【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 相同， 黏 性土的起始凍結(jié)溫度為 ℃ ～ ℃ ，較硬的黏 土為 2℃ ～ 5℃ ，中、粗砂約為 0℃ ～ 1℃ 。土體的凍脹溫度低于凍結(jié)溫度，隨著溫度的繼續(xù)下降，土中水分不斷凍結(jié)，未凍水減少，含冰量增加，土體的凍脹劇烈增長(zhǎng)，當(dāng)溫度下降到某一值后，土的體積凍脹開始 變得 緩慢，直至趨于平穩(wěn) ， 凍脹終止，此時(shí)的凍脹量則為土的最終凍脹量。 土體凍脹進(jìn)程中土的溫度包括起始凍脹溫度和凍脹穩(wěn)定溫度，一般情況 黏 土的凍脹穩(wěn)定溫度為 8℃ ～ 10℃ ，亞 黏 土為 3℃ ～ 5℃ ，砂土為 2℃ 左右。 試驗(yàn)表明，在相同 含水率 下，凍結(jié)速度緩慢的土層凍脹系數(shù)均大于凍結(jié)速度快的凍脹系數(shù)，在凍結(jié)緩慢的 土層中常常能見到較多的薄層冰透鏡體，這是由于水分 充分遷移的結(jié)果，如果氣溫驟然下降，下降得越低而凍結(jié)速率越快時(shí)，相應(yīng)的溫度梯度也越小，水分沒有時(shí)間充分的遷移，凍脹則小，反之，當(dāng)凍結(jié)負(fù)溫總量較大，且凍結(jié)速率緩慢時(shí)，溫度梯度較大，土中水分有較充分的時(shí)間遷移，引起的凍脹量也 就 大。 其它因素的影響 引起 路基土凍脹除上述 影響 因素外，還有外界壓力的影響、土體自重的影響，凍脹性土層層位的影響等。從理論上分析，路基的凍脹量除決定于土的凍結(jié)深度、干密度、容重、 含水率 和外界壓力外，還決定于凍土層的平均相對(duì) 含水率 、單位時(shí)間內(nèi)遷移的水量、綜合抽吸壓力、地下水位至地面 的距離、土層過濾系數(shù)、水凍結(jié)時(shí)的體積膨脹系數(shù)、凍結(jié)歷時(shí)等。 課題 主要工作內(nèi)容 針對(duì)季節(jié)性凍土路基施工中的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)，本課題 主要研究?jī)?nèi)容如下： （ 1） 路基填料室內(nèi)抗凍性試驗(yàn)。對(duì)路基填料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；對(duì)不同 含水率 、不同含泥量及不同壓實(shí)度下的路基填料的凍脹量進(jìn)行分析，找出 路基填料中摻入的細(xì) 料 的 塑性與凍脹性 的 關(guān)系；并對(duì)路基填料凍融試驗(yàn)前后強(qiáng)度變化進(jìn)行分析。 （ 2） 水泥改良土室內(nèi)試驗(yàn)研究。對(duì)不同水泥拌和比、不同壓實(shí)度、不同養(yǎng)護(hù)齡期，水泥改良土的物理力學(xué)試驗(yàn)分析，并進(jìn)行了水泥改良土室內(nèi)凍融試驗(yàn)。 10 （ 3） 路基填料現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。主要對(duì)地溫進(jìn)行測(cè)試，確定凍深；對(duì)路堤凍脹及融沉變形進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)路基壓力變化進(jìn)行觀測(cè) 。 （ 4） 通過數(shù)值分析，了解路基內(nèi)溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，闡述溫度對(duì)路基凍脹的影響作用，對(duì)現(xiàn)有路基進(jìn)行評(píng)價(jià)；分析路基在溫度等荷載作用下的變形，預(yù)測(cè)路基的變形。 （ 5） 對(duì)客運(yùn)專線路基的成套施工技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，重點(diǎn)介紹施工中的難點(diǎn)及解決方案，特別對(duì)路基抗凍脹融化措施和地基處理措施進(jìn)行分析。 