哈大铁路客运专线路基填料冻胀性试验研究

石刚强，王 珣

(1.兰州大学 土木工程与力学学院，兰州 730000;2.中交股份哈大客专工程指挥部，长春 130000)

无论是季节性冻土还是多年冻土，表层都存在着一层冬冻夏融的冻结—融化层，作为路基的冻融层，在冻融过程中会引起土体性质的变化，发生路基变形、裂缝、翻浆冒泥等现象，严重影响着铁路行车安全和运输效率，如何防护和治理冻土路基是目前地处严寒地区铁路工程所面临和亟待解决的问题[1]。同时，随着我国高速铁路的快速发展，客运专线列车的高速、安全、平稳运行对路基的变形提出了更严格的要求，进一步增加了路基施工的难度。

哈大铁路客运专线是我国在严寒地区[2]设计、建造的第一条客运专线，沿线冬季寒冷漫长，最冷月平均气温在－13.5℃ ～－17.5℃，极端最低气温达－36.5℃，沿线最大积雪厚度30 cm，最大季节冻土深度可达2 m以上，每年从10月底开始冻结，次年5～6月全部融化。全线铺设的无砟轨道对路基工后沉降的要求非常严格，允许的工后沉降不大于15 mm，差异沉降不大于5 mm[3]。消除冻胀危害是路基设计、施工重点考虑的问题，填料是影响路基冻胀的最主要因素，为了控制路基变形和冻胀性，路基施工需合理选择填料，设置防冻层、隔断层、防排水和防冻胀护道等处理措施。因此，为了更好地了解路基冻胀的影响因素，在室内进行了大量的路基填料的冻胀性试验研究，找出各个可能因素对路基冻胀的影响规律，合理选择路基填料，指导现场施工。

1 季节性冻土区路基填料要求

对于路基填料，铁路规范有明确的规定，哈大客运专线路基不仅要满足客运专线的路基填料要求，还要符合季节性冻土区填料抗冻性的要求，因此对于路基填料的选择将更为严格，哈大客专公司对路基填料提出了具体要求[4]:

1)基床表层级配碎石。级配碎石粒径、级配及材料性能在符合《客运专线基床表层级配碎石暂行技术条件》要求的基础上，同时应限定细颗粒含量，满足颗粒粒径d≤0.075 mm含量不大于5%，压实后颗粒粒径d≤0.075 mm含量不大于7%(重量比)，避免冻胀发生。

2)路基填料选择。防冻层选用0.075 mm细粒含量＜15%，平均冻胀率 η≤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;基床以下路基优先选用 A、B组填料[5-6]。

2 路基A、B组填料基本性能指标

2.1 A、B组填料颗粒组成

试验的A、B填料取自吉林九台鑫源料场，为一套岩石碎屑混合物，将其过31.5 mm筛作为进行冻融试验和冻胀性试验的基本材料。颗粒分析结果见表1，定名为角砾[7-8]。

为了检验填料的性质，对A、B填料的细粒液塑限进行了试验，塑性指数 Ip为13～14，符合10＜Ip≤17，属于粉质黏土。

2.2 掺配用细粒土基本物理指标

为研究细粒土质和含量对粗粒土有关性能的影响，从陶赖昭松花江二级阶地前缘采集了粉质黏土和粉土两种细粒土料。采自现场的土料经风干、捣碎(或粉碎)、调制和过0.5 mm筛等工序后，进行基本物理指标试验，见图1。

表1 基本料颗粒组成

图1 颗粒大小分布曲线

2.3 掺配的试验土料重型击实试验

将细粒土按一定比例掺入基本土料中，最终形成供冻融试验和冻胀率试验用的试验土料，进行重型击实试验。试验结果见表2。由于粗碎屑土的特性以及细粒土掺量比较少，决定了最大干密度ρdmax和最佳含水率wop仅在很窄的范围内波动。

表2 试验土料重型击实试验结果

3 路基A、B组填料冻胀性试验

主要在恒温箱内进行冻胀率试验，环境温度变幅＜±0.1℃，采用φ150 mm土样筒进行试验，整个土样处于半无限体表面冷源作用下单向冻结条件。

3.1 试验准备

1)制备试样。试样尺寸为φ150 mm×120 mm，为保证试样端面光平，以便于位移测量，同时也是为了减少侧摩阻力，采用压样法制备样品，然后将压样筒中样品倒入试样筒。

2)试验要求。按有关规范进行冻胀率试验，采用上冷闭式冻胀试验(无外水分补给)研究5种试验材料(见表2)的冻胀性。冷闭式冻胀试验的优点在于试样的含水率、干密度、饱和度和压实度都是事先确定的，不随试验过程和时间而变，因而易于建立冻胀率与这些指标间的关系，并进行分析比较和数理统计。试验过程中，当位移读数出现峰值或稳定值以后，再继续观测几小时即可结束试验。

