封闭条件下粉土填料冻胀特性试验研究

李 军

(中国神华神朔铁路分公司，陕西 榆林 719316)

季节性冻土地区铁路路基因低温、细颗粒填料和地下水等原因，常在冬季发生路基冻胀[1-3]。神朔铁路是我国第二条西煤东运的大通道神黄线的一部分，单线设计运输能力为 3 500万t。该线每年冬季因线路局部的严重冻害而影响其正常运行，极大地制约了煤炭外运能力[4]。本文研究该线路填料的冻胀特性和冻害的发生机理，从而为整治路基冻害提供借鉴。

王春雷[5]等建立季节性冻土地区路基冻胀变形监测系统，用以监测高速铁路路基在严寒地区的冻胀与融沉变形特征。石刚强[6]等通过对严寒季节性冻土地区高速铁路路基的变形监测，探讨了不同形式的路基结构路基冻胀特性在多个冻融周期内的变化规律,认为采用路基基床表层整体结构可明显降低冻胀变形。冷景岩[7]等控制季节性冻土区高速铁路路基填料的级配，通过室内的一维冻胀试验研究填料的冻胀特性，认为控制填料细颗粒含量有利于排水和降低冻胀变形。王青志[8]等进行了季节性冻土地区高速铁路路基基床表层填料级配碎石的多因素多水平正交冻胀试验，研究在不同含水率、细颗粒含量、冷端温度等条件下级配碎石的冻胀特性。魏厚振[9]等通过把室内冻胀试验的边界温度和土样高度作为变量，对饱和粉土进行了冻结试验，研究其水分迁移、水分重分布、冻胀和冰透镜体的发展规律，发现土样越高，冻胀率越小，冻土段含水率增量越小。邰博文[10]等对哈齐高铁泰康试验段的地温和变形进行了监测，并提出了冻胀过程中的阴阳坡效应。目前，对路基冻胀特性的研究中，逐渐通过现场安装监测设备实现对路基冻胀变形的监测，但无法监测冻胀过程中水分迁移的情况，且造价昂贵。近些年来对寒区铁路路基填料冻胀特性的研究主要集中在高速铁路，对既有重载铁路路基填料的冻胀特性研究较少，且研究中缺乏列车荷载对填料冻胀特性影响的探讨。

本文采用封闭系统冻胀室内试验，以神朔铁路路基填料中低液限粉土填料作为试验土样，分析其在冷端温度、含水率、压实系数3个条件下的冻胀特性，得出该类型填料冻胀率与水分重分布规律。

1 试验方案

1.1 土性参数

试验所用的土样为神朔铁路上行K223+200处路基路肩下0.5 m的填料经实验室过1 mm筛得到。该处已被确定为严重冻害地段。根据《铁路工程土工试验规程》(TB 10102—2010)[11]进行该试验土样的颗分试验和液塑限测定，并根据《铁路工程岩土分类标准》(TB 10077—2001)[12]确定该试验土样为低液限粉土。试验土样的物理指标见表1，试验土样级配曲线见图1。

图1 试验土样的级配曲线

1.2 土样准备与试验计划

根据TB 10102—2010冻胀量试验规程中有关土样和试样制备的要求，制取不同初始含水率、直径150 mm、高150 mm的圆柱体试样，压实系数为0.89和0.93。将试样盒和加载系统放在低温室中，温度传感器通过试样盒边上的测温孔插入土体中。试样盒周围用泡沫塑料保温，以确保其单向冻结。

试验开始前先使试样在1 ℃条件下恒温稳定，然后开启加载系统，同时顶板的温度保持固定的负温(冷端冷却温度)，底板温度保持1 ℃不变(暖端温度)，使土自上而下冻结。试验过程中通过温度位移监测系统监控试样的温度变化和冻胀量；冻结72 h后在低温室把试样按每层3 cm切成薄片测定含水率。

通过气象资料确定当地年平均气温为5 ℃左右，其中1月最冷，平均气温约-13 ℃，冷季平均气温-5 ℃。本文采用单一变量分析法共进行12组封闭试验，每组试验冻结时间为72 h。试验变量参数取值见表2。

表2 单一变量分析法中试验变量参数

2 不同条件下试验土样的冻胀特征

根据试验过程中土样的冻胀变形特征，以24 h为时间段将土样的冻胀变形分为3个阶段进行分析。第1阶段为冻胀快速发展阶段，冷端部位的土体迅速冻结，且最上部土体水分发生原位冻结，当含水率较大时，冰的体积大于土体孔隙体积，导致冻胀快速发生。第2阶段为相对稳定阶段，该阶段土体内部温度场逐渐趋于稳定，该阶段由已冻段未冻水和下部水分迁移转换为冰而增加冻胀量。第3阶段为稳定阶段，该阶段土样内部温度已经稳定，微小的冻胀量由未冻段水分迁移结冰为主，而未冻段含水率已远低于初始含水率。根据试验结果统计，不同试验条件下土样在各个阶段的冻胀量见表3。

