杜曉燕，葉陽升，張千里，蔡德鉤( 1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　100081; ．高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081)

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關(guān)于季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路防凍脹填料的建議

杜曉燕1，2，葉陽升2，張千里1，2，蔡德鉤1，2
( 1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 2．高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

摘要:高速鐵路對(duì)路基凍脹變形控制提出了新的要求，傳統(tǒng)意義上的不凍脹填料的微凍脹已經(jīng)不能忽略，由此產(chǎn)生了一系列新問題。針對(duì)季節(jié)性凍土地區(qū)路基凍脹對(duì)高速鐵路平順性的影響，基于能量最低原理，推導(dǎo)了微凍脹填料的凍脹計(jì)算公式，提出了高速鐵路微凍脹填料控制方法和建議。同時(shí)綜合分析了基床表層級(jí)配碎石關(guān)鍵參數(shù)，提出了嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路基床表層級(jí)配碎石級(jí)配優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞:微凍脹填料骨架分析模型凍脹計(jì)算

我國(guó)75%國(guó)土為多年凍土或季節(jié)性凍土。由于以往對(duì)凍土區(qū)路基填料的防凍脹性認(rèn)識(shí)不足，致使鐵路路基凍脹病害時(shí)有發(fā)生。鑒于高速鐵路對(duì)變形的高要求，在季節(jié)性凍土區(qū)修筑高速鐵路，路基的防凍脹問題尤為關(guān)鍵。哈大高速鐵路基床表層填料為細(xì)顆粒含量＜7%的級(jí)配碎石，基床底層凍深范圍內(nèi)填筑黏土含量≤15%的粗顆粒土(包括碎石類土，礫石，粗、中砂)或粉黏粒含量≤10%的細(xì)砂。根據(jù)《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》( TB 10035—2002)對(duì)季節(jié)性凍土的凍脹分級(jí)，這些填料的凍脹等級(jí)均為Ⅰ級(jí)不凍脹，平均凍脹率＜1%，且對(duì)凍前天然含水率和地下水影響均不予考慮。而東北地區(qū)高鐵路基凍結(jié)深度最大達(dá)3 m，如果將1%作為填料不凍脹的控制標(biāo)準(zhǔn)，其產(chǎn)生的凍脹變形量將無法滿足無砟軌道變形控制要求。因此，目前針對(duì)高速鐵路路基填料凍脹級(jí)別的劃分不宜再依據(jù)TB 10035—2002確定，應(yīng)基于高速鐵路對(duì)平順性要求，提出新的填料防凍脹建議，為設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

1　微凍脹填料凍脹模型

微凍脹填料屬于粗粒土，具有土的三相特征。實(shí)際上微凍脹填料在凍脹過程中是混合料中填充料顆粒凍脹。亦即微凍脹填料試樣凍脹時(shí)粗顆粒不脹，且粗顆粒亦是剛體，而細(xì)顆粒低溫凍脹。

1. 1微凍脹填料完全填充情況分析

為研究微凍脹填料完全填充情況，簡(jiǎn)化混合料試樣由骨架粗顆粒、填充料顆粒和孔隙三部分組成，如圖1、圖2所示。

圖1試樣混合料

圖2混合料組成

如圖2所示，填充料和剩余孔隙組成了混合料的骨架孔隙。填充料填充骨架孔隙過程中，混合料試樣在側(cè)限條件下填充料低溫膨脹，首先充填剩余孔隙;當(dāng)剩余孔隙填滿后，若繼續(xù)膨脹，則此時(shí)的膨脹量為混合料試樣宏觀膨脹量。微凍脹填料完全填充理論關(guān)系為

式中:ΔV混合料為混合料宏觀凍脹量;ΔV填充料為填充料凍脹量;ΔV骨架孔隙為骨架孔隙變化量。

1. 2微凍脹填料不完全填充情況分析

工程中使用的微凍脹填料是骨架料和填充料的混合物，在低溫下含水的填充料顆粒會(huì)發(fā)生凍脹。隨著填充料體積增大，并非膨脹體積占滿剩余孔隙再抬升骨架;實(shí)際上，對(duì)不完全充填情況而言，骨架剩余孔隙遇到阻力即可促使抬升骨架。

將填充料的膨脹受力狀態(tài)類比如圖3所示的數(shù)學(xué)物理模型。微凍脹填料骨架每一個(gè)孔隙可看作一個(gè)容器。容器頂板為多孔板，孔越多對(duì)應(yīng)骨架孔隙率越大。

圖3混合料不完全填充示意

填充料顆粒膨脹時(shí)，多孔板向上移動(dòng)，導(dǎo)致宏觀體積增加。此外，一部分細(xì)顆粒從頂板孔隙中擠出，其塑性變形消耗部分能量，如式( 2)所示。

