兰新高铁粗颗粒土填料冻胀性试验研究

杨有海，沈 鑫，朱生宪，高以健

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.河西学院 土木工程学院，甘肃 张掖 734000；3.兰州铁路局，甘肃 兰州 730000)

兰新高速铁路地处西北寒区，沿线大多地段冬季非常寒冷，最冷时气温达到零下30 ℃。在雨(雪)水入渗、毛细水上升或地下水位变化、低温冻结作用下路基会发生冻胀变形，将影响轨道结构的平顺性及高速列车的正常运行。兰新高铁在甘肃河西走廊、新疆境内大范围穿越祁连山及天山山前冲洪积平原与戈壁地区，主要以路基形式通过。这些地区因自然条件极为严酷，控制路基冻胀变形和沉降变形已经成为该高速铁路路基的关键技术问题。铁路线路由有砟轨道发展到无砟轨道，原来对有砟轨道下路基冻害的评价标准及方法、整治措施已不适合无砟轨道路基。因此，对无砟轨道下路基填料的冻胀性评价标准、冻害防治需要进行研究。

基于已建成的哈大、哈齐、津秦等客运专线，研究人员对高铁路基粗颗粒土填料的冻胀特性进行了一系列的研究。李安原等[1]以哈大高铁为例，在分类梳理有关粗颗粒土冻胀特性研究文献的基础上，重点论述了影响粗颗粒土冻胀特性的细颗粒含量、水分特征及温度状况3个关键因素。石刚强等[2]针对哈大客运专线的路基冻胀，着重研究了细颗粒含量和含水率对粗粒土冻胀量的影响。吴镇等[3]以哈齐客运专线细圆砾土路基填料为研究对象，自制冻结温度试验装置测定了细圆砾土冷却与冻结过程。汪锡铭[4]结合设计资料概括总结了路基防冻胀技术控制措施，依据相关规范、标准重点明确了非冻胀A，B组填料的主要控制指标。王天亮、岳祖润[5]同时考虑冻胀率和击实效果两种情况下最大细粒土含量，通过葡氏击实和冻胀试验，研究了不同细粒土含量、不同干密度条件下细圆砾土填料的冻胀特性。刘焕强等[6]研究了天津至秦皇岛客运专线的路基冻胀，得出在路基基床底层用60 cm厚细颗粒含量小于15%的碎石土可以有效防止冻胀。赵洪勇、闫宏业、张千里等[7]选取东北某客运专线路基基床底层A和B组填料作为试验土样，通过不同含水率、不同细粒含量、不同冻结温度条件下的冻胀试验，研究各参数对冻胀率的影响。姜龙、王连俊等[8]对不同含泥量(细粒成分)的砂类土在不同含水量、饱和度和密实度状态下进行了一系列闭式冻胀模拟试验，用数理统计方法分别研究了不同含泥量砂类土的冻胀率随含水量的变化规律，提出以含泥量C≤3%，3%

对于粗颗粒土的分类，王正秋[10]通过以0.05 mm颗粒含量、天然含水量、冻结期间地下水低于冻深的最小距离为指标对粗粒土的冻胀性进行分类。王仲锦、张千里、叶阳升[11]通过对影响填料工程性能因素的分析，并结合工程实践，提出填料分类分组的建议方案：在巨粒土和粗粒土中，细粒含量按5%，15%和30%分界。叶阳升等[12]在分析路基的冻胀特性、影响路基冻胀的因素、路基冻害整治中存在的问题的基础上，借鉴国内外地基土的冻胀性分类，并结合铁路路基填料分类的特点、铁路线路冻胀限值和维修标准，提出路基填料冻胀性分类方案：以各类土的细粒含量、冻前含水量和冻胀高度为指标，进行冻胀敏感性和冻胀等级两级分类。

对于位于西北寒区粗颗粒土填料的冻胀特性，李育宏等[13]分析兰新铁路提速区段道床冻害机理，结合室内冻胀试验，认为兰新线提速区段道床冻害主要影响因素是含泥量和含水率，为有砟轨道的冻害整治提供了依据。郭彦荣等[14]通过不同含水率、压实度和外部荷载的封闭系统冻胀试验，研究了兰新铁路路基土冻胀特性，基于试验分析提出了适用于兰新铁路的冻害防治措施是排水和隔水。

虽然对于粗颗粒土路基填料的冻胀特性目前已经有了一定的研究，但是由于各地区土质形成条件差异较大，且兰新高铁沿线路基填料种类较多，颗粒组成不同，故对戈壁地区不同粗粒土填料的冻胀特性进行试验研究将有助于该线路基工程设计及冻害防治与整治技术选择，并为该地区同类工程建造提供借鉴与参考。

