金 兰，程 佳，朱兆荣，唐彩梅

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081;2.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000)

改良粗颗粒填料在寒区高速铁路路基中的应用研究

金 兰1，程 佳2，朱兆荣2，唐彩梅2

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081;2.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000)

高速铁路路基填料选用传统意义上平均冻胀率η≤1%且级配良好的非冻胀填料，目前高速铁路路基在寒季产生的实际冻胀量已超过规范规定15 mm的要求。针对寒区高速铁路路基冻胀问题，从填料改良方面开展研究，针对路基产生冻胀的主要位置，选取级配碎石为对象，以水泥、石灰、粉煤灰作为掺和料进行改良。通过室内试验，分析加入无机材料后填料渗透性和冻胀性的变化，对比加入3种掺和料的填料冻胀率，选取一种改良效果最为理想的材料，作为寒区高速铁路路基改良材料。研究结果表明：水泥、石灰以及粉煤灰的加入大幅度减少了水分从路基表面向基床内部的渗透，其中粉煤灰吸水能力较强，因此产生了较大的冻胀量，不适宜作为改良材料；水泥改良填料冻结时水分迁移量减少，冻胀量最小，说明相对石灰和粉煤灰，水泥最适合加入到级配碎石中，减小路基冻胀量。

高速铁路；级配碎石；改良填料；冻胀

路基冻胀是指当填料降到孔隙水的冰点时，填料中的原有水分及外界向冻结锋面迁移的水分将会冻结成冰，使路基土体体积增大，从而导致路基顶面高程发生变化的现象[1]。导致路基产生冻胀的主要原因为水分渗入、填料内过量细颗粒以及温度条件。针对上述原因，目前高速铁路采用的控制路基冻胀的措施如路基填料控制、防排水措施及保温措施，在很大程度上缓解了寒区高速铁路路基的冻胀问题，但路基表面的水分通过路基结构缝、电缆槽以及纤维混凝土裂缝渗入到基床内部，引起粗颗粒填料冻胀。局部地段路基的冻胀量超出了高速铁路路基的允许变形量。根据哈大高速铁路路基冻胀的观测数据[2-4]，得出寒区高速铁路的冻胀特点及规律为：(1)路基冻胀具有普遍性以及分布具有随机性；(2)路堑地段的冻胀发生比率高于路堤地段；(3)路桥、路涵过渡段路基冻胀量小于一般路基；(4)路基的冻胀主要为基床表层冻胀。针对上述冻胀特点，本课题对填筑在表层的级配碎石加入无机材料(水泥、石灰、粉煤灰)进行渗透和冻胀特性改良，旨在从路基填料方面入手减少路基表面水分向基床内的渗透，将寒区高速铁路路基的冻胀量减小到规定允许变形量范围内。

随着高速铁路在寒冷地区的发展，无机改良填料在减小路基的冻胀和融沉方面的作用日趋显现。研究表明[5]：由于无机材料的加入，有效限制了土体内部的水分迁移，进而减小了土体的冻胀量，同时无机材料也使土颗粒间的结合力加大，抵抗破坏土颗粒骨架的能力提高，从而抑制土体融化时的沉降。本试验针对级配碎石(细颗粒粒径d≤0.075 mm含量为20%)加入水泥、石灰、粉煤灰进行改良，选择出一种针对改良级配碎石冻胀特性效果最理想的掺和料作为改良剂，减小高速铁路路基基床表层的冻胀量。

1 级配碎石及无机材料的技术指标

级配碎石 基床表层级配碎石的粒径级配符合《高速铁路设计规范》[6]要求，其粒径级配曲线如图1所示。

图1 级配碎石粒径级配曲线

级配碎石中掺入的细颗粒土的液限为24.90%，塑限为15.10%，塑性指数为9.8，因此为低液限粉土。

水泥、粉煤灰、石灰的基本性质见表1、表2。

表1 水泥基本性质指标

表2 粉煤灰基本性质指标

表3 石灰基本性质指标

为了研究水泥、石灰、粉煤灰对级配碎石的冻胀改良效果，分别向细颗粒土含量为20%的级配碎石中加入5%水泥、5%石灰、5%石灰+15%粉煤灰。对未改良和改良后的级配碎石进行室内试验，主要研究其渗透和冻胀特性的变化。

2 主要试验

试验按照《铁路工程土工试验规程》[7]的要求执行。

2.1 击实试验

在进行渗透试验和冻胀试验前，需要在冻胀试验前确定填料的最大干密度和最优含水率，即进行击实试验。根据填料的最大粒径选择击实试验的类型为重型击实，对于水泥改良填料，由于水泥的初凝时间较短，所以未加水泥的填料按预定的含水率加蒸馏水拌匀浸润1昼夜，保证水分均匀分布，在击实试验前向填料中加入所需的水泥拌匀。对于石灰和二灰改良填料，先将所需的石灰和粉煤灰加入填料中，按一定的含水率加入蒸馏水，拌匀密封，浸润1昼夜后进行击实试验。以干密度为纵坐标，含水率为横坐标，绘制干密度与含水率的关系曲线，曲线上峰值点的纵横坐标分别表示该击实试样的最大干密度和最优含水率。

