金 蘭，程 佳，朱兆榮，唐彩梅

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081;2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000)

改良粗顆粒填料在寒區(qū)高速鐵路路基中的應(yīng)用研究

金 蘭1，程 佳2，朱兆榮2，唐彩梅2

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081;2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000)

高速鐵路路基填料選用傳統(tǒng)意義上平均凍脹率η≤1%且級(jí)配良好的非凍脹填料，目前高速鐵路路基在寒季產(chǎn)生的實(shí)際凍脹量已超過規(guī)范規(guī)定15 mm的要求。針對(duì)寒區(qū)高速鐵路路基凍脹問題，從填料改良方面開展研究，針對(duì)路基產(chǎn)生凍脹的主要位置，選取級(jí)配碎石為對(duì)象，以水泥、石灰、粉煤灰作為摻和料進(jìn)行改良。通過室內(nèi)試驗(yàn)，分析加入無機(jī)材料后填料滲透性和凍脹性的變化，對(duì)比加入3種摻和料的填料凍脹率，選取一種改良效果最為理想的材料，作為寒區(qū)高速鐵路路基改良材料。研究結(jié)果表明：水泥、石灰以及粉煤灰的加入大幅度減少了水分從路基表面向基床內(nèi)部的滲透，其中粉煤灰吸水能力較強(qiáng)，因此產(chǎn)生了較大的凍脹量，不適宜作為改良材料；水泥改良填料凍結(jié)時(shí)水分遷移量減少，凍脹量最小，說明相對(duì)石灰和粉煤灰，水泥最適合加入到級(jí)配碎石中，減小路基凍脹量。

高速鐵路；級(jí)配碎石；改良填料；凍脹

路基凍脹是指當(dāng)填料降到孔隙水的冰點(diǎn)時(shí)，填料中的原有水分及外界向凍結(jié)鋒面遷移的水分將會(huì)凍結(jié)成冰，使路基土體體積增大，從而導(dǎo)致路基頂面高程發(fā)生變化的現(xiàn)象[1]。導(dǎo)致路基產(chǎn)生凍脹的主要原因?yàn)樗譂B入、填料內(nèi)過量細(xì)顆粒以及溫度條件。針對(duì)上述原因，目前高速鐵路采用的控制路基凍脹的措施如路基填料控制、防排水措施及保溫措施，在很大程度上緩解了寒區(qū)高速鐵路路基的凍脹問題，但路基表面的水分通過路基結(jié)構(gòu)縫、電纜槽以及纖維混凝土裂縫滲入到基床內(nèi)部，引起粗顆粒填料凍脹。局部地段路基的凍脹量超出了高速鐵路路基的允許變形量。根據(jù)哈大高速鐵路路基凍脹的觀測(cè)數(shù)據(jù)[2-4]，得出寒區(qū)高速鐵路的凍脹特點(diǎn)及規(guī)律為：(1)路基凍脹具有普遍性以及分布具有隨機(jī)性；(2)路塹地段的凍脹發(fā)生比率高于路堤地段；(3)路橋、路涵過渡段路基凍脹量小于一般路基；(4)路基的凍脹主要為基床表層凍脹。針對(duì)上述凍脹特點(diǎn)，本課題對(duì)填筑在表層的級(jí)配碎石加入無機(jī)材料(水泥、石灰、粉煤灰)進(jìn)行滲透和凍脹特性改良，旨在從路基填料方面入手減少路基表面水分向基床內(nèi)的滲透，將寒區(qū)高速鐵路路基的凍脹量減小到規(guī)定允許變形量范圍內(nèi)。

隨著高速鐵路在寒冷地區(qū)的發(fā)展，無機(jī)改良填料在減小路基的凍脹和融沉方面的作用日趨顯現(xiàn)。研究表明[5]：由于無機(jī)材料的加入，有效限制了土體內(nèi)部的水分遷移，進(jìn)而減小了土體的凍脹量，同時(shí)無機(jī)材料也使土顆粒間的結(jié)合力加大，抵抗破壞土顆粒骨架的能力提高，從而抑制土體融化時(shí)的沉降。本試驗(yàn)針對(duì)級(jí)配碎石(細(xì)顆粒粒徑d≤0.075 mm含量為20%)加入水泥、石灰、粉煤灰進(jìn)行改良，選擇出一種針對(duì)改良級(jí)配碎石凍脹特性效果最理想的摻和料作為改良劑，減小高速鐵路路基基床表層的凍脹量。

1 級(jí)配碎石及無機(jī)材料的技術(shù)指標(biāo)

級(jí)配碎石 基床表層級(jí)配碎石的粒徑級(jí)配符合《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]要求，其粒徑級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 級(jí)配碎石粒徑級(jí)配曲線