針對(duì)在施工過程中， 經(jīng)過一個(gè)凍融循環(huán)后 如 何保證 施工 質(zhì)量開展研究，提出保證路基抗凍性能的技術(shù)措施。 關(guān)鍵技術(shù)路線 本 課題 應(yīng)用 性較強(qiáng)， 均為有 針對(duì)性地進(jìn)行試驗(yàn)、分析研究?？傮w技術(shù)路線為 ：搜集國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料 室內(nèi)試驗(yàn) 現(xiàn)場(chǎng) 試驗(yàn)研究 數(shù)值模擬 施工技術(shù)總結(jié) 綜合分析。 實(shí)施過程為 ： 收集與分析現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)資料； 在此基礎(chǔ)上制定詳盡的項(xiàng)目實(shí)施方案和室內(nèi)外試驗(yàn)計(jì)劃并實(shí)施 ；在室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析的基礎(chǔ)上優(yōu)選出試驗(yàn)工程方案并實(shí)施；進(jìn)行試驗(yàn)工程施工階段的數(shù)據(jù)觀測(cè)；同時(shí)進(jìn)行理論分析和數(shù)值 模擬 分析 ；進(jìn)行試驗(yàn)工程與模擬研究的對(duì)比分析 與預(yù)測(cè) ；進(jìn)行施工技術(shù)的總結(jié) 。 1. 室內(nèi)實(shí)驗(yàn) 對(duì)路基填料從微觀結(jié)構(gòu)到宏觀的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)分析研究。對(duì)路基A、 B 填料 的凍脹性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了含水率、溫度、土質(zhì)等與凍脹性的關(guān)系，找出規(guī)律，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)路基填料的填筑。同時(shí)對(duì)水泥改良土作為路基填料的性質(zhì)進(jìn)行分析。 2. 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究 依托工程為哈大客專 TJ3 標(biāo)段扶余車站路基段。選擇試驗(yàn)段面，埋設(shè)儀器，觀測(cè)負(fù)溫下路基的變形、路基的溫度變化、以及路基中應(yīng)力的變化等，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的施工質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。 3. 數(shù)值模擬 通過 數(shù)值模擬可以預(yù)測(cè)實(shí)體工程的 溫度變化 和變形 情況 。本課題主要 對(duì) 溫度11 變化 的邊界條件作用下的路基變形 進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期 通過數(shù)值模擬進(jìn)一步了解 凍土路基溫度場(chǎng)和路基變形的發(fā)展 。 4. 施工技術(shù)總結(jié) 對(duì)路基的施工技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)于路基施工中的關(guān)鍵技術(shù)，尤其是冬期施工所采取的防護(hù)措施和特殊工藝進(jìn)行介紹和分析。并對(duì)如何保證施工質(zhì)量進(jìn)行說明。 5. 綜合分析 全面綜合分析是對(duì) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究 、 室內(nèi) 試驗(yàn) 研究 成果和數(shù)值模擬成果 進(jìn)行對(duì)比、 總結(jié) 和歸納 。