高速铁路路基微冻胀填料冻胀发育机制研究

杜晓燕,叶阳升,张千里,2,蔡德钩,2,邹文浩

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京 100081； 2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所,北京 100081)

引言

针对冻土问题，国内外学者已经展开了大量研究[1-5]，然而这些研究多集中于冻胀率较大的冻胀土，且多是从宏观上的土质、温度、水分等方面[6-9]进行研究。随着高铁建设的快速推进，线路布设范围扩大，微冻胀填料土应用日益广泛[10-15]，由于该类微冻胀性土中细颗粒含量低，内部没有连续的薄膜水及水分迁移通道，前人关于冻土的相关研究理论及模型不足以解释其冻胀发育机制，同样这类微冻胀填料的冻胀特性及规律研究也较少，因此有必要对其冻胀发育机制进行研究。

1 微冻胀填料组成与冻胀特点

根据微冻胀填料的组成成分的粒径大小将其分为孔隙与水、细颗粒、粗骨料、细骨料，分别用V1、V2、V3、V4表示，如图1所示，并将粗骨料与细骨料称为粗颗粒，粗骨料称为骨架颗粒。其中细骨料粒径视为2～0.075 mm，细颗粒小于0.075 mm。

图1 微冻胀填料组成

粗骨料与细骨料在低温下冻胀较小，而且微冻胀填料中仅有细颗粒冻胀。细颗粒的渗透性影响着整个填料的冻胀性，如图2所示，当含量小于10%，渗透系数大于1×10-3，也就是随着细粒含量的提高，渗透系数将变小。所以填料中细粒含量非常重要。

图2 渗透系数与细粒含量关系曲线

由于细颗粒粒径较小，在填料中常常附着于细骨料，将细颗粒完全分离出来较为困难，且细颗粒与细骨料混合后冻胀效果与细颗粒一样，所以细颗粒与细骨料合称为填充料。

如图3所示，微冻胀填料持水能力本身不高，随着时间的推移，其水分快速恢复到初始含水量，含水量如表1所示。从表1中可以看出，水分变化较小，也即水分未发生宏观迁移。这是由于微冻胀填料结构离散性较大，组成部分之间连通性较差的缘故，因此微冻胀填料冻胀具有瞬时性。

图3 试样含水率随时间变化曲线

表1 填料冻胀前后含水量

如图4所示，随着温度的降低，微冻胀填料并没有缓慢冻胀，而是在达到某一值后即发生冻胀，因此微冻胀填料为“原位冻胀”。

图4 温度与冻胀变形关系

2 填充料冻胀发育机制

2.1 填充料冻胀受力分析

2.1.1 填充料冻胀完全约束时受力分析

试样冻胀前的状态如图5(a)所示，红色圆形代表粗颗粒，蓝色圆形代表细颗粒，在外荷载的挤压作用下，粗颗粒形成骨架，填充料分布于骨架孔隙中。在冻胀过程中，如图5(b)所示，填充料冻胀逐渐填满骨架空间，但由于外载荷较大，骨架间连接力较大，所以填充料无法突破骨架，式样表现为无冻胀，如图5(c)所示。

图5 填充料被完全约束时冻胀机制示意

2.1.2 填充料冻胀完全无约束时受力分析

假设无外载荷作用，开始时状态如图6(a)所示，随着填充料冻胀的不断进行，填充料先填满骨架孔隙，随后将突破骨架连接，如图6(b)所示，试样表现为宏观冻胀。

图6 填充料完全无约束时冻胀机制示意

2.1.3 颗粒膨胀力与约束平衡时受力分析

冻胀前颗粒状态如图7(a)所示，当填充料颗粒冻胀至与骨架颗粒接触时，随着冻胀的持续进行，填充料与骨架之间的作用力逐渐增大，如图7(b)所示，当填料冻胀力与外荷载作用下的骨架连接力相等时，处于平衡状态，若冻胀力再增加则骨架约束被填充料冲破，填充料颗粒会顶起骨架颗粒。如图7(c)所示。

图7 填充料颗粒膨胀力与约束力平衡时冻胀机制

2.1.4 填充料冻胀受力分析

如图8所示，外载荷P1=0，P5为无穷大，P1

图8 混合料膨胀量与外部约束及温度关系

2.2 水分微迁移影响机制

通常情况下，宏观上认为冻胀土水分来源主要为地下水因毛细作用上升到土体内[16-18]。其过程如图9所示，形成冰透镜体造成宏观冻胀，如图10所示，而对于微冻胀填料，由于细粒含量低，水分难以迁移。

图9 水分转移示意

图10 宏观冻胀示意

由于粗颗粒本身含水较少[19-22]，冻胀过程中水分没有转移，水分在原位直接冻结成冰，冻胀的部分为水的相变体积增量，粗颗粒冻胀示意如图11所示。细颗粒冻胀与粗颗粒不同，细颗粒本身含水量较大，细颗粒聚集在一起，导致水分聚集在一起，其冻胀效果将远大于粗颗粒，如图12所示。

图11 粗颗粒冻胀示意

图12 细颗粒冻胀示意

2.3 填充料冻胀发育机制

微冻胀填料主要由粗颗粒组成，细颗粒含量较少。由于离散性较大，所以微冻胀填料内部水分通道不连续，各个部分之间处于相对封闭状态，因此微冻胀填料冻胀具有瞬时性，与冻结时间关系不大。

微冻胀填料含水率较低，粗颗粒相变体积增量较小，对整体冻胀影响不大，细颗粒冻胀时，水分从小孔隙向大孔隙中迁移，迁移过程中小孔隙依然存在，而大孔隙中冻胀体积较大，是形成微冻胀填料冻胀的主要原因。如图13所示。

图13 冻胀前后细颗粒表面水分转移积聚示意

3 结论

(1)微冻胀填料主要由骨架颗粒与填充料组成，其中填充料包括细骨料与细颗粒，当无外界约束作用或填充料膨胀力大于外界约束作用时，微冻胀填料将表现为宏观冻胀。

(2)微冻胀填料内部离散性较大，水分迁移通道不连续，由此造成冻结为“原位冻胀”，呈“瞬时性”。

(3)细颗粒冻胀是微冻胀填料冻胀的主要原因，细颗粒冻胀时水分转移造成空间体积占位，加大了冻胀程度。