严寒地区铁路路基防冻胀改良土封闭层控制标准研究

时间：2024-07-28

温立光曾帅张守超张栋

1.包满铁路有限责任公司，呼和浩特010050；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081；3.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600

在我国北方严寒地区修建高速铁路，当地的防冻胀填料较少。考虑到经济环保的要求，亟须进行填料改良研究。采用单纯掺加水泥、石灰的改良土填筑的路基，经受列车动荷载、大气降雨和温度的作用后，会出现开裂、剥落等病害，对路基防渗、防冻胀等功能及长期稳定性造成较大影响，尤其是基床上部［1］。

土壤经过改良后抗压强度和抗剪强度会显著提高，在道路基层及以下部位填筑和构筑物地基处理中改良土应用广泛。由于铁路对路基变形控制要求较为严格，改良土发展初期在铁路上应用比较少。自20世纪70年代以来，美国、日本等国家逐步在铁路路基填料中推广使用改良土，通过在实际应用中对出现的问题进行改进和总结，获得了大量成功经验［2］。《德国铁路工程设计规范汇编》（DS836）提出对于粉砂和黏性土等不良路基填料，可以通过加入水泥、石灰粉、石灰浆等进行改良［3］。中国从铁路第6次大提速开始，对路基的技术要求不断提高，路基填料改良研究随之展开，并获得了大量成果［4-5］。

对于在基床表层填料中掺加综合改良剂提高其强度及防冻胀性能，目前尚未开展过研究。本文对防冻胀改良土用于基床表层填料时的控制指标进行探讨，通过室内试验研究防冻胀耐久性好的改良土方法和配方，并进行现场试验。结合包满铁路巴满（巴音花—满都拉）试验段探讨路基基床表层改良土防冻胀封闭层结构控制标准，为严寒地区高速铁路建设提供技术储备。

1 防冻胀改良土路基填料控制标准

美国PCA（Portland Cement Association，美国波特兰水泥协会）标准（1992年）和美国陆军工程兵团（United States Army Corps of Engineers，USACE）技术手册用12个干湿（冻融）循环的质量损失率作为改良土耐久性的控制标准［6-7］。美国垦务局（United States Bureau of Reclamation，USBR）《大坝水泥土护坡设计准则》（1986年）还规定了水泥土7 d最低抗压强度为4 MPa，28 d最低抗压强度为6 MPa。日本在改良土性能控制上以单轴抗压强度作为控制指标，要求单轴抗压强度达到基床表面列车荷载的5倍以上。德国规定，固化土在性能检测范围内，28 d稳定后强度达到6 MPa。

中国铁路系统通过强度和耐久性两项指标来控制改良土的性能，对于严寒地区高速铁路路基冻结深度范围内的填料要求更加严格，须控制级配、抗冻性、渗透性。TB 10621—2014《高速铁路设计规范》要求：严寒地区改良土用于基床底层时，7 d饱和无侧限抗压强度大于等于550 kPa；耐久性标准以5次干湿循环和冻融循环后强度的损失率来控制，无论是用质量损失率还是用强度损失率作为控制指标，其损失后的路基强度都不应低于标准设计强度。

各国对高速铁路路基防冻胀要求与高速铁路运营速度以及气候环境有关。俄罗斯、中国、德国、日本对高速铁路路基在基床表层填料防冻胀要求基本相当。俄罗斯对基床底层填料的防冻胀要求没有中国、德国、日本严格，见表1。

表1 各国防冻胀填料标准

对于防冻胀改良土填料应用于路基基床表层的控制指标及标准目前尚无明确的论述。本文结合国内外现状，提出防冻胀改良土用于基床表层的控制标准——由冻胀率、渗透性、12次冻融循环后的无侧限抗压强度3项指标组成，并通过冻胀试验、渗透试验和饱和冻融无侧限抗压强度试验进行了验证。

1.1 冻胀率

文献［8］发现封闭系统条件下，冻胀率随含水率及细颗粒含量的增加而增大。对于冻结深度较大的严寒地区，文献［9］提出将冻胀率作为防冻胀标准的主要控制指标，冻融循环作用下的无侧限抗压强度作为次要指标评价耐久性。

根据轨道维修标准，轨面落差4 mm时需要维修，冻结深度放大系数取1.3，则对应的最大冻胀率η=0.004∕（1.3h），h为冻结深度。

通过查阅相关资料可知，我国东北地区冻结深度为1.5～3.0 m，计算得到最大冻胀率为0.001～0.002。

1.2 渗透性

冷景岩等［10］通过哈齐（哈尔滨—齐齐哈尔）客运专线现场试验研究了路基填料的渗透性能，确定了A、B组填料的细颗粒含量和渗透系数控制指标。

基床表层Ⅰ型级配碎石渗透系数应小于1×10-6m∕s，改良土封闭层防渗功能不应低于Ⅰ型级配碎石，即其渗透系数应小于1×10-6m∕s。

1.3 无侧限抗压强度

取标准活载20 t，双线客货共线动力冲击系数0.003，设计速度200 km∕h，道砟层厚0.35 m，道砟层模量300 MPa。结合有限元数值模拟和弹性半无限空间体内布辛尼斯克公式［11］，计算得出此工况下路基面最大正应力P为0.15 MPa。作用于路基面的应力由道砟层施加，因此作用在基床表层填料上的道砟压入强度取0.15 MPa。道砟颗粒间平均接触力由道砟压入强度除以道砟孔隙率μ得到，根据统计数据［12］，μ取0.3。考虑到长期循环荷载作用下的动力稳定性，参考混凝土疲劳强度折减系数的取值［13］，改良土疲劳强度折减系数λ取0.6。安全系数α取1.2，则此工况下作用于基床表层填料的抗压强度σ计算公式为σλ≥（P∕μ）α，得到σ≥1 MPa。

