掺煤矸石高速铁路路基填料冻胀特性试验研究

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(1.北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124；2.哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090)

煤矸石是煤炭的一种共伴生矿物，在煤炭开采和洗选加工过程中产生，因难以利用而成为一种工业固体废弃物。我国是全球煤炭开采量最大的国家，煤矸石累积堆存量达到50亿t，成为我国积存量和年增量最大、占用场地最多的工业废弃物，带来了严重的环境问题和经济负担[1]，在黑龙江等产煤大省此问题更为突出。国外许多工程建设中已经开始将煤矸石作为一种土工材料使用[2]；我国道路工程中应用煤矸石的实例也随着交通建设的推进逐渐增多[3-4]。相关研究和工程实践表明，在道路建设中用煤矸石作为路基填料，其强度完全满足路基设计要求[5]。同时我国高速铁路尤其是季节性冻土区高速铁路，如哈牡、哈佳铁路的建设，目前正处于快速发展时期，探究煤矸石在季节性冻土区高速铁路路基工程中的应用可行性，具有切实的意义。在铁路路基修筑中利用煤矸石的相关研究和工程实践表明掺煤矸石填料的强度可以满足铁路路基修筑的要求[6-7]。考虑到季节性冻土区的特殊环境，掺煤矸石填料的冻胀特性是影响煤矸石应用可行性的重要因素，具有重要的研究价值。

针对寒区工程中的土体与路基冻胀问题，国内学者进行了一系列的研究。通常认为粗粒土是冻胀不敏感材料[8-9]，广泛用于路基工程。然而大量路基冻害表明，在一定条件下粗粒土也可能发生明显的冻胀，对路基等线性工程构成直接危害。相关研究表明，土质、水分、温度是造成粗粒土冻胀的主要因素。Chamberlain[10]运用统计学的研究方法，对粗粒土冻胀性能进行了评价分类，指出粗粒土的级配是影响其冻胀特性的重要因素。叶阳升等[11]根据铁路工程建设实际对铁路路基填料的冻胀敏感性分类和路基防冻层的设置进行了研究，提出以细粒土含量、冻前含水率和冻胀高度为指标来表征路基填料的冻胀敏感性。以上研究表明，路基填料的冻胀特性与冻胀量不仅与填料的级配、细粒土含量相关，也受填料温度传导特性、吸水特性影响。

本文针对普通填料和掺煤矸石填料(采用煤矸石替代普通填料的相应级配形成)，开展开放系统和封闭系统的单向冻胀试验，通过比较2种填料在冻结过程中温度传导、水分迁移、冻胀量的相似性与差异性，分析掺煤矸石填料的冻胀特性，从而探究在冻土区采用掺煤矸填料作为高速铁路路基填料的可行性。

1 试验仪器与填料制备

1.1 单向冻胀仪与新型马氏补水瓶

图1 单向冻胀试验系统示意

试验使用自行研制的单向冻胀试验系统，如图1所示。通过布置相应传感器和数据采集仪，连续监测试验过程中的温度、补水量、冻胀量。通过合理设置马氏补水瓶的高度，为试样创造无压补水条件。将马氏补水瓶与压差传感器、数据采集仪相组合，形成新式马氏补水瓶装置，连续记录马氏补水瓶内液面压力差，推算马氏补水瓶中水量变化，从而连续监测试样在冻结过程中的吸水量。

1.2 煤矸石混合填料制备

天然煤矸石的级配连续，且主要为较大粒径的颗粒。煤矸石的强度较小，在施工压实时较大的颗粒逐渐破碎，小颗粒部分所占的比例增大，级配情况发生显著改变，与普通路基填料的级配差别较大。因此煤矸石不能直接用作路基填料，在工程中只采用煤矸石替代普通填料中级配接近的部分。本试验根据煤矸石压实后的级配分布，采用煤矸石替代高速铁路路基B组填料中的2 mm以下粒组形成的新填料，称为掺煤矸石填料。普通填料及掺煤矸石填料的级配见图2。可知，级配曲线变化不大，可以忽略颗粒级配对填料冻胀特性的影响。