3)数据整理。根据试验记录数据，绘制冻胀量—时间关系曲线，然后取最大冻胀量，按下式计算冻胀率

式中 η——冻胀率，%;

ΔH——试验期间最大冻胀量，mm;

H0——试样冻结深度，取120 mm。

3.2 各组填料冻胀性试验结果分析

3.2.1 含水率对填料冻胀性的影响

根据表2配制的试样，进行冻胀率试验，将掺配土质相同的试样η—w数据曲线分别绘于一张图上，结果如图2所示。可以看出，当含水率增加到一定值时(大约是在最优含水率以后)，冻胀率均有加速增大的趋势，冻胀率最大值可达η=3～4。说明即使是粗颗粒土，当其含水率达到一定值时，亦会产生相当可观的冻胀量。

图2 含水率、细粒土含量大小对冻胀的影响

3.2.2 细粒土含量对填料冻胀性的影响

由图2可看出，无论图2(a)和图2(b)，随细粒含量增加，曲线沿横轴(w)向右偏移，说明材料的起始冻胀含水率在增加。试样起始冻胀含水率见表3，表中同时给出了η=1(临界含水率)和η=3.5(冻胀界限含水率)时相对应的界限含水率值。

表3 不同冻胀等级的界限含水率 %

3.2.3 掺配土质对填料冻胀性的影响

将掺配量相同、土质不同的η—w数据曲线分别绘于一张图上，结果如图3所示。可看出掺量相同时，随着掺配土质塑性增强，曲线沿横轴向右偏移。

图3 细粒土质条件影响

图2 和图3实质上表达的是同一规律，即土质条件(粗粒土常用粒度成分、细粒土常用塑性大小表达)对冻胀量的影响。掺配塑性较大细粒土的样品亲水性强，所以在有限含水率范围内，含水率相同时冻胀量大。

3.2.4 水分变化对填料冻胀性的影响

根据试验数据建立各种土料的η—w线性回归方程，进行回归方程差异显著性计算，各数值均小于理论临界值，说明掺配不同细粒土质及其含量的试料η—w回归方程间虽有些差异但并不显著，可以综合起来进行统计。图4为综合散点图，按一元线性回归

按式(2)可得，初始冻胀含水率为8.41%，临界冻胀含水率为10.32%，相应冻胀等级含水率为15.09%。

图4 试料η—w综合散点图

3.2.5 干密度对填料冻胀性的影响

干密度对冻胀也有一定影响，二者呈负相关关系，根据经典土力学，对给定土质，饱和度一定时，试样随含水率增加，相应干密度减小或孔隙比增大。用基本料过筛0.5 mm的土，按照2#试料粒径＜0.5 mm成分比例，配15%粉土后配制3种试样。样品饱和度按Sr=0.80计算，控制含水率分别为 w=9%，10.5%和12%，控制干密度分别为 ρd=2.008，1.945和 1.875 g/cm3。样品风干后，在立体镜下观察可以看出，当饱和度一定时，随样品含水率增加或干密度减小，土的孔隙有变多和变大的趋势，从而预示了冻胀量将会变大。

4 结论

1)含水率是影响填料冻胀的主导因素，即使是粗颗粒土，当其含水率达到一定值时，亦会产生相当可观的冻胀量。因此，路基设计施工应做好防排水措施，阻断地表水和地下水的渗透，保证路基填料的抗冻性，从而保证线路路基在季节性冻土区的平稳运行。

2)试验路基填料的起始冻胀含水率为8.41%，临界冻胀含水率为10.32%，相应冻胀等级含水率为15.09%;起始冻胀含水率随细粒含量增加而增加;掺量、含水率相同时，掺配土质塑性增强，冻胀量增大;饱和度一定时，样品含水率增加或干密度减小，冻胀量变大。

3)严寒地区客运专线路基工程，应严格控制A、B组填料中的细粒含量，控制填料的含水率，严格按照压实度要求进行施工，以尽量避免路基冻胀的发生。

[1]田亚护，温立光，刘建坤.季节冻土区铁路路基变形监测及冻害原因分析[J].铁道建筑，2010(7):104-107.

[2]铁一院.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社，1999.

[3]中华人民共和国铁道部.TB10020—2009 高速铁路设计规范(试行)[S].北京:中国铁道出版社，2009.

[4]哈大客专公司.哈大客专路基检测和质量控制指导意见[Z].沈阳:哈大客专公司，2008.

[5]中华人民共和国铁道部.TB10035—2002 铁路特殊路基设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2006.

[6]中华人民共和国铁道部.TZ212—2005 客运专线铁路路基工程施工技术指南[S].北京:中国铁道出版社，2005.

[7]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，2004.

[8]叶阳升.论铁路路基填料分类[J].中国铁道科学，2004(2):35-41.