武汉地铁运营有限公司 湖北武汉 430030
摘要：寒冷地区的轨道线路路基在冬季会发生不同程度的冻胀问题，严重影响着线路的安全、快速运营。根据调查分析，路基冻胀产生的主要区域为基床表层范围为内的级配碎石。采用注浆的方法对基床表层级配碎石进行改良，分析级配碎石注浆前后的渗透性、在冻融循环作用下的冻胀性、在冻融循环及干湿循环作用下的稳定性。结果表明：级配碎石注浆后，其含水率与吸水率均较小，且渗透系数会发生显著降低；注浆后的级配碎石，其冻胀率随着冻融循环次数的增加而逐渐增加，最大冻胀率为0.25%。经过20次冻融循环次数后，其冻胀率逐渐趋于稳定；随着冻融循环及干湿循环次数的增加，改良后试样的无侧限抗压强度逐渐降低。经过20次冻融循环或20次干湿循环作用后，试样的无侧限抗压强度基本保持不变。结论：注浆能够改善级配碎石渗透性及冻胀性；同时，经注浆后的级配碎在冻融循环及干湿循环作用下的稳定性良好。通过注浆试验论证了注浆改良级配碎石冻胀的可行性。
关键词：基床表层；级配碎石；注浆；冻胀；冻融循环；干湿循环
Study on Geotechnical Properties of Improved Graded Gravel in Surface Layer of Subgrade of Ballastless Track Line
LIU Yuan, FAN Hao，LI Qun
Wnhan Metro Operation Co., LTD., Wuhan 430030
Abstract: The geotechnical properties of the improved graded gravel in subgrade of ballastless track line in cold regions is analyzed in this research. The permeability coefficient, frost heave in freezing-thaw cycles, and the stability in freezing-thaw cycles and dry-wet cycles of graded gravel was studied by grouting. The results indicated that the moisture content and water absorption of graded gravel after improved was very low, and the permeability coefficient deceased significantly as well; The frost heave ratio increased with the increasing of freezing-thaw cycles, and the maximum frost heave ratio is 0.25%. The frost heave ratio of improved graded gravel teds to unchanged in 20 freezing-thaw cycles; With the increasing of freezing-thaw cycles and dry-wet cycles, the unconfined compression strength of samples reduced by grouting, and the unconfined compression strength tends to stabilized in 20 freezing-thaw cycles and 10 dry-wet cycles. Conclusion: The permeability and frost heaved of graded g ravel was improved by grouting. The stabilized graded gravel samples containing slurry exhibited high resistance to the freezing-thaw effects and dry-wet cycles.
Keywords: Ballastless track line; Graded gravel; Grouting; Frost heave; Freeezing-thaw cycles; Drying-wet cycles
在我国的北方地区，冬季气温寒冷，极端温度低于-20℃，寒冷地区无砟轨道线路路基路基地段，在冬季会发生了不同情况的冻胀问题。路基在冬季发生冻胀，使路基产生不均匀变形，引起路面、竖向、横向的开裂及在春季时承载力的丧失(Seppala 1999)[1]；在春季，路基开始解冻，上层土体开始融化，下部仍处于冻结状态，未融化的土层起到隔水层的作用，路基在列车荷载反复作用下容易翻浆，严重影响着轨道线路的安全运营。根据现场观测及调查分析，路基的90%冻胀量产生于路基表层范围。作为路基表层的主要组成部分，基床表层范围内的级配碎石所产生的冻胀是路基发生冻胀的主要原因。因此，研究无砟轨道线路路基级配碎石的冻胀问题具有重要意义。