图2 普通填料及掺煤矸石填料级配曲线

图3 普通填料与掺煤矸石填料的击实曲线

在冻胀试验中需要控制填料具有相同的压实度，以消除路基填筑压实的质量差异对其冻胀特性的影响，因此进行击实试验，获得填料的最优含水率和最大干密度，从而控制试验填料的压实状态。

由于高速铁路对路基填筑质量要求较高，填料击实试验采用重型击实标准。击实曲线见图3，得到试验用普通填料的最优含水率为7.3%，最大干密度为2.25 g/cm3；掺煤矸石填料的最优含水率为7.6%，最大干密度为2.13 g/cm3。

1.3 试验流程

首先，根据预设工况配置具有所需初始含水率的填料试样;根据试样筒大小，称取在各含水率、压实度下相应质量的填料，分层压实并沿试样高度方向每2 cm 布置1个温度传感器；调整马氏补水瓶高度，使其水头达到无压补水需求，关闭补水阀门。然后，将试样两端面分别于暖端(试验仪底座)、冷端(上压端头)固定接触，并布置位移传感器，打开2台冷浴，均设定至暖端温度(+2 ℃)，恒温6 h以上。通过数据采集仪的显示页面初步观察土体各观测点温度稳定后，进入试样冻结过程，将冷端所连接的冷浴温度设定至所需冷端温度(-5 ℃)，打开马氏补水瓶的补水阀门，设定数据采集仪进行记录。冻结过程持续72 h后关闭补水阀、数据采集仪、冷浴等，导出试验数据，将试样从试验仪中取出，分层切片，采用烘干法测定各层含水率。

1.4 工况说明

影响土体冻胀特性的因素很多，包括土质、水分、温度、密实度、外荷载等，其中水分为最重要的因素，原位水冻胀和水分迁移是土体冻胀的主要原因。因此试验以初始含水率为变量，控制试样尺寸、温度、压实度等其他试验条件，探究水分对填料冻胀特性的影响。同时通过对比普通填料与掺煤矸石填料的温度传导特性、吸水特性、冻胀量，分析2种填料冻胀特性的异同，以探究在季节性冻土区使用掺煤矸石填料的可行性。

试验针对普通填料和掺煤矸石填料，设置相同的温度和补水条件(冷端-5 ℃、暖端+2 ℃、无压补水)，初始含水率分别取2种填料的最优含水率及其高低各2%差异的2个含水率，形成不同试验工况。然后根据试验结果和研究需求，补充封闭系统掺煤矸石填料单向冻胀试验。试验工况见表1，F,M分别表示普通填料和掺煤矸石填料;O,C分别表示无压补水和不补水条件;1,2,3为3种不同初始含水率的试样编号;Tw和Tc分别为暖端和冷端温度。

表1 普通填料与掺煤矸石填料的冻胀特性试验工况

2 填料冻胀特性分析

2.1 试样断面温度分布

图4为试样靠近冷端处温度在试验过程中的变化曲线。可知，不同工况下2种填料的降温趋势一致，降温速率接近，最终达到的冷端温度也基本一致。

图4 不同工况下冷端降温曲线

图5为2种填料在各自最优含水率工况下，试样不同高度处的降温过程。可知，2种填料在冻结过程中均存在温度滞后效应，试样中温度沿高度分布的变化速度和温度梯度分布也基本相同，水分和掺入的煤矸石对填料的温度传导均无明显影响。在冻结开始时温度沿试样高度分布近似为一条直线，各测点温度都在恒温温度附近；随冻结过程的进行试样温度从暖端到冷端依次降低，并逐渐稳定在沿高度依次递减的斜直线左右，形成稳定的温度梯度；2种填料试样在不同高度处的降温速率和温度梯度都很接近。由此说明，2种填料具有相近的温度传导特性。

图5 不同工况下试样各点温度变化

2.2 冻结深度

从图5可以看出，冻结过程稳定后，试样剖面温度近似呈线性分布，因此冻结锋面(对于粗粒土约为0 ℃ 等温线)稳定后的位置主要受冷端、暖端温度以及试样高度影响。试样中温度的变化过程是影响冻结深度发展的主要因素，与温度变化的趋势相似。冻结锋面在冻结过程的初期快速向下方推进，然后推进速率逐渐减小并最终处于某一稳定状态。