表3 不同试验条件下土样各阶段的冻胀量 mm

2.1 初始含水率

冻胀率定义为某时刻冻胀量与冻结深度的比值，表示为

ηf=h/Hf×100%

(1)

式中：ηf为冻胀率；h为冻胀量，mm；Hf为冻结深度(不包括冻胀量)，mm。

按式(1)计算不同试验条件下土体冻胀率，统计结果见图2。可知：初始含水率为15%时，不论压实系数和冷端温度如何变化，土样并未发生冻胀，而初始含水率达到18%后发生显著冻胀，故15%为该试验土样的起始冻胀含水率，在试验结果分析时，将其作为土样0冻胀参照组，用以对比土体含水率分别为18%和21%的冻胀效果。

图2 土体冻胀率统计

起始冻胀含水率与最优含水率大小相近，随着初始含水率的提高，土样冻胀量随着冻胀时间的推移逐渐增大，含水率越高，冻胀率越大。其他实验条件一致时，冻胀率随着初始含水率的增大而增大，趋势逐渐放缓。

对于季节性冻土的冻胀性，通常用冻胀率来描述，《冻土工程地质勘察规范》(GB 50324—2014)[13]给出的冻胀等级与冻胀率关系见表4。

表4 冻胀等级与冻胀率关系

根据12组封闭试验的试验结果发现，含水率较高的封闭冻胀试验组，冻胀率均超过2%，多数已超3.5%甚至超过5%，故该土冻胀等级属于“冻胀”。

2.2 冷端温度

不同初始含水率土样的冻胀量增长曲线见图3。可知：随着冷端温度的降低，18%和21%含水率的试样最大冻胀量变大。含水率和压实系数相同时，冷端温度的降低也会导致前期冻胀速率增大，冻胀量和冻胀率逐渐增大。

图3 土样冻胀量增长曲线

由试验可知，当冷端温度从-3 ℃降低至-5 ℃后，土样的冻结深度会增大，对应冻深增大范围内的液态水变成冰引起体积变化导致冻胀量增大。另外冻土中未冻水含量成指数形式降低，导致已冻土段的含冰量增大。除此之外，冷暖两端的温度差异越大，冻土段的分凝势越大，未冻土段的水分迁移越明显，也导致封闭条件下土体内部更多的水分转化成固相。

2.3 压实系数

相同含水率条件下，压实系数越高，单位体积土样的孔隙越小，饱和度越高。土样中水的质量增大，毛细作用增强，导热能力增强，引起水分的迁移。另外未冻段土体骨架更为紧密，强度和刚度更高，冻胀力引起的压缩变形量更小，使得冻胀量增大。

冻胀速率定义为冻胀过程中冻胀增量与时间增量的比值，即

(2)

式中：ηt为冻胀速率，mm/h；Δh为冻胀增量，mm；Δt为时间增量，h。

按式(2)计算12组常规试验过程中土体的冻胀速率，结果见图4。可知：压实系数为0.89时，冻胀速率在2 h时达到最大之后急速下降，大约8 h后再次增大，在30 h后趋于稳定。压实系数为0.93时，自冻结开始后，冻胀速率逐渐增大，在10 h左右达到峰值后缓慢下降，超过40 h数值较小。两者之间的区别是因为：①压实系数较小时，土颗粒和水质量较低，导热系数小，未冻水结冰时释放潜热使得冻结峰面下移放缓；②压实系数小，孔隙率高，顶端的原位冻结使水分排走得更快，冻胀速率下降。

图4 土体冻胀速率曲线

综上所述，土体冻胀速率受压实系数的影响较大。在冻胀快速发展阶段，压实系数越大，冻胀速率越大，导致冻胀量和冻胀率越大；在冻胀相对稳定阶段，压实系数较大时，冻胀速率较大，导致冻胀量和冻胀率的继续增大；进入冻胀稳定阶段后，不论压实系数大小，冻胀速率保持在相对小值，冻胀量和冻胀率几乎恒定。在其他试验条件相同的条件下，压实系数越大，冻胀量越大。

3 结论与建议

1)土样冻胀率和水分迁移随着含水率增大而显著增大；在近饱和状态，土样的冻胀率多数已经超过3.5%，冻胀性等级属于“冻胀”。

2)低液限粉土填料的初始冻胀含水率和最优含水率相当，约为15%；随着土体初始含水率从15%增大到21%，冻胀量和冻胀率显著增大。

3)含水率和压实系数相同时，冷端温度的降低也会导致前期冻胀速率增大，冻胀量和冻胀率逐渐增大。冷端温度绝对值增大，冻胀量和冻胀率显著增大。

4)随着压实系数从0.89增大到0.93，其他条件相同时的冻胀量和冻胀率略有增大。

建议在雨季做好路基的防排水工作，从而降低寒季时路基填料含水率，降低线路冻胀。

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[11]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,2010.

[12]中华人民共和国铁道部.TB 10077—2001 铁路工程岩土分类标准[S].北京:中国铁道出版社,2001.

[13]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中华人民共和国建设部.GB 50324—2014 冻土工程地质勘察规范[S].北京:中国计划出版社,2015.