．TB 10020—2009高速铁路设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2009．

［2］中铁第一勘察设计院集团有限公司．哈大高铁线路冻胀情况分析及防治措施研究报告［R］．西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2013．

［3］哈大客运专线有限责任公司．哈大高速铁路路基冻胀情况研究报告［R］．哈尔滨:哈大客运专线有限责任公司，2012．

［4］谭丽华．水泥改良土冻胀融沉特性研究［D］．上海:同济大学，2008．

［5］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，2011，30 ( 12) : 2549-2557．

［6］张传．季冻区路基填料冻胀与防治的试验研究［D］．阜新:辽宁工程技术大学，2012．

［7］韩春鹏，何东坡，贾艳敏，等．石灰改良路基土的冻胀特性［J］．长安大学学报(自然科学版)，2013，33( 3) : 27-31．

［8］中华人民共和国铁道部．TB 10102—2010铁路工程土工试验规程［S］．北京:中国铁道出版社，2011．

［9］陈希哲．土力学地基基础［M］. 4版．北京:清华大学出版社，2004．

［10］丁靖康，韩龙武，徐兵魁，等．多年冻土与铁路工程［M］．北京:中国铁道出版社，2011．

(责任审编葛全红)

Experimental study on frost heave performance improvement of coarse grain filling in high speed railway subgrade

JIN Lan1，2，XIONG Zhiwen1，2，CHENG Jia1，2，CAI Hancheng1，2，SHI Xiangyang3

( 1．Northwest Research Institute Co．，Ltd．，China Railway Engineering Corporation，Lanzhou Gansu 730000，China; 2．Qinghai Province Key Laboratory of Permafrost and Environmental Engineering，Golmud Qinghai 816000，China; 3．School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China)

Abstract:Given that the high speed railway subgrade in extremely cold areas is plagued by frost heave-induced deformation，the paper takes graded crash stones with silty soil and group-A fillings as the experiment subjects and adds cement within．By performing compaction，test of moisture content limit，permeability and frost heave test，the paper identifies the frost heave patterns for different coarse grain with different soil and cement mix．T he results show that cement helps maintain the frost heave ratio within certain range．As silty soil is added，the paper works out the most preferable cement mix for both specimens with frost heave ratio of 0. 1% and 0. 2% as standard value．By doing so，the deformation occurred falls below 3. 55 mm，lower than the deformation limit value．

Key words:High Speed railway; Frost heave of subgrade; Coarse grain filling; Frost heave performance; Improvement

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0102-04

作者简介:金兰( 1989—)，女，硕士。

基金项目:中铁西北科学研究院创新项目( K2014009)

收稿日期:2015-05-10;修回日期: 2015-09-28

中图分类号:U416．03

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．25