1 试 验

本试验研究不同细颗粒含量、不同含水率、不同压实度下土体的冻胀特性。

试验用土取自兰新高铁4个取土场路基填料。按照TB 10102—2004《铁路工程土工试验规程》[15]规定的方法，由室内试验测得的该4种填料基本物理指标见表1,表中填料按照TB 1001—2005《铁路路基设计规范》分类。

表1 土样基本物理力学指标

冻胀试验的试样制备及试验方法按照GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》进行，冻融循环试验箱采用XT5405高低温冻融循环试验箱。

土体中水分是决定冻胀的主要因素之一。路基土体中的水分在冻胀过程中，如果考虑冻结期间有充足的水源补给，则属于开放系统下的冻胀；如果路基土体中水分没有外界水源补给，则属于封闭系统下的冻胀。试验采用开放系统和封闭系统两种不同的方法进行。

(1)封闭系统，无水源补给。每一组试验填料的含水率分别取为最优含水率wopt、中间含水率wm(介于wopt与wst之间)、饱和含水率wst。具体试验方案见表2。

(2)开放系统，即土样下端面有一恒定水位的补给水源。填料的初始含水率为最优含水率wopt。具体试验方案见表3。

表2 封闭系统下填料冻胀特性试验方案

表3 开放系统下填料冻胀特性试验方案

2 试验结果分析

按照《铁路工程土工试验规程》规定，填料的室内冻胀试验采用冻胀率衡量冻胀的程度。冻胀率为总冻胀量与冻结深度比值，其计算公式为

式中：η为冻胀率，以百分数计； Δh为冻胀量，mm;H为产生Δh冻胀量时相应的冻土层厚度，室内冻胀试验中采用的试验试样高度为80 mm。

2.1 封闭系统下粗颗粒填料冻胀试验结果

图1—图4给出了4个取土场路基填料在不同含水率下的冻胀率随时间变化曲线。

图1 不同初始含水率下冻胀率随时间变化曲线(取土场1)

图2 不同初始含水率下冻胀率随时间变化曲线(取土场2)

从图1—图4可以看出：同一种填料的含水率不同，则冻胀率也不同，在最优含水率下冻胀率较小，随着含水率增大，则冻胀率越大，表明含有细颗粒的粗颗粒填料在冻结时含水率对冻胀率有明显影响，所以设法控制路基冬季冻结层中的含水率对防冻害是很有效的措施；4种填料细颗粒含量不同，冻胀率也不同，总体上细颗粒含量越多则冻胀率越大；在封闭系统下4种含有细颗粒的饱和密实粗颗粒填料的冻胀率均大于1.0%。由此得知，含有细颗粒的路基工程填料，当其含水率较高时，在负温作用下发生冻结，会产生较大的冻胀量。

图3 不同初始含水率下冻胀率随时间变化曲线(取土场3)

图4 不同初始含水率下冻胀率随时间变化曲线(取土场4)

因此，在寒区高速铁路路基填筑中，应该严格控制A，B组填料中的细颗粒含量和路基土体含水率，尤其是低路堤、零断面换填路基、路堑；也可对填料进行水泥改良，改变含有细颗粒的粗颗粒填料冻胀性[16]；当该地区降雨量较大，雨水会沿着路基面封闭层开裂部位、路基边坡、护道等渗入路基本体时，或者地下水位较高、路基周围有灌渠存在时，要给予高度重视。

文献[1]认为影响粗颗粒土冻胀特性的几个关键因素为细颗粒含量、水分特征及温度状况。文献[2]对细颗粒含量在6.1%～13.4%的5种试验土料进行冻胀试验，得出当含水率超过最佳含水率后，冻胀率最大值可以达到3%～4%。文献[5]试验得出细颗粒含量在5%时的冻胀率为0.6%，细颗粒含量达到10%时冻胀率超过1.0%。文献[7]对路基基床A、B组填料在不同含水率、细粒含量、冻结温度下的冻胀特性进行了系统试验，得出：土样含水率分别为7%和9%时的冻胀率分别达到1.54%和2.82%，均超出高速铁路对季节性冻土地区粗粒土填料平均冻胀率不大于1%的规定；建议对季节性冻土区域粗颗粒土在细颗粒含量小于15%的情况下仍然要通过室内冻胀试验确定其冻胀性；在保持含水率5%下进行冻胀试验，细料含量分别为3%，5%和7%时的冻胀率分别为0.42%，0.96%和1.12%等，说明粗颗粒填料中细粒含量达到一定数值在含水充分时会加剧冻胀，这些结果与本文试验结果基本相同。

