蘭新鐵路路基土凍脹特性試驗研究

馬紅絳，郭彥榮，楊有海

(蘭州交通大學 土木工程學院，蘭州 730000)

凍土是復雜的多相和多成分體系，固體土粒骨架、氣體、未凍水和冰是其基本組成，就是這些基本組成的差異，使凍土具有獨特的構造及物理力學性質，影響著路基凍脹和融沉。由凍土的凍結延續(xù)時間又可分為季節(jié)性凍土和多年性凍土兩大類。季節(jié)性凍土是指地表層冬季凍結，而在夏季又全部融化的土;多年凍土是指凍結狀態(tài)持續(xù)2年或者2年以上的土。凍土在我國非常發(fā)育，約占國土面積的75%，其中季節(jié)性凍土占53.5%。凍土地區(qū)的經濟開發(fā)和利用，在我國的經濟建設中占有重要的地位[1]。

蘭新鐵路東與隴海鐵路相連，西北和北疆鐵路相連，構成了“亞歐大陸橋”。因其位于季節(jié)性凍土區(qū)，不可避免地伴有路基凍害的發(fā)生，如在冬季路基發(fā)生不規(guī)則的凍脹，到了春季土體溫度升高，冰凍層融化，水分不能及時排出，引起道砟沉陷、翻漿冒泥等病害。又因其運營時間較長，路基基床內含水率過大，致使路基凍害逐年加重，凍害引起的不規(guī)則凍脹，導致線路幾何尺寸超標，列車行駛不平穩(wěn)，嚴重地制約著列車速度的提升。為了有針對性地防治凍脹，本文分別研究了不同含水率、壓實度下土體的凍脹特性，為防治凍脹提供理論依據(jù)。

1 室內凍脹試驗

1.1 蘭新線路基土基本物理性質

試驗所用土取自蘭新鐵路K411+200處，土壤呈黃色，土體疏松。試驗所取土樣按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB10102-2004)要求，進行了液塑限、顆粒分析和重型擊實等基本物理力學指標試驗，其試驗結果見表1、表2。

表1 土料基本物理性質指標

表2 顆粒分析試驗結果

由表1、表2可知，土體屬于粉質黏土，并且粒徑為0.050～0.005 mm的粉粒含量占到總質量的66.44%，<0.005的黏土顆粒含量為4.71%，粉黏粒含量為71.15%。在此粉黏粒含量下，土體的凍脹系數(shù)很大。因此，土體屬于凍脹性土體。發(fā)生凍脹時，會對路基造成很大危害。

1.2 凍脹試驗儀器設備及試驗步驟

凍脹標準試驗滿足兩個要求:單向凍結和控制降溫速度。所用到的主要儀器設備為凍脹儀，其主要部件為①試樣筒;②頂、底板;③恒溫箱;④溫度控制系統(tǒng);⑤溫度監(jiān)測系統(tǒng);⑥位移傳感器;⑦保溫材料;⑧補水裝置。

試驗步驟如下:

1)制備試樣。按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB10102-2004)規(guī)定制備試樣。高度為5 cm。

2)安裝試樣。將試樣緩慢裝入有機玻璃筒，上下面放薄型濾紙，防止土顆粒堵塞透水孔。然后將有機玻璃筒放進凍脹箱內的底板上，蓋上頂板，固定擰緊。再包裹上保溫材料。最后安放機械百分表，測土樣變形量。

3)安放補水系統(tǒng)。開放試驗時，將補水裝置的補水口與底板處的補水口相連，當凍脹溫度啟動時，打開開關給予補水。封閉試驗無此操作。

4)調節(jié)凍脹溫度?？刂祈敯鍦囟?，試樣以恒定的降溫速度(0.2℃/h)降至－15℃停止降溫，并保持恒定的底板溫度和箱體溫度直至凍脹停止。每隔1 h記錄變形量，試驗持續(xù)72 h。

5)測土樣含水率。試驗結束后，取出土樣，測土樣上中下層的含水率，以研究凍脹過程中水分的遷移規(guī)律。

1.3 凍脹機理及凍脹率計算

1.3.1 凍脹機理

由于負溫作用，路基開始凍結時，水分由下層向凍結鋒面集聚，形成冰晶體、冰夾層。隨著路基下部和路肩土體中水分向路基中部集聚，使路面下部形成較厚的聚冰層，致使路基土產生凍脹，使路面拱脹不平或產生裂縫[2]。

土體中的水分是決定凍脹的主要因素之一，土體中的水分在凍脹遷移過程中，如果考慮凍結期間有充足的地下水補給，則屬于開放系統(tǒng)下的凍脹。如果路基土體中水分的遷移沒有地下水補給，為封閉系統(tǒng)下的凍脹。地下水位距凍結鋒面的遠近直接關系到凍脹率的大小。

1.3.2 凍脹率

由《鐵路工程土工試驗規(guī)程》，室內凍脹試驗采用凍脹率來衡量凍脹的程度。其計算公式為[3]

式中 η——凍脹率，%;

Δh——凍脹量，cm;

H——產生Δh凍脹量時相應的凍土層厚度，室內凍脹試驗中采用試樣的高度，cm。

2 試驗結果分析

2.1 封閉系統(tǒng)下的凍脹試驗結果

表3給出了封閉系統(tǒng)下的凍脹試驗結果。

從表3可以看出，當含水率為 18%，壓實度為80%時，土體凍脹率達到1.13%，在實際的線路上將產生12～15 mm的凍脹量，對線路將造成一定的影響。隨著含水率的增加，凍脹率也相應增大，因此，為了防止凍脹對路基的破壞，保證行車安全，應將蘭新線路基土的初始含水率控制在18%以下。