级配碎石中的水分是影响其冻胀的最重要因素之一。同水分相比，注浆浆液与级配碎石粒料之间具有更好的亲和力。在负压为-0.08MPa条件下，进行级配碎石注浆，浆液填充在粒料的孔隙中，粒料中吸附的结合水被排出，级配碎石的含水率减少。待浆液凝固后，浆液与级配碎石形成固态整体，包裹住细粒料，能减弱细粒料与水分的作用；同时，浆液与级配碎石形成密实整体，能防止地表水下渗到基床表层。
目前，一些学者主要研究冻融循环作用对改良土的力学性能及渗透性的影响，而对于级配碎石注浆改良后工程性质影响的研究较少。2007年，Yarbasi等[2]通过试验得出使用废料来作为添加剂能够提高集料在冻融循环作用下的耐久性。2009年，Kalkan[3]表明含有硅粉作为稳定剂能够显著降低冻融循环作用对试样的无侧限抗压强度和渗透性的影响。2010年，Liu等[4]研究冻融循环作用对经水泥和石灰改良的粘土动力学性能的影响，得出改良后的土体同改良前比较表现出更好的性能，改良后土体的力学性能会发生显著改变。2011年，胡志权等[5]研究在冻融作用下二灰黄土的强度特征，经养护后的二灰黄土具有较好的冻融稳定性。
本文以严寒地区的无砟轨道线路路基为研究背景，主要研究级配碎石在注浆改良后的渗透性及冻胀性；同时，分析在冻融循环作用及干湿循环作用下，级配碎石注浆改良后的稳定性，从而为研究寒冷地区无砟轨道线路路基的防冻胀措施方面提供一定的参考。
1 材料及方法
1. 1 级配碎石
试验选取的级配碎石为新鲜的和微风化的，颗粒为块状，棱角尖锐的硬质砂岩。自然状态下的级配碎石级配曲线见图1，X衍射结果如表1。
表1 级配碎石的X衍射结果
Table 1 XRD pattern of graded gravel
1. 2 注浆材料
注浆材料的主要成份及配合比为A液∶胶粉∶B液∶305∶C粉∶催化剂=100∶5∶3∶1∶3∶0.5。注浆材料的技术指标见表3：
表2 改性注浆液的技术指标
Table 3 Technical index of grouting material
1. 3 制样
在试验要求的含水率（3%）条件下，将风干的试料混合均匀后压实到试验所需的高度。待制样完成后，按照计算好的浆液量，将浆液从试样底部通过注浆管缓慢注入到试样内。将注浆改良后的试样进行扫描，结果如图2。由图2可得：注浆改良后，粒料与浆液的最大间隙为2um，且浆液与粒料之间粘结较好。
图1 自然状态下级配碎石的级配曲线
Fig. 1 Grain-size distribution curve of graded gravel in natural condition
图2 注浆改良后试样的扫描图
Fig. 2 The scanning image of sample after grouting
2 试验研究及分析
2. 1 注浆改良后试样的含水率及吸水性
试样尺寸为Φ100mm×100mm。将注浆改良后的试样烘干，测其含水率ω1。同时，将干燥后的试样浸水饱和，时间为7d，并测饱和后试样的吸水率ω2。试验结果如下表：
表3 注浆改良后试样的含水率与吸水率
Table 3 The moisture content and water absorption of samples after improved
由表4可得：级配碎石注浆改良后，其含水率由3%下降到0.21%，含水率发生显著降低；同时，经改良后试样的吸水率为0.31%，其吸水性较弱。级配碎石试样经注浆改良后，其内部的结合水被排出，试样内部的含水率显著降低；同时，浆液填充在试样的孔隙中，试样的内部孔隙微弱，因而其吸水性较小。
2. 2 注浆改良前后的渗透性
试验采用的为70常水头渗透仪，金属桶尺寸为Φ320mm×355mm。按照《铁路工程土工试验规程》TB10102-2010[6]分别在。不同孔隙比条件下进行渗透试验。将级配碎石的孔隙比与渗透系数的对数进行线性拟合，试验结果如图3。
级配碎石的孔隙比与渗透系数的对数线性拟合的关系式为：n=0.504+0.143lgk20，相关系数为0.88，相关性良好。
将注浆改良的级配碎石试样进行渗透试验，测得改良后试样的渗透系数为1.410×10-10cm/s。选取路基现场级配碎石的孔隙率为17%，经计算可得其渗透系数k20=8.09×10-3cm/s。同改良前级配碎石的渗透系数相比较，试样经过注浆改良后，渗透系数由8.09×10-3cm/s下降到1.410×10-10cm/s，其渗透系数显著降低。
图3 级配碎石的孔隙比与渗透系数的关系图
Fig. 3 The relationship between void ratio and permeability coefficient
级配碎石经注浆改良后，浆液填充在粒料的孔隙中，级配碎石的孔隙率会显著降低，改良后的试样的渗透系数会显著减少。级配碎石改良后，其密实性好，能够起到防止地表水下渗到基床表层中，从而能降低级配碎石中的含水量。
2. 3 冻融循环作用下级配碎石冻胀性
