【正文】 試樣起始凍脹 含水率 見(jiàn)表 212。 說(shuō)明即使是粗顆粒土，當(dāng)其 含水率 達(dá)到一定值時(shí)，亦會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)可觀的凍脹量。 試樣過(guò)程中，當(dāng)位移讀數(shù)出現(xiàn)峰值或穩(wěn)定值以后，再繼續(xù)觀測(cè)幾小時(shí)即可結(jié)束試驗(yàn)。不能全部滲入時(shí)，反算實(shí)際 含水率 。 （ 5）變形測(cè)量：使用百分表讀數(shù)或采用 FX331S4 差動(dòng)變壓器式位移傳感器及顯示儀表讀數(shù)。本次由于試料顆粒粗大，故沒(méi)有插入測(cè)溫元件測(cè)溫。由白鋼板夾保溫材料制成的箱體、小型制冷壓縮機(jī)、小燈泡、電風(fēng)扇和控制箱及面板組成。因此，影像資料，特別是立體鏡照片，只具有定性上和概念理解上的作用。 7. 凍后試樣表面光滑程度變化 試樣進(jìn)行 凍前和凍后表面狀況 對(duì)比 ，見(jiàn)圖 216，可以 看出凍后表面比凍前更加粗糙，留下了冰凍物理侵蝕作用的痕跡。 2 號(hào)和 3 號(hào)筒試樣高度隨循環(huán)數(shù)變化見(jiàn)圖 215。 0501001502002503000 2 4 6 8 10NCBR凍前凍后0501001502002503000 2 4 6 8 10NCBR凍前凍后 （ a） w=8% (b)w=9% 圖 213 凍融循環(huán)數(shù)對(duì)凍后 CBR 值影響 27 考慮到：（ 1）凍后 CBR 隨 N 增加而減少幅度不大，還是在高位上；（ 2）經(jīng)濟(jì)因素；（ 3）老式慢法低標(biāo)號(hào)混凝土采用 N=25， 但冰凍時(shí)間為 4h，而本試驗(yàn)為16 小 時(shí)，換算一下與 5 循環(huán)接近； （ 4） 正如上述，有的文獻(xiàn)提出二灰碎石凍融試驗(yàn)采用 5 循環(huán)；（ 5）更主要地是本試驗(yàn)材料為一種典型松散材料，沒(méi)有無(wú)機(jī)結(jié)合料 （水泥或其他活性成分）。因此本試驗(yàn)研究主要采用 20℃ 進(jìn)行填料在不同 含水率 、不同壓實(shí)度、不同細(xì)粒土質(zhì)類型及摻量條件的凍融試驗(yàn)是合理的。 表 29 冰凍溫度影響試驗(yàn)基本數(shù)據(jù) 試樣編號(hào) 溫度 含水率 飽和度 干密度 壓實(shí)度 凍前 凍后 t/℃ w/% Sr γd/(g/cm3) Kd CBR 平均 CBR 平均 19（ 113） 10 306 314 299 110（ 114） 10 306 284 25 111（ 115） 10 203 208 184 127 138 138 112（ 116） 10 161 164 135 150 117（ 121） 30 218 225 224 209 225 198 118（ 122） 30 227 227 175 182 119（ 123） 30 184 191 189 109 130 119 120（ 124） 30 183 199 91 147 注：表中括號(hào)內(nèi)編號(hào)為凍前試驗(yàn)編號(hào)。眾所周知，對(duì)于松散粗?；旌喜牧蟻?lái)說(shuō)，粒間摩擦是強(qiáng)度的主要來(lái)源。 表 27 CBRwKd線性回歸 土料編號(hào) 狀態(tài) 線性回歸方程 N m R2 F 顯著性 23 1 凍前 CBR= + 8 2 F=＞F(2,5)= 顯著 凍后 CBR= ++ 8 2 F=＞F(2,5)= 顯著 2 凍前 CBR= + 8 2 F=＞F(2,5)= 顯著 凍后 CBR= + 8 2 F=＞F(2,5)= 顯著 5 凍前 CBR= + 7 2 F=＞F(2,4)= 顯著 凍后 CBR= + 7 2 F=＞F(2,4)= 顯著 4試驗(yàn)料 由于在高密度低 含水率 時(shí) CBR 反應(yīng)極大，得不到任何 CBR 值 ,因此 做荷載 位移曲線，同樣 可 看出凍后強(qiáng)度衰減趨勢(shì)及 含水率 影響。 1. 含水率 、干密度 影響 基本數(shù)據(jù)見(jiàn)表 26。對(duì)上述 5 種試驗(yàn)材料均進(jìn)行了該條件下的試驗(yàn)，以便研究 含水率 、干密度、摻土類型及摻量多少等因素的影響及變化規(guī)律。 本試驗(yàn)，無(wú)論是凍前還是凍后均取 和 的平均值作為代表值CBR 進(jìn)行分析比較。雙百分表觀測(cè)變形。主要由應(yīng)變式壓力機(jī)、貫入柱、百分表和荷載測(cè)量裝置組成 ，見(jiàn) 圖 27。常規(guī) CBR 試驗(yàn)采用 分層裝填擊實(shí)法，本試驗(yàn)采用分層裝填壓實(shí)法。新加工的試樣筒尺寸同 CBR 擊實(shí)筒，內(nèi)徑 Φ152mm， 高度120mm。2 ℃ 。 試驗(yàn)儀器設(shè)備和方法要求 本試驗(yàn)需要的儀器設(shè)備主要有凍融試驗(yàn)箱、試樣筒、制樣設(shè)備和貫入試驗(yàn)裝置等。由于粗碎屑土的特性以及細(xì)粒土摻量比較少，決定了 最大干密 度 γdmax和 最佳 含水率 wop僅在很窄的范圍內(nèi)波動(dòng)。采自現(xiàn)場(chǎng)的土料經(jīng)風(fēng)干、搗碎（或粉碎）、調(diào)制和過(guò) ，進(jìn)行基本物理指標(biāo)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表 24 和圖 23。 