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng) 觀測(cè) 、室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)值模擬結(jié)果， 指導(dǎo)路基施工。 12 第 二 章 路基填料 室內(nèi) 試驗(yàn) 研究 對(duì)于東北地區(qū)的鐵路路基，冬季發(fā)生的凍害現(xiàn)象，一般是由于路基土性質(zhì)不同而引起的不均勻沉降，在線路上形成高低不平的各種類型凍包、單股側(cè)向凍起、雙股異向凍起等凍害現(xiàn)象， 最后由于路基土融凍回落，土中水份重新分配，造成路基翻漿冒泥、邊坡坍塌和路基下沉等路基病害。 由此 可以看出，作為路基土的填料的合理選擇是非常重要的，因此， 為了更好地了解路基凍脹的影響因素，在室內(nèi)進(jìn)行了路基填料的抗凍性試驗(yàn)研究。通過大量的室內(nèi) 試驗(yàn) 研究，找出各個(gè)可能因素對(duì)路基凍脹的影響規(guī)律， 合理選擇路基填料，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。 路基 工程 概述 工程地質(zhì) 本課題的 研究對(duì)象 哈大客運(yùn)專線 TJ3 標(biāo)段 ， 其中 路基 43 段， 長(zhǎng) 約 ，穿越重度季節(jié)性凍土區(qū)， 分別由中鐵十九局、中交二公局、中交四航局、 中交隧道 局、 路橋建設(shè)、中交一公局和中交二航局承擔(dān) 。 工點(diǎn)內(nèi)地層主要為：第四系全新統(tǒng)沖積黏 質(zhì) 黃土、中砂、粗 砂 ；底部基座為白堊系下統(tǒng)泥巖。 黏 質(zhì)黃土，呈層狀分布于二級(jí)階地地表，厚 ～ 5m，土質(zhì)較均勻，硬塑。Ⅱ 級(jí)普通土， 0～ ， σ0=80kPa， σ0 =110kPa，具中 高壓縮性； 中砂：呈層狀分布于黏質(zhì)黃土層下部，厚 ～ ，砂質(zhì)較均，主要成分為石英、長(zhǎng)石等，密實(shí)，潮濕 飽和， Ⅰ 級(jí)松土， σ0=300kPa； 泥巖夾砂巖：泥巖為主，夾有薄層砂巖。以黏土礦物為主，成巖較差，風(fēng)化產(chǎn)物為土狀，全 風(fēng)化 強(qiáng)風(fēng)化，厚 10～ 16m， Ⅲ 級(jí)硬土， σ0=300kPa。 工點(diǎn)范圍內(nèi)地層，黏質(zhì)黃土具凍脹性，泥巖具弱膨脹性。 水文地質(zhì) （ 1） 地表水 沿線河流較多，水位隨季節(jié)漲落，其他溝谷為季節(jié)性流水，主要接受大氣降水補(bǔ)給，低洼坑塘多存在季節(jié)性積水。 13 （ 2）地下水 沿線地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。 地下水位 1~20m，局部可達(dá) 30m。 氣象 沿線屬于溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)氣候。春季干旱多風(fēng)，夏季濕潤(rùn)多雨，秋季涼爽多早霜，冬季寒 冷而漫長(zhǎng) 。年平均氣 溫 ℃ ~℃ ，極端最 低溫度℃ ~℃ ，年平均降雨量 ~，最大積雪厚度 17~30cm，最大季節(jié)凍土深度 可達(dá) 2m以上 。 路基填料 根據(jù)設(shè)計(jì)文件， 路基基床 為無碴軌道 基床， 基床填筑的標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖 21 所示， 基床表層是級(jí)配碎石 ， 下 部 是 A、 B 料 和 改良土，填料填筑之前均在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)段的施工。 5 .0≥2m ≥2m1 3 .6 圖 21 基床填筑標(biāo)準(zhǔn)斷面 級(jí)配碎石層位于路基的最上層，直接承受鐵路軌枕傳來的荷載，并把荷載均勻傳遞到路基下承層，級(jí)配碎石 需具有一定的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性 ； 改良土用作填筑材料主要是考慮其造價(jià)低的特點(diǎn)，對(duì)于 A、 B 料緊缺的地區(qū)是較優(yōu)的選擇，但 經(jīng)過試驗(yàn)段試鋪后， 由于改良土 施工慢，難以滿足提前一年完工的工期要求，相比較 A、 B 料性價(jià)比要低。