微冻胀填料中填充料冻胀与骨架颗粒的相互作用机制

杜晓燕

(中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京　100081)

冻胀率小于1%的填料具有良好的压实性能、抗变形能力、抗剪强度与透水性，同时具有较高的填筑密度，是严寒地区高速铁路路基防冻胀的主要填料[1]。本文将此填料称为微冻胀填料[2]。为便于研究，将其分为骨架颗粒和填充料，骨架颗粒为粒径大于1.7 mm的颗粒，填充料为粒径小于等于1.7 mm的颗粒。对于普通构筑物，如工民建、公路等，微冻胀填料的冻胀作用可忽略不计。但对高速铁路而言，轨道结构的高平顺性要求不允许微冻胀填料产生冻胀引起路基不均匀沉降。目前关于土的冻胀机理及模型的研究主要针对填充料，即细颗粒含量较高的冻胀敏感性土，相关的界限划分及冻胀规律的研究也主要针对此类填充料[3]。目前在高速铁路中大量采用低细颗粒含量粗粒土(即微冻胀填料)，由于其冻胀率小于1%，以往的研究将其看作不冻胀土，加之其含细颗粒较少，填料内部无法形成连续的薄膜水及水分迁移通道，故普通填料的冻胀机理不适用此类填料。鉴于目前对这类微冻胀填料的冻胀特性及规律研究较少，且冻胀对高速铁路危害大，因此有必要对其冻胀机制进行研究。

本文结合室内试验和理论分析，研究填充料、含水率及外荷载等因素对冻土区高速铁路路基微冻胀填料冻胀的影响及冻胀过程中填充料的冻胀与骨架颗粒的相互作用机制。

1　冻胀试验

1.1　试验装置

冻胀试验装置由试样盒、恒温箱、温度控制系统、温度监测系统、变形监测系统、加压系统及补水系统构成，如图1所示。试样盒直径15 cm、高15 cm。

1.2　试验方法

称取风干土样，加水拌和至所需含水率，将土样按一定密实度分层(5层，每层高3 cm)装入试样盒内，然后放入恒温箱中，将热敏电阻温度计分别置于试样盒顶板、底板和周侧，试样盒周侧包裹5 cm厚的泡沫塑料以保温，分别由2台高精度低温循环冷系统对顶板和底板的温度进行控制，试样的变形由顶板上安置的百分表监测，试样的温度由数据采集仪自动采集；试验在封闭条件下进行，采用单向冻结方式[4]，对每个试样由上而下进行冻结，整个冻结过程历时72 h。试验开始时将土样温度设定为1 ℃左右并持续6 h，然后保持底板温度恒定不变，在0.5 h内将顶板温度降至-15 ℃，土样迅速从顶面冻结，然后将顶板温度升至-2 ℃，每小时以一定的梯度降低顶板温度；试验结束后在低温恒温箱内对土样进行分层并测定其含水量。

图1　冻胀试验装置

1.3　试验内容

试验填料取自东北某高速铁路的路基填土，其级配见表1。填料中填充料的塑限ωp为19.2%，最佳含水量ω0为13.2%。

表1　试验填料级配

为研究含水率、填充料及外荷载等因素对微冻胀填料冻胀的影响，本文从以下几个方面展开冻胀试验研究。

1)填充料塑限和最佳含水率对微冻胀填料冻胀的影响

称取风干的填料，通过加入不同质量的水并充分拌和得到30组不同初始含水率ω的试样，30组试样的初始含水率见表2。前15组试样用于研究填充料塑限对微冻胀填料冻胀的影响，后15组试样用于研究填充料最佳含水量对微冻胀填料冻胀的影响。根据密实度为0.95计算试样质量并击实入试样盒进行冻胀试验。

表2　试样初始含水率

2)体积含水率对微冻胀填料冻胀的影响

称取风干的填料，通过加入不同质量的水并充分拌和得到15组不同体积含水率ωV的试样，15组试样的体积含水率见表3。根据密实度为0.95计算试样质量并击实入试样盒进行冻胀试验。