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%。粒度在 之間。 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。 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。2 ℃ 。 試驗(yàn)結(jié)果如表 21，可見(jiàn)三種 A、 B 填料的凍縮率和凍脹率都極微。其應(yīng)通過(guò)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)。 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。 （ 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。 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 。 路基填料 根據(jù)設(shè)計(jì)文件， 路基基床 為無(wú)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。 地下水位 1~20m，局部可達(dá) 30m。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。 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) 。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。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(guò)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 。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?？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。 （ 4） 通過(guò)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。 （ 2） 水泥改良土室內(nèi)試驗(yàn)研究。 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。 冬季氣溫下降到 0℃ 以下時(shí)，土中的水分并未凍結(jié)，由于土的凍結(jié)溫度受土9 中水的含量、顆粒組成、礦物成分、孔隙水中鹽分濃度的影響，不同土的起始凍結(jié)溫度和凍結(jié)過(guò)程均不相同， 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℃ 。為了工程的需要，有學(xué)者提出了 “ 安全凍脹 含水率 ” 這一概念，即該 含水率 所引起的凍脹對(duì)建筑物不會(huì)發(fā)生危害。由此，在凍土區(qū)筑路，壓實(shí)密度嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行非常重要。隨著鹽溶液濃度的增加，土的凍脹量減小，當(dāng)鹽溶液濃度達(dá)到一定量后，土體凍脹性就變得很小。 黏 性土中所含不同礦物的凍脹強(qiáng)度順序?yàn)椋?蒙脫 土 粉質(zhì)土 砂 黏 土 黏 砂土 高嶺 土 。 細(xì)粒土的土性一般 與 塑性指數(shù) Ip 相關(guān) ，塑性指數(shù)的大小與土的顆粒組成、礦物成分以及土中水離子的成分和濃度等因素有關(guān)，凍脹率隨 Ip 值的增加而增大，但當(dāng) Ip10 后，土中的水分遷移能力開(kāi)始下降，凍脹性反而減小。但當(dāng)粗顆粒中夾有一定的細(xì)粒就會(huì)改變其凍脹性質(zhì)。 影響凍脹的主要因素 一般 來(lái)說(shuō)， 影響土的凍脹因素主要有適宜的土質(zhì)、足夠的負(fù)溫總量和土 中 水源補(bǔ)給，其中，適宜的土質(zhì)是內(nèi)因，負(fù)溫和水分是外因，當(dāng)三個(gè)條件都具備時(shí)，路基就不可避免 地 發(fā)生凍脹 。因此，即使在凍土段內(nèi)，由于冰晶排擠土顆粒作用，土顆粒仍受到擠壓而增加了團(tuán)聚性。凍土中的未凍水與負(fù)溫保持動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，由于凍土中未凍水勢(shì)能比未凍上中水的勢(shì)能小很多，所以就產(chǎn)生了未凍土中水向凍結(jié)峰面遷移的現(xiàn)象，由此產(chǎn)生了吸水和脫水。每階段都是一直到土的結(jié)構(gòu)、散熱速率、向上遷移的土中水分子流 速 和限制壓力之間平衡遭到破壞時(shí)，冰透鏡體的生長(zhǎng)停止，凍結(jié)線向前延伸，這樣，凍結(jié)過(guò)程便形成凍土中冰透鏡體成層分布的規(guī)律。 當(dāng)冰晶分凝作用遠(yuǎn)比土顆粒的薄膜水向凍結(jié)峰面遷移大時(shí)，導(dǎo)致下臥有效水分補(bǔ)給區(qū)的土體 含水率 減小，凍結(jié)線前緣的土體產(chǎn)生收縮。 土中水凍結(jié)成冰過(guò)程 當(dāng) 溫度降至土體凍結(jié)溫度以下時(shí)，土體結(jié)晶中心形成并開(kāi)始凍結(jié)形成冰晶。 