探讨高速铁路路基粗颗粒填料冻胀特性

张勇

(中铁二十局集团有限公司，西安712000)

1 引言

为了达到控制标准，中国的高速铁路通常采用的是非冻胀A、B 组砾石和碎石进行填筑，同时一些国内外的研究表明，在考虑细颗粒填料和细颗粒土的凝结特性时，细颗粒含量将根据长期的检验结果检查其他填料的冻胀性能。通过室内和现场试验的结果，必须着重研究填料的冻胀特性，为高寒地区铁路建设奠定良好的基础。

2 高速铁路路基粗颗粒填料冻胀特性室内试验

目前，许多粗颗粒冻胀特性测试已从室外转移到了室内，必须按照要求进行试验，试验规则清楚地表明，该方法只能用于细土和砂土的裂缝试验[1]。因为目前标准的样品容器很小且土壤厚度（＞10mm）和颗粒尺寸大，导致在测试中现场技术的平滑度、压实效果和实际状态的准确性大大降低。因此，当使用填料把道路填充后，需要使用改进后的试验方法来检测防冻的性能，从而保证试验结果更加准确。使用的仪器主要有步入式的低温恒温测试设备（温度控制精度为±1℃），制冷和低温加热（ThermoFisher AC200，温度控制精度±0.1℃），热敏电阻传感器测试管模型的数据采集和旋转指示器分别为直径1 000mm和650mm。在TB 1621—2014《高速铁路设计规范》中对级配碎石的粒径级配的要求以及本次实验碎石的粒径级配见表1。

由于粗颗粒土壤的灰尘和水分含量对冻结敏感性有很大影响，因此，进行该试验首先要测试土壤对颗粒水分和其他样品的敏感性，避免每个水分含量的变化，土壤在吸收水分饱和之后，会有保持储存不饱和水分的能力。该试验的所有土壤样品均在中国东北高速铁路路基施工现场处采集。

表1 级配碎石的粒径级配

2.1 土样的温度变化过程

在特定湿度下，如果将密度为0.96 且冷冻72h 之后，图1显示了不同颗粒量的样品的温度曲线随时间的变化。其中试样高度90cm 处为冷端，0cm 处为暖端。

图1 不同细颗粒含量条件下试样的温度变化过程

如图1 所示，样品中的温度曲线可分为未冻土段和已冻土段，每个样品都会有所不同，但是，样品温度会在冷冻大约6h 后变化非常缓慢，样品温度从尖端到约为15℃处几乎没有变化。另外，如图1 所示，样品的温度会随着＜15℃的速率变化而增加，样品的温度变化更快，表示样品的总温度变化将会减小，直到高温梯度趋于稳定。另外，随着样品中细颗粒含量不断增加，温度会缓慢降低。

2.2 试样冻胀变形

在各种细颗粒条件下将粗糙土壤冷冻72h 后发生冰故障。如图2 所示是样品颗粒含量与冷冻波动百分比之间的关系。从图2 可以看出，随着细颗粒体积的逐渐增加，冻胀率逐渐增大。根据设计要求，在不溶性土壤上确定冷冻速率η＜1%。根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》A 组和B 组的细颗粒物含量出现在冷区和冷区的冷深处。当冷冻层厚度大于基床表层时，填充量应＜5%，如图2 所示。当细颗粒含量为5%时，利用率约为0.3%。

图2 试样冻胀率与颗粒含量的关系曲线

3 高速铁路路基粗颗粒填料冻胀特性现场试验

在其他严重负荷试验中，选择了中国东北地区的铁路试验区，并比较了其他填料的冻胀特性，试验区底部出土，用砂砾代替，用4 种不同配比的填料进行填充。使用不同的填充材料和结构，选择12 个检查部分。在测试部分和部件上，采用自动检测设备检查地面温度和各种位置和表面深度的变形情况。温度检查点位于生产线的中间，垂直地温测量点距离下表面0.2m、0.4m、0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m、1.6m、1.8m、2.0m 和2.5m，总共11 个测量点。去除传感器位于检测部分和肩部的每条线之间，每个检查点的冻结角传感器的深度是0.5m、1.0m 和2.0m[2]。

3.1 高速铁路路基粗颗粒填料冻胀特性现场试验地温监测结果

在级配碎石分级系统的测试中，轴承温度传感器结合不同的深度，2015 年11 月中旬，在外部气温降至0°C 以下后，开始出现地层冻结，主要取决于结构检查的SS2 实体截面的横截面结构，根据配比系统1（部分SS1）、配比系统3（部分SS3）和配比系统4（部分SS4）的结果分析，在2016 年2 月中旬，冷冻深度检查的结果将逐渐增加，随后，相同3 个相关系统的月冻结深度为1.4～1.6m，并缓慢升温至室外温度。在3 月中旬和3 月初，被检查区域的地表两侧出现融化现象，到3 月下旬形状完全改变。

3.2 高速铁路路基粗颗粒填料冻胀特性现场试验冻胀变形监测结果

位移传感器以各种输入方法放置在适当的分类检查部分，以检查每个部分的变化情况。

从2015 年11 月底开始，二者都出现了冻结干扰。由于冻结和碎片的影响相同，每个系统的变形从12 月中旬到1 月中旬保持不变，并随着深度逐渐增加，冻胀变化更明显[3]。3 月初，由于冰的形成，导致冰层的分布逐渐减少，并在4 月初保持稳定。如图3 所示，冬季冰峰变形期间土壤表面下降，2015—2016年冬季测试，第1 部分为2.7mm，图1 为1.2mm，图2 为0.8mm。

图3 配比方案4 变形量时程曲线

细颗粒含量是影响冻胀变形和冻结深度的主要因素。通常仅在水量等于路面上发生时才会发生。随着冻结深度增加，冻结道路的移动逐渐增加，表明低层也发生了冷冻[4]。

4 结语

1）在道路主体中填入粗颗粒填料，细粒含量是防止道路霜冻来自季节性硬土的主要应对方法，可广泛用于季节性冻土区路基规划，可有效调节表面结冰的性能。

2）根据试验检查结果，随着细颗粒含量的增加，冻胀含量也随之增加。但是，如果将细颗粒含量控制在5%，则变形量将不会超过最大3.0mm，从而可以创造出更好的硬化效果。

3）实验的结果可以在寒冷地区高速铁路的抗硬化层使用，能够有效防止路面冻结，保证轨道平整。