表3　试样体积含水率

3)填充料含量、填充率对微冻胀填料冻胀的影响

要得到所需填充料含量的试样，只需称取一定量的风干填料，并加入相应比例的填充料充分拌和即可。使用下列公式计算填料中填充料的体积填充率S。

(1)

其中，

式中：V1为填料中骨架颗粒的体积分数；V2为填料中填充料的体积分数；m1为单位填料体积下骨架颗粒质量；γ1为对应填料压实度下骨架颗粒干密度；m2为单位填料体积下填充料质量；γ2为对应填料压实度下填充料干密度。

试验共配制15组试样，试样的填充料含量及填充料填充率见表4。所有试样均在含水率15%、密实度0.95的条件下进行冻胀试验。

表4　试样的填充料含量及填充料填充率

4)填充料冻胀对微冻胀填料冻胀的影响

针对表4中15组不同填充料含量的试样，在含水率为15%及密实度为0.95的试验条件下分别进行填料冻胀试验和单独的填充料冻胀试验[5]。

5)上覆荷载对微冻胀填料冻胀的影响

配制填充料含量为10%的试样，在初始含水率为15%，上覆荷载分别为5，10，20，30，40，55，65和80 kPa的试验条件下进行冻胀试验，冻胀试验加载装置如图2所示。

图2　冻胀试验加载装置图

2　试验结果分析

微冻胀填料的冻胀率η的计算式为

(2)

式中：Δh为试样总冻胀量，mm；Hf为冻结深度(不包括冻胀量)，mm。

2.1　含水率对微冻胀填料冻胀的影响

2.1.1填充料的塑限、最佳含水率与微冻胀填料冻胀的关系

图3给出了ω-ωp与填料冻胀率η的关系，图4给出了ω-ωo与填料冻胀率η的关系。由图3和图4可知：当填料含水率ω≤ωp+2%或ω≤ωo+4.6%时，冻胀率η<1%；但当含水率继续增加时，填料冻胀率显著增加。

图3　填充料塑限与填料冻胀关系

图4　填充料最佳含水率与填料冻胀关系

2.1.2微冻胀填料体积含水率与冻胀率的关系

图5给出了不同填料体积含水率填料的冻胀率。由图5可知：当ωv≤13%时，随着体积含水率的增加，填料冻胀率的变化不敏感；当ωv>13%时，随着体积含水率的增加，填料冻胀显著增加。

图5　不同填料体积含水率填料的冻胀率

2.2　填充料对微冻胀填料冻胀的影响

2.2.1填充料含量、填充率与微冻胀填料冻胀的关系

图6给出了不同填充料含量微冻胀填料的冻胀率。由图6可知：填料的冻胀性随着填充料含量的增加逐渐增加，当填充料含量小于3%时，冻胀率约为0.2%；当填充料含量小于15%时，冻胀率小于1.0%；当填充料含量大于15%时，随着填充料含量的增加，填料冻胀敏感性显著增加。

图7给出了不同填充料填充率微冻胀填料的冻胀率。由图7可知：当填充料填充率小于0.18时填料冻胀率小于0.2%，当填充料填充率小于0.25时填料冻胀率小于0.5%，说明随着填充料含量的增加，填料冻胀不敏感；但当填充率大于0.25后，填料冻胀率随着填充率的增加显著增加，填料冻胀敏感；填充率低于0.37时冻胀率小于1.0%。

图6　不同填充料含量微冻胀填料冻胀率

图7　不同填充料填充率的微冻胀填料冻胀率

2.2.2填充料冻胀量与微冻胀填料冻胀量的关系

根据试验结果绘制出各组试样填充料冻胀量与填料冻胀量的关系图，如图8所示。从图8可知：填充料冻胀量低于25 cm3时，微冻胀填料未冻胀，此时填充料冻胀填充了孔隙，并未引起填料宏观冻胀；当填充料冻胀量大于25 cm3后，微冻胀填料出现宏观冻胀，并随着填充料的冻胀量增加而显著增加。