式中，ΔV擠出為填充料膨脹從孔中擠出的量。

結(jié)合微凍脹填料完全填充與不完全填充情況的分析，考慮充填和抬升作用的相互影響，基于能量最低原理，得到微凍脹填料凍脹模型。完全填充時(shí)，微凍脹填料凍脹模型為式( 1)，而不完全填充時(shí)，微凍脹填料模型為式( 2)。

求解并進(jìn)一步優(yōu)化得混合料微凍脹率

式中: N為試樣上覆荷載;φ為填充料塑性變形摩擦角; C為填充料黏聚力;α為填充料凍脹率;β0為混合料初始填充料填充骨架孔隙程度; ds為混合料相對(duì)密度;ρw為水的密度; w為混合料含水率;ρ混為混合料密度;θ為填充料含量; G骨架為混合料骨架相對(duì)密度。

式( 3)中各參數(shù)通過室內(nèi)填充料凍脹試驗(yàn)和簡(jiǎn)單的微凍脹填料基本物理力學(xué)試驗(yàn)獲取。根據(jù)微凍脹填料凍脹模型，微凍脹填料凍脹與以上各因素均有密切的關(guān)系。采用室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)該式進(jìn)行驗(yàn)證，比較計(jì)算得出填料凍脹率與室內(nèi)試驗(yàn)填料凍脹率相差僅為0. 06%，各因素均直接影響微凍脹填料的凍脹。

2高速鐵路防凍脹填料建議

迄今，鐵路工務(wù)部門針對(duì)管段范圍內(nèi)的季節(jié)性路基凍害，大多采取限速、抬升路基、道砟清篩、加凍脹墊板、注鹽、換填、增設(shè)滲水盲溝等整治措施，但是并沒有從根本上解決凍害。目前高速鐵路無砟軌道路基防凍層填料采用普通A，B組填料，即填料中粒徑≤0. 074 mm的細(xì)顆粒含量＜5%且級(jí)配良好，平均凍脹率＜1%，此要求是在一般規(guī)范要求下確定的?？紤]到哈大鐵路沿線季節(jié)性凍深為0. 88～2. 90 m，若依照一般性規(guī)范要求，凍脹量允許值則為8. 80～29. 0 mm，已不能滿足哈大高鐵路基變形不得大于15 mm的要求。

2. 1填料選擇步驟

1)確定填料內(nèi)細(xì)顆粒含量。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究資料及室內(nèi)凍脹試驗(yàn)可知，細(xì)粒含量是影響土體凍脹的內(nèi)在因素，也是主要因素。通過室內(nèi)顆分試驗(yàn)，確定混合料中的細(xì)顆粒含量。

①細(xì)粒含量＜3%時(shí)，土體在開敞與封閉情況下，凍脹性變化不大，且凍脹系數(shù)較小，可直接用于路基防凍脹填料。

②細(xì)粒含量在3%～10%之間時(shí)，凍脹系數(shù)隨填充率等參數(shù)影響而變化。

③細(xì)粒含量＞10%后，土體凍脹性隨著細(xì)粒含量的增加而顯著增加，但對(duì)于細(xì)粒含量低于15%的土質(zhì)，凍脹系數(shù)＜1%，屬于弱凍脹性土。

2)確定土的滲透系數(shù)。通過室內(nèi)滲透試驗(yàn)確定滲透系數(shù)K。試驗(yàn)表明，當(dāng)K＞1×10－3時(shí)，屬于弱凍脹性土。

3)根據(jù)1)，2)結(jié)果，選擇合適的填料。

4)依據(jù)選擇填料的性質(zhì)與外界環(huán)境，計(jì)算凍土區(qū)路基填料凍結(jié)深度。

5)填料細(xì)粒含量＞3%時(shí)，采用微凍脹填料凍脹模型計(jì)算路基凍脹變形。滿足要求時(shí)則使用該填料;不滿足要求時(shí)，可通過適當(dāng)增大混合料骨架孔隙以達(dá)到高速鐵路路基防凍目的。

6)若用上述方法選擇的填料均不滿足，則不能用此填料，可采取防排水或保溫等防凍脹措施。

2. 2級(jí)配碎石級(jí)配設(shè)計(jì)流程

對(duì)于不同粒徑組合而成的混合料，其級(jí)配符合規(guī)范規(guī)定時(shí)為級(jí)配型集料。級(jí)配型碎石又分為級(jí)配碎石、級(jí)配碎礫石、未篩分的碎石、級(jí)配礫石，統(tǒng)一稱為級(jí)配粒料。級(jí)配集料的強(qiáng)度、穩(wěn)定性與集料類型、最大粒徑和級(jí)配、細(xì)粒含量(粒徑為0. 075 mm的通過率)有關(guān)，而水穩(wěn)定性與粒徑為0. 425 mm以下材料的通過率及其塑性指數(shù)有關(guān)。通過對(duì)高速鐵路基床表層級(jí)配碎石病害的調(diào)查及理論分析，目前我國(guó)高速鐵路基床表層級(jí)配碎石總體上使用情況良好，但局部地區(qū)出現(xiàn)了問題:其一是南方多雨地區(qū)基床表層翻漿問題;其二是東北嚴(yán)寒地區(qū)的凍脹問題。