普通填料和掺煤矸石填料主要都由粗粒土组成，且试验工况含水率都较低，因此冻结温度近似为0 ℃。对各测点的温度进行样条插值，计算冻结过程中冻结锋面的位置，推算出冻结深度的发展曲线，见图6。可以看出，在冻结初期，由于土体中的温度梯度较大，冻结锋面快速推进，土体冻结深度增长较快，随着冻结过程的不断进行，温度梯度不断减小，试样中温度分布趋于稳定，冻结锋面推进的速度逐渐减小趋于0，冻结深度增长趋缓并稳定在某一数值。冻结过程进行12 h左右冻结深度趋于稳定并接近最大值，这与前面从温度监测结果中所得到的推断相符。2种填料最终冻结深度随初始含水率的变化关系一致，均为先增大后减小，在初始含水率接近最优含水率附近时土体的最终冻结深度最大，而掺煤矸石填料的冻结深度随初始含水率变化的差异较小，对工程更有利。

图6 不同工况下试样冻结深度发展曲线

2.3 水分重分布

图7 不同工况下试样补水量变化曲线

图7为采用新型马氏补水瓶系统监测得到的试样补水量变化曲线。可以看出，2种填料在冻结过程中补水量的变化规律基本一致。从曲线的增长速率可以看出，补水速率可分为初期的快速补水阶段(前24 h左右)和后期的稳定补水阶段。结合温度的时程变化可以看出，冻结初期的水分迁移主要由试样内部的温度梯度引起；冻结后期随着试样内温度继续降低，某些位置的温度低于土的冻结温度，试样孔隙中开始出现冰晶，形成冻结缘，冻结缘对下方未冻区中的水分产生吸力，使得水分由未冻区向冻结缘迁移，试样补水量持续缓慢增加。

试验结束后将试样取出，沿高度方向每2 cm切割1片，分别测得每片试样的含水率，得到其分层含水率分布，见图8。通过对比图8(a)与图8(b)发现，普通填料与掺煤矸石填料冻结后试样中水分沿高度分布规律相似。在无压补水条件下，冻结后土体中的含水率高于土样的初始含水率，除FO3和MO3试样在最远离冷端的位置外，试验过程中此位置处于未冻区，表明此处有一定的水分在冻结吸力的作用下向已冻区迁移。而不补水条件下的MC3试样中，最远离冷端位置含水率降低的现象则更为明显，说明普通填料和掺煤矸石填料的持水性都很差，对水分的吸附能力弱，冻结过程中的水分分布特性表现出典型的粗粒土特征。从图7和图8可以看出，试样的初始含水率越小，冻结过程中试样吸水越多，冻结完成后试样含水率与初始含水率相差越大。

图8 不同工况下试样分层含水率分布

此外，从图8(b)看出，不同初始含水率的掺煤矸石填料冻结后的水分分布及含水率类似，表明煤矸石的吸水性较好，初始含水率的差异在冻结过程中被试样吸水减弱，使得冻结稳定后填料的状态受初始含水率的影响较小。这与2.2节中掺煤矸石填料冻结深度受初始含水率影响较小的结果相一致。

2.4 分凝势分析

Konard等[12]提出了冰透镜体形成过程中的分凝势理论，用参数“分凝势”表示饱和土体在冻结过程中的吸水速率，可以近似定量描述饱和土冻结过程中经过冻结锋面的水分。非饱和土体在冻结过程中在冻结区和未冻区均会形成水分迁移通道，发生持续的水分迁移，因此Konard[13]针对非饱和土的冻结过程，提出了拓展的分凝势(SPw)概念。SPw定义为冻结区在冻结锋面附近的吸水速率vu与温度梯度gradTf的比值，即

SPw=vu/gradTf

(1)

式中Tf为冻结温度，本试验中普通填料与掺煤矸石填料均为粗颗粒土，故认为冻结温度近似为0 ℃。

SPw中的w用以与传统饱和土的分凝势概念相区分，因为在非饱和土的冻结过程中，冻结区所吸收的水分只有一部分使土体产生冻胀变形，其余部分填入土体未饱和的空隙中，导致冻结区含水率提高。