圖1給出了壓實度為0.85時，不同含水率下凍脹率隨時間的變化曲線。在不同的含水率條件下，土體在初期凍結速率比較快，即曲線的斜率較大，隨后變小。這是因為在凍結開始階段，土體中發(fā)生凍脹的水分主要是自由水和毛細水，盡管溫度較低，但已達到發(fā)生凍結的溫度，液相的水變成固態(tài)的冰。隨后，土體表層弱結合水在抽吸力作用下，向凍結鋒面處移動。因水分在開始階段已經凍結完全，即使隨后階段溫度較開始溫度低，但水分已充分向上遷移，凍結已完全，凍脹量達到最大。

表3 不同含水率、不同壓實度下的凍脹率

圖1 不同含水率下凍脹率隨時間的變化曲線(D=0.85)

土體凍脹速率隨時間的變化同時反映了凍脹隨溫度的變化。在凍脹初期，土體上表面的溫度由1℃降至－2℃，由于溫度梯度的存在，水分發(fā)生大量的凍結及遷移，會產生較大的且快速的凍脹。隨后，到－8℃時，凍脹基本穩(wěn)定。

凍脹過程中出現(xiàn)凍縮現(xiàn)象。當土體中含水量較小時，土體中水分較少，液態(tài)水分凍結膨脹引起體積增量不足以填滿土的孔隙。此時，由于溫度降低，土體中固體顆粒發(fā)生遇冷體積收縮，表現(xiàn)為宏觀上的土體凍縮。

由圖1可見，含水率越大，凍脹量也隨之增大。在一定的凍結速度下，當土體的含水率超過起始凍脹含水率時，土體才發(fā)生凍脹。若土體中含水率較小，在負溫下其凍結后體積的增大不足以充滿孔隙的體積，則不會引起土體體積的增大，也不會發(fā)生凍脹。相反，一旦超過起始凍脹含水率，則水分結冰膨脹，推動土顆粒重新排列，結果增大了土中孔隙，從而引起土體體積膨脹。

圖2給出了含水率為22%時，不同壓實度下凍脹率隨時間的變化曲線。曲線顯示，不同壓實度下，凍脹率開始出現(xiàn)了一小段負值，之后馬上隨凍結時間的延長而增大。因土體中的水分剛開始的凍結速度比土體遇冷的凍縮速率要小，因此出現(xiàn)了負的凍脹，隨后土體水分不斷凍結，填充土體的孔隙，凍脹量隨之增加，直到穩(wěn)定。

圖2 不同壓實度下凍脹率隨時間的變化曲線(W=22%)

由圖2和表3可見，凍脹率隨土體的壓實程度增大而減小。因為土體的壓實度越大，土體就越密實，孔隙就越小，則水分發(fā)生遷移的通道就受到約束，因此凍脹率也就隨之降低。

2.2 開放系統(tǒng)下的凍脹試驗結果

表4 不同含水率、不同壓實度下凍脹率

由表4可見，由于有水分的補給，開放系統(tǒng)下的試驗所得凍脹率比封閉系統(tǒng)下的凍脹率有明顯的增加。

圖3給出了壓實度為0.85時，不同含水率下凍脹率隨時間的變化曲線。與封閉試驗結果相同，在不同含水率下初始凍結速度也較快。但對比圖3和圖1可見，開放試驗所得的凍脹率比封閉試驗凍脹率大得多。在一定范圍的溫度條件下，由于水分的不斷補給，凍脹逐漸向深層發(fā)展，凍脹率可以增大到封閉試驗土體凍脹率的8倍或9倍，由此可以看出，水分在土體凍脹中起到了非常重要的作用，因此，控制水分及其移動是解決凍脹的關鍵所在。

圖3 不同含水率下凍脹率隨時間的變化曲線(D=0.85)

圖4 不同壓實度下凍脹率隨時間的變化曲線(W=22%)

圖4給出了開放系統(tǒng)下，當含水率為22%時，不同壓實度下凍脹率隨時間的變化曲線。曲線顯示，在含水率相同的情況下，凍脹率隨著壓實度的增加而減小。

3 結論

1)蘭新線路基土中粒徑為0.05～0.005 mm的粉粒含量達66.44%，屬于凍脹性土。

2)封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)中，在相同壓實度條件下，凍脹率都隨含水率的增加而增大;在相同含水率條件下，凍脹率隨壓實度增大而減小。

3)在一定的凍結速度下，影響凍脹率的最重要因素是初始含水率。只有當含水率超過起始凍脹含水率時，土體才會發(fā)生凍脹，因此，應該將土體中的初始含水率控制在起始凍脹含水率以下。

4)土體中的水分是引起路基凍脹的主要因素。在開放系統(tǒng)下，凍脹率增加顯著，因此做好防排水是減小凍害的有效措施。

[1] 趙云龍.鐵路路基凍害及防治［M］.北京:中國鐵道出版社，1984.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10102—2004 鐵路工程土工試驗規(guī)程［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

[3] 李春滿.道路的病害與防治［J］.東北公路，1997，20(2):49-53.