图8　填充料冻胀量与微冻胀填料冻胀量的关系

2.3　上覆荷载与微冻胀填料冻胀的关系

上覆荷载对微冻胀填料冻胀性的影响体现在2个方面：外部约束的增加使冻结点降低；填料内的水分在上覆荷载作用下重新分布[6]。图9给出了不同上覆荷载下微冻胀填料的冻胀率。由图9可知，微冻胀填料冻胀率与上覆荷载间呈指数关系，微冻胀填料冻胀率随着上覆荷载的增加而逐渐减小。

图9　不同上覆荷载下微冻胀填料的冻胀率

3　微冻胀填料冻胀作用机制

3.1　冻胀填充料与骨架颗粒的相互作用

微冻胀填料由粗颗粒和少量的细颗粒填充料组成[7]，在结构层面上可分为骨架颗粒和填充料，填充料分布在骨架颗粒间、填充在骨架孔隙中。当外部约束较弱时，填充料颗粒发生冻胀，骨架颗粒被抬升，骨架颗粒产生相邻微位移，从而增大骨架孔隙，利于填充料填充骨架孔隙；而当外部约束较强时，挤胀效应会发生于骨架颗粒与填充料之间，使微冻胀填料的冻胀作用得到抑制。填充料在冻结时产生的体积膨胀存在两方面作用：一是填充作用，剩余的孔隙被填充，加剧冻胀的内部消纳作用；二是抬升作用，骨架颗粒被抬升，出现宏观上的冻胀。抬升作用与填充作用的动态平衡过程就是微冻胀填料的冻胀过程。图10给出了填充料与骨架颗粒的相互作用关系。

图10　填充料与骨架颗粒的相互作用

3.2　微冻胀填料填充密实度分析

不同粒径颗粒的比例直接决定微冻胀填料的结构类型。填料的结构类型一般可分为3种：悬浮密实型、骨架密实型以及骨架孔隙型，如图11所示。当填充料颗粒比例较低时，孔隙不能完全被填充，此时的结构类型为骨架孔隙结构；随着填充料颗粒比例的增加，当骨架间的孔隙刚好被填充料填充密实时，此时的结构类型变为骨架密实结构；粗颗粒所占比例随着填充料颗粒比例的继续增加而减小，当原形成的骨架被填充料颗粒挤开时，即变为悬浮密实结构。

图11　填料的结构类型

微冻胀填料的填充密实度与其结构类型直接相关。填充料在骨架孔隙中填充的密实程度由体积填充率确定[2]，本文仅分析填充料填充骨架孔隙的情况。

在某压实度下，填料中粒径大于x的颗粒的干分布密度ρfmaxx的计算式为

ρfmaxx=ρdmaxxρx

(3)

式中：ρdmaxx为试样中粒径大于x的颗粒在相同压实标准下的最大干密度；ρx为试样中粒径大于x颗粒的百分含量，%。

定义Dc为填料中填充料颗粒与骨料颗粒的分界粒径。在相同压实标准下，当填料粒径x≤Dc时，填料中粒径小于等于x的颗粒(即剩余颗粒)与粒径大于x的颗粒的干分布密度相同，即ρfmaxx=ρdmaxx；当填料粒径x>Dc时，粒径大于x的颗粒在填料中处于彼此分离的悬浮分布状态，此时ρfmaxx<ρdmaxx。因此，Dc是粒径x由小到大变化至首次出现ρfmaxx<ρdmaxx时所对应的颗粒粒径。粒径小于Dc颗粒的百分含量βi为

(4)