传统意义上的填料冻胀性分类系按照平均冻胀率小于等于1%作为不冻胀性填料，这个分类标准对于普速铁路路基而言是适合的，但近几年的研究及工程实践表明，该分类标准不适合高速铁路路基填料冻胀性分类。文献[16]认为对于高速铁路改良粗颗粒填料而言，以冻胀率不超过0.1%作为控制标准。哈大铁路客运专线建造中当时曾对路基填料选择做出如下规定：“防冻层选用小于0.075 mm细粒含量小于15%，平均冻胀率小于等于1%且级配良好的非冻胀性A，B组填料。基床底层采用A、B组填料，粒径宜控制在6 cm以内；基床以下路基优选A，B组填料。”但该线在投入运营后从路基缝隙、边坡渗入的水分仍使其局部地段路基出现了冻胀。兰新高铁浩门至张掖西区间路基设计中，要求路基基床底层选择A，B组填料，基床以下部分可选择C组填料中的粗颗粒土，但由于其细颗粒含量较大，加之该段路基处于高海拔地区(平均海拔在2 800 m以上，最高海拔为3 608 m)，降雨量相对较大且有地下水存在，冬季气候十分寒冷地段，路基冻结深度大，造成部分区段路基发生冻胀，影响了线路平顺性及列车运行，冬季养护维修工作量大。

2.2 开放系统下粗颗粒填料冻胀试验结果

图5—图8给出了不同细颗粒含量、不同压实系数(K=0.87，0.91，0.93和0.95)的粗颗粒填料冻胀试验结果，试验中所有试样的初始含水率均为其最优含水率。

图5 取土场1填料在开放系统下的冻胀率随时间的变化曲线(初始含水率w=8.9%)

图6 取土场2填料在开放系统下的冻胀率随时间的变化曲线(初始含水率w=7.0%)

图7 取土场3填料在开放系统下的冻胀率随时间的变化曲线(初始含水率w=6.3%)

图8 取土场4填料在开放系统下的冻胀率随时间的变化曲线(初始含水率w=6.0%)

与封闭系统下相比，相同初始含水率、相同细颗粒含量填料在开放系统下的冻胀率要远大于封闭系统下的冻胀率，其值均大于3%；细颗粒含量越多的试样冻胀率越大；同一种填料压实系数越大，则冻胀率越小。因此，在地下水位较高或者冻结过程中有水分补给时含有细颗粒的粗颗粒填料冻胀率较大；路基工程中解决好水的作用问题是路基防冻害首先选择的主要措施。路基防排水措施除了目前采用的排水设施、路基表面设置封闭层之外，防止雨(雪、冰)水从封闭层接缝、路基边坡、排水沟或侧沟等渗入路基本体也是应该研究解决的重要问题；若路基低矮或为路堑形式，有地下水存在且水位较高，以及路基周围有农田灌溉等情况时，设计中必须考虑采取措施，降低地下水位在冻结深度线以下；设置防渗隔断措施，防止毛细水上升、冻结中水分迁移、农田灌溉水渗入路基等造成冻害；设计冻结深度内换填水泥改良粗颗粒填料[16]。

3 结论及建议

(1)路基工程粗颗粒填料A，B组中若有细颗粒存在，则冻结时可能会发生不同程度的冻胀；冻胀率的大小取决于土中细颗粒含量及冻结前的初始含水率或冻结过程中水分补给；同一种填料初始含水率不同，则冻胀率不同；封闭系统下含水率低于最优含水率时，填料的冻胀率均较小；处于饱和状态时填料的冻胀率可达1.1%～2.2%，其填筑的路基在冬季发生冻结时所产生的冻胀量可能会超过无砟轨道高低偏差管理值，造成路基冻害，影响轨面的平顺性。

(2)细颗粒含量是影响路基粗颗粒填料发生冻胀的重要原因，填料的冻胀率随细颗粒含量的增加而增加；降雨量较大、冬季气候寒冷地区高速铁路路基防冻层填料设计、施工时，应该控制填料中细颗粒含量，尤其是对于低路堤、零断面换填路基、路堑等地段要严加控制；需要时可以填筑水泥改良粗颗粒填料。

(3)开放系统试验条件下的冻胀率远大于封闭系统下的数值，其值均大于3%，范围在3.65%～7.45%；细颗粒含量越多的试样冻胀率越大；同一种填料压实系数越大，冻胀率越小。

(4)高速铁路路基工程中做好防排水是路基防冻害首先选择的主要措施。除了目前普遍采用的排水设施、路基表面设置封闭层之外，防止雨(雪、冰)水从封闭层接缝、路基边坡、排水沟或侧沟等渗入路基本体也是应该研究解决的重要问题。若路基低矮或为路堑形式，有地下水存在且水位较高，以及路基周围有农田灌溉等情况时，设计中必须考虑采取措施，降低地下水位在冻结深度线以下，设置防渗隔断措施，防止毛细水上升、冻结中水分迁移、农田灌溉水渗入路基等造成冻害。

综上所述，在寒区高速铁路路基建造中，应该从路基结构形式、防冻层设计、控制粗颗粒填料中的细颗粒含量、做好路基防排水等方面出发，兼顾各种影响因素，采取综合措施防止路基发生冻害，为线路轨道结构提高稳定、平顺的基础。

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