2.2 界限含水率试验

界限含水率试验针对粒径d≤0.075 mm的细颗粒土，其结果可以反映土粒之间的连结强度随着含水率高低而变化的性质。本文采用液、塑限联合测定法。在以含水率为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标的双对数坐标系上，下沉深度为2 mm所对应的含水率为塑限，下沉深度17 mm所对应的含水率为液限。

2.3 渗透试验

由于土体颗粒之间存在孔隙，水在重力作用下由高处向低处透过土体的孔隙流动，土体可被水透过的性质称为土的渗透性。衡量土体渗透性能的指标称为渗透系数，其物理意义为单位水力坡降时的渗流速度。渗透系数是综合反映土体渗透性能的指标，可由现场试验、室内试验和经验值确定。

根据达西定律

式中Q——时间t内渗透水量，cm3；

t——渗透时间，s；

k——砂土渗透系数，cm/s；

A——试样面积，cm2；

h——测压管水头差，cm；

L——试样长度即渗径，cm。

寒区高速铁路路基冻胀主要发生在基床内，而基床内的水分来自地表水从路基表面的缝隙和路堑边坡表面的渗入，如果经过改良后的级配碎石渗透能力降低，将有效减少渗入到路基基床内部的水分，从而减小路基的冻胀。通过渗透室内试验，确定改良后填料的渗透性，作为判断改性填料冻胀性的依据之一。由于未改良前的粗颗粒填料渗透系数较大，因而采用常水头法，掺入无机材料后的改良填料采用变水头法，变水头法根据即击实试验确定的最大干密度和最优含水率，按改良填料的最优含水率和0.85的压实度将填料填入到渗透仪的环刀中，为防止试样水分流失，将试样上下面盖好玻璃片放入保湿缸中，养护3 d后进行变水头渗透试验。

2.4 毛细管水上升高度试验

土的毛细管水上升高度是水在土孔隙中因毛细管作用而上升的最大高度。本试验的目的是测定土的毛细管水上升高度和速度，用于估计地下水位升高时路基被浸湿的可能性和浸湿的程度。通过直接观测法测定改良前和加入石灰、粉煤灰后的级配碎石的毛细管水上升高度，由于冻胀试验的补水系统是从试样的底部供水，因此毛细管水上升高度可以作为试样冻胀量大小的依据之一。

2.5 冻胀试验(图2)

土体的冻胀是当土体冻结时，土体孔隙中原有的部分水结冰体积膨胀以及未冻水向冻结锋面迁移、聚集并冻结，使土体的体积产生不同程度增大的现象。衡量土体冻胀变形的基本特征值是冻胀量，即土体冻后体积与冻前体积之差，当土体冻结侧向不发生变形时，常以土体冻后高度与冻前高度之差作为冻胀量。在实际应用中，由于不同地区的地质、气候条件不同，土体的冻结深度不同，冻胀量相差很大，仅用冻胀量值很难比较不同地区土体冻胀性的强弱，因此常采用冻胀量与冻结深度的比值作为土体冻胀变形的特征值，即冻胀率η，以百分数计算。

式中 Δh——冻胀量，mm；

Hf——冻结深度(不包含冻胀量)，mm。

根据击实试验结果，改良填料和未改良填料的最优含水率在6%～7%，统一规定各组冻胀试样以7%含水率、0.95压实度、在开放补水的条件下进行冻胀试验。制备试样时，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%含水率加入蒸馏水，密封浸润24 h；对于水泥改良填料，将未改良的填料按7%含水率加入蒸馏水，密封浸润24 h后，再加入水泥，装入有机玻璃筒中，养生7 d后进行冻胀试验。

将冷浴起始温度调整为-2 ℃，以0.2 ℃/h的速度下调温度。为与自然条件下冻结环境相似，使试样从上到下冻结。每隔1 h记录百分表的读数和试样土温，试验持续72 h，若72 h后试样底面温度未达到0 ℃以下，则需继续进行试验直到试样底面温度达到0 ℃以下。试验结束后，取出试样，测定试验各层土体的含水率。

图2 安装好的冻胀试样

3 试验结果分析

3.1 击实特性

表4是根据击实试验得出的级配碎石改良前后的最大干密度和最优含水率。

表4 改良前后级配碎石击实试验结果

从击实试验结果可以看出，加入水泥、石灰以及粉煤灰的改良后级配碎石的最大干密度减小，其中掺入5%石灰+15%粉煤灰的改良填料的最大干密度的最小；改良填料的最优含水率除了水泥改良后略有减小外，其他改良填料均增大，掺入5%石灰+15%粉煤灰后的级配碎石的最优含水率增大幅度明显。可见，无机材料对级配碎石的击实特性改良效果明显。由于无机材料的加入，改变了填料的土体结构，黏土颗粒形成了较大的团粒结构，而无机材料与土中水分反应，消耗了土体中的部分水分，这种变化导致了填料击实特性的变化。