因此 后來 經(jīng)討論研究進(jìn)行了變更，路基填筑材料一致采用 A、 B 料。各個(gè)路基段根據(jù)實(shí)際位置選擇就近的料場(chǎng)采料 來 進(jìn)行填筑 ，主要 的 采料場(chǎng) 有 大頂山采石場(chǎng)、鐵貢山采石場(chǎng)、黃嶺子平安采石場(chǎng)、騰達(dá)采石場(chǎng)、吉林團(tuán)山、 景臺(tái)鎮(zhèn)放牛溝、伊通馬鞍山宏泰、九臺(tái)上家、九臺(tái)二道溝、玉泉石場(chǎng) 、吉林繁榮采石場(chǎng) 等 。 14 地基處理 根據(jù)不 同的地基土質(zhì)情況， 路基主體設(shè)計(jì)采用 強(qiáng)夯、 CFG 樁 、 PHC 樁 及水泥攪拌樁等 進(jìn)行 地 基處理， 復(fù)合 地基 樁頂鋪設(shè) 一定 厚 度 褥墊層 。 季凍區(qū) 路基填料 要求 對(duì)于 路基填料 ， 鐵路規(guī)范有明確的規(guī)定， 因此 哈大客運(yùn)專線路基不僅要滿足客運(yùn)專線的 路基填料 要求，還要符合季凍區(qū) 填料 抗凍性的要求，因此對(duì)于路基填料的選擇將更 為 嚴(yán)格。 《客運(yùn)專線鐵路路基工程施工技術(shù)指南》 （ TZ2122020） 中對(duì)于路基填料 明確作了如下 規(guī)定： 1. 基床以下路堤填料 （ 1） 基床以下路堤應(yīng)選用 A、 B 組填料和 C 組碎石類、礫石類填料。 （ 2） 當(dāng)選用 C 組細(xì)粒土填 料時(shí)，應(yīng)根據(jù)填料性質(zhì)進(jìn)行改良。 （ 3） 當(dāng)選用硬質(zhì)巖石及不易風(fēng)化的軟質(zhì)巖的碎石時(shí)，應(yīng)級(jí)配較好，塊石類填料的粒徑不得大于 15cm。 2. 基床底層填料 （ 1） 基床底層應(yīng)選用 A、 B 組填料或改良土。 （ 2） 碎石類作為基床底層填料時(shí)，應(yīng)級(jí)配良好，其粒徑不應(yīng)大于 10cm。 3. 基床表層填料應(yīng)采用級(jí)配碎石、級(jí)配砂礫石和瀝青混凝土。 4. 路堤填料中碎石最大粒徑不得大于 15cm，基床底層填料中碎石最大粒徑不得大于 10cm。 5. 路堤浸水部分應(yīng)采用水穩(wěn)性高的滲水性材料填筑，嚴(yán)禁填筑易風(fēng)化的軟巖石。 《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范 》（ TB100352020）中， 規(guī)定 季節(jié)性凍土凍脹分級(jí)中對(duì)于粉質(zhì) 黏 粒含量不大于 15%的粗粒土，平均凍脹率 η≤1%時(shí)屬于 I 級(jí)不凍脹土。 對(duì)于改良土，《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（ TB100012020）規(guī)定物理改良的 摻和料可采用砂、礫石、碎石等；化學(xué)改良的 摻和 料可采用水泥、石灰、粉煤灰等。其應(yīng)通過試驗(yàn)提出最佳 摻和 料、最佳配比以及改良后的強(qiáng)度等指標(biāo)。 15 主要采料場(chǎng) A、 B 填料的凍脹性能 以下是幾個(gè)主要采料場(chǎng) A、 B 填料的凍脹性能指標(biāo)，土料在室內(nèi)過 篩后按要求比例調(diào)制后作為試驗(yàn)土料。填料控制干密度按 d? = maxd? ， 含水率按最優(yōu) 含水率 w=wop。由于試料中含細(xì)粒土成分很少，凝聚性很差，故采用直接裝填壓實(shí)法制備試驗(yàn)樣品，進(jìn)行平行試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)果如表 21，可見三種 A、 B 填料的凍縮率和凍脹率都極微。 