級(jí)配碎石中摻入的細(xì)顆粒土的液限為24.90%，塑限為15.10%，塑性指數(shù)為9.8，因此為低液限粉土。

水泥、粉煤灰、石灰的基本性質(zhì)見表1、表2。

表1 水泥基本性質(zhì)指標(biāo)

表2 粉煤灰基本性質(zhì)指標(biāo)

表3 石灰基本性質(zhì)指標(biāo)

為了研究水泥、石灰、粉煤灰對(duì)級(jí)配碎石的凍脹改良效果，分別向細(xì)顆粒土含量為20%的級(jí)配碎石中加入5%水泥、5%石灰、5%石灰+15%粉煤灰。對(duì)未改良和改良后的級(jí)配碎石進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，主要研究其滲透和凍脹特性的變化。

2 主要試驗(yàn)

試驗(yàn)按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》[7]的要求執(zhí)行。

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

在進(jìn)行滲透試驗(yàn)和凍脹試驗(yàn)前，需要在凍脹試驗(yàn)前確定填料的最大干密度和最優(yōu)含水率，即進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。根據(jù)填料的最大粒徑選擇擊實(shí)試驗(yàn)的類型為重型擊實(shí)，對(duì)于水泥改良填料，由于水泥的初凝時(shí)間較短，所以未加水泥的填料按預(yù)定的含水率加蒸餾水拌勻浸潤(rùn)1晝夜，保證水分均勻分布，在擊實(shí)試驗(yàn)前向填料中加入所需的水泥拌勻。對(duì)于石灰和二灰改良填料，先將所需的石灰和粉煤灰加入填料中，按一定的含水率加入蒸餾水，拌勻密封，浸潤(rùn)1晝夜后進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。以干密度為縱坐標(biāo)，含水率為橫坐標(biāo)，繪制干密度與含水率的關(guān)系曲線，曲線上峰值點(diǎn)的縱橫坐標(biāo)分別表示該擊實(shí)試樣的最大干密度和最優(yōu)含水率。

2.2 界限含水率試驗(yàn)

界限含水率試驗(yàn)針對(duì)粒徑d≤0.075 mm的細(xì)顆粒土，其結(jié)果可以反映土粒之間的連結(jié)強(qiáng)度隨著含水率高低而變化的性質(zhì)。本文采用液、塑限聯(lián)合測(cè)定法。在以含水率為橫坐標(biāo)，圓錐下沉深度為縱坐標(biāo)的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上，下沉深度為2 mm所對(duì)應(yīng)的含水率為塑限，下沉深度17 mm所對(duì)應(yīng)的含水率為液限。

2.3 滲透試驗(yàn)

由于土體顆粒之間存在孔隙，水在重力作用下由高處向低處透過土體的孔隙流動(dòng)，土體可被水透過的性質(zhì)稱為土的滲透性。衡量土體滲透性能的指標(biāo)稱為滲透系數(shù)，其物理意義為單位水力坡降時(shí)的滲流速度。滲透系數(shù)是綜合反映土體滲透性能的指標(biāo)，可由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)值確定。

根據(jù)達(dá)西定律

式中Q——時(shí)間t內(nèi)滲透水量，cm3；

t——滲透時(shí)間，s；

k——砂土滲透系數(shù)，cm/s；

A——試樣面積，cm2；

h——測(cè)壓管水頭差，cm；

L——試樣長(zhǎng)度即滲徑，cm。

寒區(qū)高速鐵路路基凍脹主要發(fā)生在基床內(nèi)，而基床內(nèi)的水分來自地表水從路基表面的縫隙和路塹邊坡表面的滲入，如果經(jīng)過改良后的級(jí)配碎石滲透能力降低，將有效減少滲入到路基基床內(nèi)部的水分，從而減小路基的凍脹。通過滲透室內(nèi)試驗(yàn)，確定改良后填料的滲透性，作為判斷改性填料凍脹性的依據(jù)之一。由于未改良前的粗顆粒填料滲透系數(shù)較大，因而采用常水頭法，摻入無機(jī)材料后的改良填料采用變水頭法，變水頭法根據(jù)即擊實(shí)試驗(yàn)確定的最大干密度和最優(yōu)含水率，按改良填料的最優(yōu)含水率和0.85的壓實(shí)度將填料填入到滲透儀的環(huán)刀中，為防止試樣水分流失，將試樣上下面蓋好玻璃片放入保濕缸中，養(yǎng)護(hù)3 d后進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)。

2.4 毛細(xì)管水上升高度試驗(yàn)