3.2 渗透特性

经过常水头和变水头的渗透试验，结果如表5所示。

表5 改良前后级配碎石渗透试验结果

从表5可以看出，改良后级配碎石的渗透系数大幅度降低。目前高速铁路路基采用的纤维混凝土等封闭路基的措施，很难将水分隔绝在路基本体外，而改良后级配碎石渗透系数减小，将有效阻止大气降水向路基内的渗透，降低了路基内部填料的含水率，有利于防止路基冻胀现象的发生。

3.3 毛细管水上升高度

毛细管水上升高度试验结果为级配碎石毛细管水上升高度为31 cm，加入石灰为56 cm，加入石灰和粉煤灰大于100 cm，从试验结果来看，加入石灰和粉煤灰后级配碎石的毛细管水上升高度均有增加，其中5%石灰+15%粉煤灰试样毛细管水高度超过了1 m，且产生了2 cm的沉陷。

3.4 冻胀特性

本试验在无荷载、温度变化和水分一定条件下，研究土体本身对冻胀的影响，表6为冻胀试验结果。

表6 改良前后级配碎石冻胀试验结果

从冻胀试验结果可以看出，细颗粒土含量为20%的级配碎石属于Ⅱ级弱冻胀，经过水泥和石灰改良后冻胀量减小，以水泥改良冻胀效果最为理想，冻胀率在0.1%以内，属于Ⅰ级不冻胀。《高速铁路设计规范》中规定，基床表层厚度为0.4 m，由试验的冻胀率可知水泥改良的级配碎石层的冻胀量为0.4 mm，大幅度减小了产生在基床表层的冻胀量；而加入5%石灰+15%粉煤灰的改良级配碎石的冻胀率增大较多，已达到Ⅳ级强冻胀等级，根据毛细管水上升高度试验，证明粉煤灰的毛细管水上升高度较大，吸水能力强，导致经过石灰和粉煤灰改良的填料冻胀量较大，不适宜用在寒区高速铁路路基中。

4 结论

(1)由于无机材料的加入改变了土体原有结构和水分结合的方式，细颗粒形成较大的团粒结构，导致改良后的级配碎石的击实特性发生变化，即最大干密度减小，而最优含水率有增大趋势。

(2)填料渗透性作为控制路基冻胀的影响因素，由于级配碎石的渗透系数较大，路基表面渗入的水分以及表层下部的隔水层使基床表层的含水率增加，因此基床表层产生冻胀。经过改良后的级配碎石的渗透系数大幅度减小，减少了水分的渗入，从控制水分方面抑制冻胀。

(3)水泥和石灰改良填料的冻胀率明显减小，其中水泥改良级配碎石冻胀特性效果最为理想，可以将产生在基床表层的冻胀量控制在1 mm以内，远远小于规范中规定的路基变形量在15 mm内的要求，适宜用作寒区高速铁路填料。粉煤灰吸水能力强，冻胀率较大，不适宜用于级配碎石的冻胀特性改良。

[1]杜兆成，孙瑛琳，等.季节性冻土区路基土的冻胀特性分析[J].长春工程学院学报：自然科学版，2006(2)：17-20.

[2]铁道第三勘察设计院集团有限公司.哈大高铁线路冻胀情况及防治措施分析研究阶段报告[R].天津：铁道第三勘察设计院集团有限公司，2013.

[3]中铁第一勘察设计院集团有限公司.哈大高铁线路冻胀情况分析及防治措施研究报告[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2013.

[4]哈大铁路客运专线有限责任公司.哈大高速铁路路基冻胀情况研究报告[R].沈阳：哈大铁路客运专线有限责任公司，2012.

[5]肖伟.季节冻土区高速铁路路基温度场及保温措施研究[D].北京：北京交通大学，2014.

[6]中华人民共和国铁道部.TB10621—2009高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[7]中华人民共和国铁道部.TB10102—2010铁路工程土工试验规程[S].北京：中国铁道出版社，2011.

[8]张先军.哈大高速铁路路基冻胀规律及影响因素分析[J].铁道标准设计，2013(7)：8-12.

[9]王天亮，岳祖润.细粒含量对粗粒土冻胀特性影响的试验研究[J].岩土力学，2013(2)：359-364.

[10]石刚强，王珣.哈大铁路客运专线路基填料冻胀性试验研究[J].铁道建筑，2011(10)：61-63.

[11]刘焕强，张敏，冯瑞玲.客专铁路路基A、B组填料冻胀性浅析[J].铁道工程学报，2010(11)：23-26.

[12]叶阳升，王仲锦，程爱君.路基的填料冻胀分类及防冻层设置[J].中国铁道科学，2007(1)：1-7.

[13]赵青海，梁波，马学宁.高速铁路石灰改良路基填料试验研究[J].铁道科学与工程学报，2005(6):53-57.

[14]刘华，牛富俊.季节冻土区高速铁路路基填料及防冻层设置研究[J].岩石力学与工程学报，2011(12):2549-2557.

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

中铁西北科学研究院有限公司创新课题(K2014009)

金 兰(1989—)，女，硕士研究生，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