5 土中水分遷移 雖然早在 1885 年俄國(guó)工程師斯圖金伯格就提出了凍土水分遷移假說(shuō)，但直到二十世紀(jì)初人們才開(kāi)始重視水分遷移機(jī)理的研究。 路基土體的凍脹可分為原位凍脹和分凝凍脹。張魯新通過(guò)青藏高原多年凍土區(qū)氣象資料統(tǒng)計(jì)分析預(yù)測(cè)了多年凍土區(qū)地溫場(chǎng)變化規(guī)律和高原多年凍土的發(fā)展趨勢(shì)，及其對(duì)鐵路工程的影響，提出了相應(yīng)的工程措施。 1956 年辛德奎等在整理以往東北地區(qū)凍土調(diào)查資料基礎(chǔ)上發(fā)表 了 “ 中國(guó)東北地區(qū)多年凍土的分布 ” 一文，這是我國(guó)第一份關(guān)于東北多年凍土分布特征的總結(jié)。 20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)，北極 海洋石油大量開(kāi)發(fā)，開(kāi)始了北極海岸和海底凍土研究， 70 年代 以后隨著寒區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和區(qū)域開(kāi)發(fā)的深入，開(kāi)始研究以工程結(jié)構(gòu)物為主體，以凍土環(huán)境為影響因子，分析和研究工程與凍土環(huán)境間相互作用關(guān)系并確保工程建筑物的穩(wěn)定性。二戰(zhàn)之前，北美在多年凍土地區(qū) (Alaska 以及加拿大的 Yukon Territory)開(kāi) 采金礦， 進(jìn)行了一些與道路工程相關(guān)的季節(jié)凍土研究。 1917 年后，凍土研究進(jìn)入有計(jì)劃有目的研究階段，成立了凍土研究機(jī)構(gòu)，前蘇聯(lián)在凍土力學(xué)、凍土溫度場(chǎng)計(jì)算等理論分析方面有其 獨(dú)到的見(jiàn)解，對(duì)凍土 研究有很大的借鑒作用。 19 世紀(jì)上半葉，已初步獲得西伯利亞凍土層的溫度、厚度、埋藏條件和分布情況等資料。 凍土工程 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 人類對(duì)凍土的認(rèn)識(shí) 與 研究伴隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。 TJ3 標(biāo)段中的 路基段穿越 深 季凍區(qū)， 因此， 消除凍脹危害是路基設(shè)計(jì)施工重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。 因此，在此背景下提出了本課題的研究。哈大鐵路客運(yùn)專線是目前國(guó)內(nèi)開(kāi)工建設(shè)的時(shí)速最高的鐵路之一，線下技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是按 350km/h 修建的，設(shè)計(jì)開(kāi)通速度為 250km/h。 近年來(lái) 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、旅游業(yè)和國(guó)防建設(shè)的發(fā)展，以及 大力發(fā)展基礎(chǔ)建設(shè) 戰(zhàn)略的全面實(shí)施，國(guó)家加大了對(duì)鐵路、公路建設(shè)的投資 。 無(wú)論是季節(jié)性凍土還是多年凍土，表層都存在著一層冬凍夏融的凍結(jié) — 融化層 ，作為 路基 的凍融層，在 凍融過(guò)程中 會(huì)引起 土 體性質(zhì)的變化 ， 發(fā)生 路基變形、裂縫等 現(xiàn)象 ，嚴(yán)重影響著鐵路行車安全和運(yùn)輸效率。i 嚴(yán)寒地區(qū)客運(yùn)專線路基防凍脹施工技術(shù)報(bào)告 中交股份哈大鐵路客運(yùn)專線工程指揮部 港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2020 年 5 月 ii 目 錄 第一章 緒論 ........................................................................................... 1 研究的背景及目的 .......................................................................................... 1 凍土工程國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .............................................................................. 2 路基凍脹機(jī)理 .................................................................................................. 4 影響凍脹的主要因素 ...................................................................................... 6 課題主要工作內(nèi)容 ..................