土的毛細(xì)管水上升高度是水在土孔隙中因毛細(xì)管作用而上升的最大高度。本試驗(yàn)的目的是測(cè)定土的毛細(xì)管水上升高度和速度，用于估計(jì)地下水位升高時(shí)路基被浸濕的可能性和浸濕的程度。通過直接觀測(cè)法測(cè)定改良前和加入石灰、粉煤灰后的級(jí)配碎石的毛細(xì)管水上升高度，由于凍脹試驗(yàn)的補(bǔ)水系統(tǒng)是從試樣的底部供水，因此毛細(xì)管水上升高度可以作為試樣凍脹量大小的依據(jù)之一。

2.5 凍脹試驗(yàn)(圖2)

土體的凍脹是當(dāng)土體凍結(jié)時(shí)，土體孔隙中原有的部分水結(jié)冰體積膨脹以及未凍水向凍結(jié)鋒面遷移、聚集并凍結(jié)，使土體的體積產(chǎn)生不同程度增大的現(xiàn)象。衡量土體凍脹變形的基本特征值是凍脹量，即土體凍后體積與凍前體積之差，當(dāng)土體凍結(jié)側(cè)向不發(fā)生變形時(shí)，常以土體凍后高度與凍前高度之差作為凍脹量。在實(shí)際應(yīng)用中，由于不同地區(qū)的地質(zhì)、氣候條件不同，土體的凍結(jié)深度不同，凍脹量相差很大，僅用凍脹量值很難比較不同地區(qū)土體凍脹性的強(qiáng)弱，因此常采用凍脹量與凍結(jié)深度的比值作為土體凍脹變形的特征值，即凍脹率η，以百分?jǐn)?shù)計(jì)算。

式中 Δh——凍脹量，mm；

Hf——凍結(jié)深度(不包含凍脹量)，mm。

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，改良填料和未改良填料的最優(yōu)含水率在6%～7%，統(tǒng)一規(guī)定各組凍脹試樣以7%含水率、0.95壓實(shí)度、在開放補(bǔ)水的條件下進(jìn)行凍脹試驗(yàn)。制備試樣時(shí)，取2 kg未改良填料、加入石灰后的改良填料以及加入石灰和粉煤灰后的改良填料，按7%含水率加入蒸餾水，密封浸潤(rùn)24 h；對(duì)于水泥改良填料，將未改良的填料按7%含水率加入蒸餾水，密封浸潤(rùn)24 h后，再加入水泥，裝入有機(jī)玻璃筒中，養(yǎng)生7 d后進(jìn)行凍脹試驗(yàn)。

將冷浴起始溫度調(diào)整為-2 ℃，以0.2 ℃/h的速度下調(diào)溫度。為與自然條件下凍結(jié)環(huán)境相似，使試樣從上到下凍結(jié)。每隔1 h記錄百分表的讀數(shù)和試樣土溫，試驗(yàn)持續(xù)72 h，若72 h后試樣底面溫度未達(dá)到0 ℃以下，則需繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)直到試樣底面溫度達(dá)到0 ℃以下。試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，測(cè)定試驗(yàn)各層土體的含水率。

圖2 安裝好的凍脹試樣

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 擊實(shí)特性

表4是根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得出的級(jí)配碎石改良前后的最大干密度和最優(yōu)含水率。

表4 改良前后級(jí)配碎石擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

從擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，加入水泥、石灰以及粉煤灰的改良后級(jí)配碎石的最大干密度減小，其中摻入5%石灰+15%粉煤灰的改良填料的最大干密度的最??；改良填料的最優(yōu)含水率除了水泥改良后略有減小外，其他改良填料均增大，摻入5%石灰+15%粉煤灰后的級(jí)配碎石的最優(yōu)含水率增大幅度明顯?？梢?，無機(jī)材料對(duì)級(jí)配碎石的擊實(shí)特性改良效果明顯。由于無機(jī)材料的加入，改變了填料的土體結(jié)構(gòu)，黏土顆粒形成了較大的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，而無機(jī)材料與土中水分反應(yīng)，消耗了土體中的部分水分，這種變化導(dǎo)致了填料擊實(shí)特性的變化。

3.2 滲透特性

經(jīng)過常水頭和變水頭的滲透試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 改良前后級(jí)配碎石滲透試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出，改良后級(jí)配碎石的滲透系數(shù)大幅度降低。目前高速鐵路路基采用的纖維混凝土等封閉路基的措施，很難將水分隔絕在路基本體外，而改良后級(jí)配碎石滲透系數(shù)減小，將有效阻止大氣降水向路基內(nèi)的滲透，降低了路基內(nèi)部填料的含水率，有利于防止路基凍脹現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 毛細(xì)管水上升高度

毛細(xì)管水上升高度試驗(yàn)結(jié)果為級(jí)配碎石毛細(xì)管水上升高度為31 cm，加入石灰為56 cm，加入石灰和粉煤灰大于100 cm，從試驗(yàn)結(jié)果來看，加入石灰和粉煤灰后級(jí)配碎石的毛細(xì)管水上升高度均有增加，其中5%石灰+15%粉煤灰試樣毛細(xì)管水高度超過了1 m，且產(chǎn)生了2 cm的沉陷。