表 21 凍脹試驗(yàn)結(jié)果 填料編號(hào) 料源 地 控制干密度 控制 含水率 凍脹率 γd/（ g/cm3） w/% η/% 1 吉林團(tuán)山石場(chǎng) ～ 2 吉林九臺(tái)鑫源采石場(chǎng) ～ 3 哈爾濱繁榮采石場(chǎng) ～ 路基填料抗凍性 室內(nèi)試驗(yàn)研究 路基填料的 抗凍 性研究是本課題的重要 研究 內(nèi)容， 通過室內(nèi)抗凍脹性能的研究，找出影響因素和規(guī)律， 與目前的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)照， 探討標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性，以供 設(shè)計(jì)、施工參考。本次室內(nèi) 路基填料抗凍性研究主要包括兩部分內(nèi)容，一是 A、 B 填料的凍融強(qiáng)度損失，二是凍脹敏感性 （凍脹量） 。對(duì)于凍融強(qiáng)度試驗(yàn)，在專門的凍融箱內(nèi)進(jìn)行冰凍，溫度波動(dòng)度＜ 177。2 ℃ 。選用加利福尼亞承載比 CBR 值表征凍融強(qiáng)度。凍脹量試驗(yàn)，在恒溫箱內(nèi)試驗(yàn)，環(huán)境溫度變 幅＜ 177?！?，采用 Φ150mm土樣筒進(jìn)行試驗(yàn)，整個(gè)土樣處于半無限體表面單向凍結(jié)條件。 路基填料 基本性能指標(biāo) A、 B 料顆粒組成 試驗(yàn)的 A、 B填料 取自九臺(tái)鑫源料場(chǎng)，為一套巖石碎屑混合物。將其過 篩作為進(jìn)行凍融試驗(yàn)和凍脹性試驗(yàn)的基本材料。顆粒分析結(jié)果見表 22，定名為角礫，或進(jìn)一步定名為細(xì)（角）礫或中（角礫）礫，按建筑材料來說，應(yīng)定為碎16 石。 表 22 基本料顆粒組成 粒徑大小 /% 定名 20 (mm) 10 (mm) 5 (mm) 2 (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) 角礫 為了檢驗(yàn)填料的性質(zhì)， 對(duì) A、 B 填料的 細(xì)粒液塑限 進(jìn)行了試驗(yàn)， 塑性指數(shù) 為13～ 14，符合 10Ip≤17，屬于粉質(zhì) 黏 土。 A、 B 填料 微觀結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成 現(xiàn)場(chǎng)送 A、 B 填料中碎石由兩種巖石組成：以黑色輝石玄武巖為主，另混有少量黃色細(xì)晶閃長(zhǎng)巖。輝石玄武巖偏光鏡下圖像、詳細(xì)描述和鑒定結(jié)果見圖 22。 （ a） 1010 正交圖像 （ b） 1010 單偏光圖像 圖 22 輝石玄武巖圖像及說明 鏡下鑒定結(jié)果：巖石呈斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)呈間粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。 成分：斑晶由單斜輝石和斜長(zhǎng)石組成。粒度在 之間。 單斜輝石：粒狀、短柱狀，解理清楚。一級(jí)灰干涉色 — 二級(jí)蘭綠干涉色，斜消光， 8%177。 斜長(zhǎng)石：無色長(zhǎng)板狀晶體，可見清楚的聚片雙晶和卡 鈉聯(lián)合雙晶，分布較均勻， 3%。 基質(zhì)：由長(zhǎng)板狀的斜長(zhǎng)石呈定向 半定向排列，其中充填有細(xì)小的粒狀輝石均呈間粒結(jié)構(gòu)，兩者 含量：斜長(zhǎng)石 55%，輝石 34%。 副礦物：不透明的 金屬 礦物（磁鐵礦） 17 鑒定名稱：輝石玄武巖 取適量基本料研磨，然后進(jìn)行 黏 土礦物 x 射線衍射分析、陽離子交換量分析和自由膨脹率試驗(yàn)，結(jié)果見表 23。表中主要控制指標(biāo)滿足有關(guān)規(guī)程要求。 表 23 基本料礦化成分和自由膨脹率