根据TB 10001—2016《铁路路基设计规范》，化学改良土考虑冻融循环作用，7 d饱和无侧限抗压强度大于等于700 kPa。

对细粒含量23.78%的粉砂养生7 d，进行饱和冻融循环、非饱和冻融循环试验。当水泥含量在8%以上或掺加改良剂时水泥含量在5%以上时，12次冻融循环后无侧限抗压强度大于1.5 MPa，试件的质量损失率符合要求（不超过5%），外观良好。

综上，取12次冻融循环后无侧限抗压强度不小于1.5 MPa作为改良土填料用于基床表层的控制标准。

2 防冻胀改良土封闭层试验研究

2.1 室内试验

2.1.1 冻胀试验

浸水24 h后细粒含量23.78%的粉砂试件质量变化见表2。试件经过6次反复冻胀试验，得到冻融次数与冻胀率的关系，见图1。可知：没有掺加复合改良剂的试件，从第3次冻融后就开始出现比较明显的冻胀，而同样配比掺加复合改良剂的试件从始至终都没有发生显著的冻胀；掺加复合改良剂的试件，多次冻融循环后冻胀率均在0.1%以下，可见，复合改良剂可以有效降低粉砂试件冻胀率。

表2 浸水24 h后冻胀试件质量变化

图1 不同改良方式时细粒含量23.78%的粉砂冻胀率

2.1.2 渗透试验

采用素土、掺加5%水泥、掺加5%复合改良剂对细粒含量23.78%粉砂开展渗透试验［14］，结果见图2。

图2 粉砂及其改良土的渗透系数（养生28 d）

由图2可知：与素土相比，掺加复合改良剂的粉砂渗透系数降低了30%左右。由于复合改良剂对降低土体渗透性效果明显，在设计中可以通过掺加复合改良剂来形成封闭层结构。

2.1.3 无侧限抗压强度试验

浸水冻融循环后饱和试件7 d无侧限抗压强度见图3。可知：在整个浸水饱和冻融循环过程中，掺加改良剂的试件强度显著高于只掺加水泥的试件；在8次浸水冻融循环后，掺加复合改良剂的试件强度依然呈增长趋势，而掺加水泥的试件则出现降低趋势或增长不明显；掺加8%的水泥能将试件的无侧限抗压强度控制在1.5 MPa以上。可见，复合改良剂能显著提高试件的无侧限抗压强度。

图3 饱和试件7 d无侧限抗压强度

2.2 现场试验

本文提出的利用抗冻胀的土壤复合改良剂制成的基床表层除了满足高速铁路路基要求的防渗、抗裂、防冻胀功能外，所述基床表层、基床底层所组成的路基基床结构还满足强度和变形的要求，保证其在列车荷载、降水、干湿循环、冻融循环等因素影响下具有长期稳定性，使寒冷地区的高速铁路路基不发生冻胀，满足轨道平顺性要求。

包满铁路巴满段路基长20.543 km。沿线可用填料主要为细沙、粉砂、中砂及粗砂。由于线路位于季节性冻土区，整个填料细粒含量控制在5%以下非常困难，有必要进行改良，减少冻胀，保证基床稳定。在冬季前安装监测设备，对其进行含水率、冻胀量等监测，通过现场监测结果评估改良土封闭层的防冻防水效果。

根据室内试验结果，在包满铁路满都拉车站附近修筑试验段，监测经过一个冬夏的冻融循环的路基变形。施工前将改良剂与水泥按比例充分搅拌混合，形成复合改良剂，路基填料改良土的生产工艺采用场拌法施工。为了检测复合改良剂的抗冻性能，采用地温度、位移监控传感器进行实时监测，再经过无线网络传入到监测室内。施工完毕后，从路基路床表层上钻挖3个直径50 mm、深3 300 mm的孔，预埋PVC管。其中一个为地温观测点，其他两个是冻胀变形观测点，里面装入传感器，如图4所示。

图4 冻胀平面布置示意（单位：mm）

不同监测点的竖向位移变化曲线见图5。可知，改良土基床表层呈现先冻缩后增长、最后趋于平稳的变化趋势，最大竖向位移发生在2018年2月19日，为-1.27 mm，然后缓慢恢复到0，几乎没有发生冻胀。可见，冻胀率在允许范围内，填料改良后的基床表层抗冻胀效果明显。

图5 不同监测点的竖向位移变化曲线