3.4 凍脹特性

本試驗(yàn)在無荷載、溫度變化和水分一定條件下，研究土體本身對(duì)凍脹的影響，表6為凍脹試驗(yàn)結(jié)果。

表6 改良前后級(jí)配碎石凍脹試驗(yàn)結(jié)果

從凍脹試驗(yàn)結(jié)果可以看出，細(xì)顆粒土含量為20%的級(jí)配碎石屬于Ⅱ級(jí)弱凍脹，經(jīng)過水泥和石灰改良后凍脹量減小，以水泥改良凍脹效果最為理想，凍脹率在0.1%以內(nèi)，屬于Ⅰ級(jí)不凍脹。《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，基床表層厚度為0.4 m，由試驗(yàn)的凍脹率可知水泥改良的級(jí)配碎石層的凍脹量為0.4 mm，大幅度減小了產(chǎn)生在基床表層的凍脹量；而加入5%石灰+15%粉煤灰的改良級(jí)配碎石的凍脹率增大較多，已達(dá)到Ⅳ級(jí)強(qiáng)凍脹等級(jí)，根據(jù)毛細(xì)管水上升高度試驗(yàn)，證明粉煤灰的毛細(xì)管水上升高度較大，吸水能力強(qiáng)，導(dǎo)致經(jīng)過石灰和粉煤灰改良的填料凍脹量較大，不適宜用在寒區(qū)高速鐵路路基中。

4 結(jié)論

(1)由于無機(jī)材料的加入改變了土體原有結(jié)構(gòu)和水分結(jié)合的方式，細(xì)顆粒形成較大的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致改良后的級(jí)配碎石的擊實(shí)特性發(fā)生變化，即最大干密度減小，而最優(yōu)含水率有增大趨勢(shì)。

(2)填料滲透性作為控制路基凍脹的影響因素，由于級(jí)配碎石的滲透系數(shù)較大，路基表面滲入的水分以及表層下部的隔水層使基床表層的含水率增加，因此基床表層產(chǎn)生凍脹。經(jīng)過改良后的級(jí)配碎石的滲透系數(shù)大幅度減小，減少了水分的滲入，從控制水分方面抑制凍脹。

(3)水泥和石灰改良填料的凍脹率明顯減小，其中水泥改良級(jí)配碎石凍脹特性效果最為理想，可以將產(chǎn)生在基床表層的凍脹量控制在1 mm以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范中規(guī)定的路基變形量在15 mm內(nèi)的要求，適宜用作寒區(qū)高速鐵路填料。粉煤灰吸水能力強(qiáng)，凍脹率較大，不適宜用于級(jí)配碎石的凍脹特性改良。

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[3]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.哈大高鐵線路凍脹情況分析及防治措施研究報(bào)告[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2013.

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Application Research on Improved Coarse Grain Filling Material for High Speed Railway Subgrade in Cold Regions

JIN Lan1， CHENG Jia2， ZHU Zhao-rong2， TANG Cai-mei2

(1.China Academy of Railway Sciences， Beijng 100081， China; 2.Northwest Research Institute Company Limited of China Railway Engineering Corporation， Lanzhou 730000， China)

The traditional well graded filling material with average frost heaving ratioη≤1% is used in the high speed railway subgrade， and the actual frost heaving value has exceeds the requirements for high speed railway subgrade of less than 15 mm. The paper aims focuses on the frost heaving of high speed railway subgrade in cold regions and the improved subgrade filling materials. The graded gravel mixed with cement， lime and fly ash is selected based on the main frost heaving location of subgrade. Through indoor experiments， the change of permeability and frost heaving properties after adding inorganic materials are analyzed and the frost heaving ratios with three admixtures are compared. Thus， the material with best improved effect is selected as the improved material for high speed railway subgrade in cold regions. The research results show that cement， lime and fly ash can greatly reduce the seepage of water from the surface of subgrade to the interior. The fly ash shows great capacity in absorbing water， and results in large amount of frost heaving， being not suitable as the improved material. The moisture migration and amount of frost heaving reduced in the graded gravel mixed with cement. Compared with lime and fly ash， cement is the most suitable material to be mixed with graded gravel to reduce frost heaving.

High speed railway; Graded gravel; Improved filling material; Frost heaving

2014-12-29；

2015-01-09

中鐵西北科學(xué)研究院有限公司創(chuàng)新課題(K2014009)

金 蘭(1989—)，女，碩士研究生，E-mail：654526244@qq.com。

1004-2954(2015)09-0009-04

U238； U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.002