低細(xì)顆粒含量粗粒土凍脹機(jī)理研究結(jié)果表明，低細(xì)顆粒含量粗粒土(級(jí)配碎石)凍脹變形，主要是由于集料骨架接觸部位黏土顆粒周圍薄膜水引起的水分微遷移并凍結(jié)引起的，宏觀上表現(xiàn)為原位凍脹。散粒體材料的絕對(duì)凍脹是很難避免的，鐵路路基防凍脹應(yīng)著眼于路基的不均勻凍脹，可通過增大級(jí)配碎石的滲透性、降低持水性能、減少細(xì)顆粒含量或減小0. 5 mm以下細(xì)顆粒含量的液塑限等綜合措施，控制級(jí)配碎石的凍脹性能。綜上所述，高速鐵路基床表層級(jí)配碎石級(jí)配確定的流程如圖4所示。

圖4級(jí)配碎石級(jí)配確定流程

2. 3基床表層級(jí)配碎石級(jí)配

綜合分析基床表層級(jí)配碎石關(guān)鍵參數(shù)，初步選定基床表層級(jí)配碎石級(jí)配，并進(jìn)行級(jí)配碎石性能驗(yàn)證，包括持水性、滲透性、凍脹敏感性及壓實(shí)性能。綜合以上分析，擬定的嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路基床表層級(jí)配碎石級(jí)配如表1及圖5所示。

表1基床表層級(jí)配碎石粒徑級(jí)配(建議值)

圖5級(jí)配碎石級(jí)配曲線(建議值)

2. 4微凍脹填料凍脹試驗(yàn)方法

微凍脹填料由骨架顆粒和填充料組成，而其凍脹主要為填充料凍脹。根據(jù)凍脹過程中填充料凍脹與骨架顆粒間相互作用關(guān)系，由微凍脹填料凍脹預(yù)測(cè)模型η混=η( N，φ，C，α，β0，ds，ρw，w，ρ混，θ，G骨架)，通過填料物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和填充料凍脹試驗(yàn)即可得到微凍脹填料凍脹量。

3　結(jié)論

1)根據(jù)微凍脹填料完全填充理論與不完全填充情況，建立了微凍脹填料凍脹模型η混=η( N，φ，C，α，β0，ds，ρw，w，ρ混，θ，G骨架)。據(jù)此，微凍脹填料凍脹與上覆荷載、填充料塑性變形摩擦角、填充料黏聚力、填充料凍脹率、混合料初始填充料填充骨架孔隙程度、混合料相對(duì)密度、水的密度、混合料含水率、混合料密度、填充料含量以及混合料骨架相對(duì)密度均有密切的關(guān)系。

2)研究了鐵路路基防凍脹設(shè)計(jì)方法，提出高速鐵路基床表層填料選擇步驟與級(jí)配碎石級(jí)配確定流程，以及季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路基床表層級(jí)配碎石級(jí)配。

3)依據(jù)填料物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和填充料凍脹試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合微凍脹填料模型，得到微凍脹填料凍脹量的計(jì)算方法。提出了嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基微凍脹填料建議。

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(責(zé)任審編孟慶伶)

Proposal to apply anti-frost heaving filling material of high speed railway subgrade in seasonal frozen soil region

DU Xiaoyan1，2，YE Yangsheng2，ZHANG Qianli1，2，CAI Degou1，2
( 1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China)

Abstract:New demands was proposed to control the subgrades frost heave deformation for high speed railways．M icro-heaving，meaning no frost heave in the traditional view，cannot be ignored．T his paper is aimed at the impact on the ride comfort of high speed railways，caused by the subgrades frost heave in the seasonal frozen soil region．Based on the principle of minimum energy，the frost heave formula of the micro-heaving fillers was derived．M eanwhile，control methods and proposal to micro-heaving filling materials were proposed．In addition，the optimum suggestions of surface layer graded aggregatefor high speed railway in seasonal frozen soil region was put forward by analyzing the gradation key parameters．

Key words:M icro-heaving; Skeleton of filling material; Analysis model; Frost heave calculation

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 01-0047-06

中圖分類號(hào):U213．1+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．10

作者簡(jiǎn)介:杜曉燕( 1980—)，女，助理研究員，博士。

基金項(xiàng)目:中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題( 2014G003-A) ;中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金課題( 2015YJ038)

收稿日期:2015-11-09;修回日期: 2015-12-10