式中：ρi，dmax为填料在第i次剔除最小粒组后的最大干密度；ρi，fmax为填料在第i次剔除最小粒组后的最大干分布密度。

理想状态下，当压实度相同且ρfmaxx=ρdmaxx时，填料中剩余颗粒在骨架中的状态等同于紧密压实状态。考虑试验误差的影响，为与填料最大干密度平行试验的允许误差保持一致，可取误差范围为3%，即当βi≤3%时填料结构为骨架密实结构。图12为骨架密实结构填料的ρfmaxx和ρdmaxx曲线。由图12可见：Dc为2条曲线的分叉点。当βi>3%时填料中剔除第i组粒组后的颗粒在骨架中处于悬浮状态，即填料结构为悬浮密实结构。图13为悬浮密实结构填料的ρfmaxx和ρdmaxx曲线，此结构状态下，填料中的颗粒均为骨架颗粒。

图12　骨架密实结构填料的ρfmaxx和ρdmaxx曲线

图13　悬浮密实结构填料的ρfmaxx和ρdmaxx曲线

分析得出Dc后，即可得到填料中填充料在孔隙中的填充干密度ρt

ρt=ρdmax(1-pDc)/ng

(5)

其中，ng=1-ρdmaxpDc/ρag

式中：ρdmax为填料中填充料的最大干密度，g·cm-3；pDc为填料中骨架颗粒的百分比，%；ng为填充料干密度状态时的孔隙率；ρag为骨架颗粒毛体积密度，g·cm-3。

(6)

3.3　微冻胀填料结构类型划分

微冻胀填料的填充与抬升作用与其内部结构特征有关。3种结构类型的微冻胀填料在冻胀性上差别明显。级配碎石作为高速铁路基床表层的主要填料，必须保证基床结构在列车动荷载作用下的长期稳定，且基床不应发生明显的持续累积塑性变形[8]，因此基床填料级配范围在TB 10621—2014《高速铁路设计规范》中作了明确限定。但当颗粒级配处于规定的范围内的不同数值时，经过压实后的级配碎石会表现为不同的结构类型。分析结果表明，压实后的最优结构类型为骨架密实结构，应避开骨架孔隙结构和悬浮密实结构，因为气候环境和列车动荷载长期作用会使这2种结构产生累积的塑性变形，进而影响线路的平顺性，同时，当富水地区的孔隙水来不及排出时，土体的结构强度还会因为土体结构不良而有所降低。而在确定寒区高速铁路路基基床的填料级配时，为有利排水防冻，可优选细颗粒较少的骨架孔隙结构。

当高速铁路基床表层的微冻胀填料级配由规范规定的上限值向下限值变化时，填料中填充料的含量逐渐减小。当微冻胀填料级配在上限与中值之间时，级配结构为悬浮密实结构；当微冻胀填料的级配在中值向下限变化时，此时填料中存在3种结构类型：中值附近区域为悬浮密实结构，中值与下限之间区域为骨架密实结构，下限附近区域为骨架孔隙结构。近似分区如图14所示。

4　结　论

(1)随着填充料含量的减少，微冻胀填料的冻胀率逐渐减少，但即使填料中细粒含量较低，其冻胀变形在低温条件下仍能发生。上覆荷载会在一定程度上抑制微冻胀填料的冻胀。

图14　高速铁路基床表层填料的结构类型划分

(2)当填充料的冻胀增加时，微冻胀填料的冻胀也随之增大。但当填充料填充率小于0.25时，填充料含量的增加对微冻胀填料冻胀效应的影响不明显，此时填充料的冻胀在填充骨架孔隙，并未引起微冻胀填料的宏观冻胀；而当填充料填充率大于0.25以后，微冻胀填料的冻胀率随填充率的增大而显著增加。

(3)外部约束强时，填充料的冻胀主要体现为填充作用，而外部约束弱时，填充料的冻胀引起的膨胀抬升骨架，微冻胀填料发生宏观冻胀。抬升后骨架结构内部的消纳作用增强，有利于填充作用的发展。微冻胀填料的冻胀过程是抬升作用与填充作用的动态平衡过程。

(4)微冻胀填料的内部结构特征会影响填充与抬升作用。不同粒径颗粒的比例直接与微冻胀填料的结构类型相关，填充的结构类型有骨架孔隙结构、骨架密实结构和悬浮密实结构3种形式。

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