本文针对普通填料和掺煤矸石填料进行了无压补水条件下的冻胀试验，利用新式马氏补水瓶连接压差传感器连续监测试样在冻结过程中的吸水情况。根据试验监测数据类型，SPw的计算式为

(2)

式中:Vw为试样补水量;t为冻结时间;Hf为冻结深度;S为试样横截面积。

对试验所得到的补水量(见图7)和冻结深度(见图6)的监测数据进行分析和计算，得到2种填料在不同工况下的分凝势曲线见图9。可以看出，普通填料与掺煤矸石填料的分凝势变化规律基本一致，各工况中随着冻结过程的进行试样的SPw值都是先增大再减小，随冻结过程的进行趋于稳定。与普通填料相比，掺煤矸石填料的SPw时程曲线的上升和下降速度均较快，峰值也更高，这是由于煤矸石吸水性更强，导热性更好，孔隙率更小，因此冻结和吸水过程更快，这与2.3节中补水量的监测结果一致。

图9 不同工况下试样的分凝势曲线

2.5 冻胀变形

图10 不同工况下冻胀量变化曲线

图10为利用冻胀试验仪布置的LVDT(Linear Variable Differential Transformer)传感器监测得到的冻胀过程中试样的冻胀量。随着冻结过程的进行，2种填料试样冻胀量以相近的速度发展，最终冻胀量与初始含水率有关，均呈现先变大后减小的规律，在接近最优含水率的某个初始含水率条件下，试样的最终冻胀量最大。

从图9和图10中分别提取各个工况最终的冻结深度和冻胀量，计算得出其最终冻胀率，见表2。

表2 不同工况最终冻胀率 %

对比图10及表2可知：在无压补水条件、相近的初始含水率下，掺煤矸石填料与普通填料相比，冻胀发展规律基本相同，冻胀率有所增大，但仍处于冻胀不敏感填料范围(小于1%)。通过对比图10掺煤矸石填料在不同工况下的冻胀量发展情况可以看出，相较于无压补水条件，在不补水条件下随着冻结过程的进行试样表面冻胀量增长较快，更早趋于最终冻胀量。温度梯度基本稳定后，不补水条件下无法获得外界水分补充，冻胀量基本不再增加，也导致封闭环境下试样的最终冻胀率明显小于无压补水环境，与无压补水条件下普通填料的冻胀量接近。此外，不补水条件下初始含水率的不同对掺煤矸石填料最终冻胀率的影响较大，初始含水率小的工况下掺煤矸石填料的最终冻胀率非常小。因此，在采用掺煤矸石填料的同时，考虑降低填料自身含水率并改善填料的排水环境，可以有效减小填料的冻胀率，使其防冻害能力达到普通填料水平。

3 结论

本文针对掺煤矸石路基填料和普通路基填料，开展了开放系统和封闭系统的单向冻胀试验，主要得出以下结论：

1)冻结过程中掺煤矸石填料具有与普通填料相近的温度传导特性，掺煤矸石填料吸水性较好，较快达到稳定；冻结稳定后2种填料温度、水分的分布规律相近。

2)在自由补水环境中，相近初始含水率条件下，掺煤矸石填料相比普通填料的冻胀量有所增加，但仍然处于冻胀不敏感填料范围。

3)初始含水率对于掺煤矸石填料的冻胀率影响显著，充分降低填料的初始含水率能有效减小填料的冻胀量，且相同初始含水率条件下，掺煤矸石填料在不补水环境中的冻胀量比自由补水环境显著降低。因此，降低掺煤矸石填料的初始含水率并减少环境补水能有效减小填料的冻胀量，提高路基抗冻性能。

综上，采用掺煤矸石填料的方案，在控制得到较低的填料初始含水率并进行路基疏水处理、减少填料补水的条件下，能有效控制路基填料的冻胀量，使路基具有较好的抗冻性能。虽然需要进行路基疏水、减少填料补水，但考虑到对废弃煤矸石进行利用带来的环境和社会效益，可以得到有益结论——在冻土区采用掺煤矸石填料作为高速铁路路基填料具有一定可行性。