冻胀试验用来测定在冻融循环作用下级配碎石注浆改良后的冻胀率。试样尺寸为直径Φ156mm×110mm，每组至少三个试样。试样的冷冻温度为-20℃，冷冻时间为24h。待试样冷冻完成，将试样放入+20℃密闭的环境中融化，融化时间为24h，如此为一次冻融循环。级配碎石注浆改良后，在不同冻融循环次数下的试验结果如图4。冻胀率计算公式如下：
式中：η—试样的冻胀率；Δh—试样的高度变化，mm；H—试样的原始高度（110mm）。
由图4可得：随着冻融循环次数的增加，试样的冻胀率逐渐增加，最大冻胀率为0.25%。其中，当冻融循环次数超过20次后，试样的冻胀率变化很小，基本保持不变。
图4 冻融循环作用下的冻胀试验
Fig. 4 Effects of grouting on the frost heave in freezing-thaw cycles
土体温度下降到0℃以下，土体内水分结冰，体积膨胀，形成的冰晶体会挤压周围的土体，破坏土体结构；随着温度升高，冰晶体开始融化，土体发生融沉。由于该土体为密实土，冻融循环作用下，土体的孔隙比增加，体积增长（Viklander 1998 和齐吉琳 2005）[7-8]。密实的土体，在冻融循环作用下，土体的冻胀和融沉过程并不是完全可逆的，且其冻胀量会大于融沉量，土体的冻胀会呈现增加的趋势。随着冻融循环次数的增加，土体的结构逐渐趋于稳定，其冻胀量会基本保持不变。
级配碎石注浆改良后，土体中孔隙显著减少，含水率较低，其冻胀率较小。同时，浆液填充在粒料之间，起到缓冲剂的作用，冻融循环作用下对土体结构破坏较小。随着循环次数的增加到20次，改良试样的结构逐渐趋于稳定，其冻胀率基本保持不变。
2. 4 对无侧限抗压强度的影响
无侧限抗压强度试验用来测定级配碎石改良后无侧限抗压强度。试验采用万能压力式试验机，按照《铁路工程土工试验规程》TB10102-2010[6]进行试样的无侧限抗压强度试验。试样尺寸为Φ100mm×100mm，每组三个试样，试样的变形速率为1mm/min。
2. 4. 1 冻融循环对无侧限抗压强度的影响
冻融试验采用是NDR-TF型砼快速冻融试验机。改良的级配碎石按照按照《铁路工程土工试验规程》TB10102-2010[9]进行冻融试验。试样的冷冻温度-20℃，冷冻时间为4h。待试样冷冻完成，将试样解冻，融化温度为30℃，时间为4h。分别在经过一定的冻融循环次数后，测定试样的无侧限抗压强度。级配碎石注浆改良后，在不同冻融循环次数下的无侧限抗压强度结果如图5。
图5 冻融循环作用下的无侧限抗压强度试验
Fig. 5 Effects of freezing-thaw cycles on unconfined compression strength
由图5可得：试样的无侧限抗压强度随着冻融循环次数的增加而逐渐减少，在经过20次冻融循环后，其无侧限抗压强度由3.61MPa下降到2.40MPa。随着冻融循环次数增加至20次，试样的无侧限抗压强度基本保持不变。
级配碎石中的水分遇冷结冰，体积膨胀（约9%），并挤压周围的土颗粒，引起土颗粒之间相互移动，其内部的孔隙率增加。试样融化时，级配碎石会发生融沉，试样中未冻含水量增加，水分在粒料间起到润滑剂的作用，土颗粒间会再次发生移动。随着冻融循环次数的增加，这种破坏作用会逐渐累积，级配碎石的无侧限抗压强度会逐渐减少。在冻融循环作用下，土体的无侧限抗压强度的减少归结于粒料的重新排列及结构的破坏(Kalkan 2009)[3]。而级配碎石注浆后，注浆材料包裹住细粒料，显著降低了粒料与水分的作用；同时，注浆材料凝固后，具有一定的弹性，在土体中的水分结冰挤压土体时能起到缓冲的作用。因此，在经过20次冻融循环作用后，改良后的级配碎石的无侧限抗压强度逐渐趋于稳定。
2. 4. 2 干湿循环作用对级配碎石改良后的影响
将注浆制后的试样在室温下完全浸入水中24h，然后将试样放在干燥的室温环境下干燥24h，如此为一次干湿循环。分别在试样经过一定的干湿循环后，进行试样的无侧限抗压强度试验。注浆改良后的级配碎石，在不同的干湿循环次数下的其无侧限抗压强度结果如图6。
由图6可得：随着干湿循环次数的增加，试样的无侧限抗压强度逐渐减少。经过10次干湿循环作用后，试样的无侧限抗压强度由3.61MPa下降到2.61MPa。随着干湿循环次数的继续增加，试样的无侧限抗压强度变化很小，基本保持不变。
土体完全浸入水中，其湿度增大，水分的进入造成土粒间结合水膜变厚，土体骨架膨胀，胶结物溶解引起部分土颗粒发生移动，原有结构破坏形成新的结构；土体干燥时，土样含水率降低，土体骨架收缩，土体结构再次受到扰动，土体的结构遭到破坏[9]。随着干湿循环次数的增加，土体的结构不断受到破坏，土体强度降低。
注浆改良后，级配碎石的孔隙会发生显著降低，进入试样内的水分较少，降低了水分对级配碎石结构的侵蚀作用；同时细粒料被浆液包裹住，注浆材料作为稳定剂，能显著降低粒料与水分的交互作用。级配碎石经改良后，在20次干湿循环作用下的无侧限抗压强度基本不变。
图6 干湿循环作用下的无侧限抗压强度试验
Fig. 6 Effects of dry-wet cycles on unconfined compression strength
3 结论
通过对级配碎石注浆改良后渗透性、冻胀性、冻融循环及干湿循环作用下的稳定性进行研究，主要结论如下：
(1)注浆改良后，浆液与粒料之间的间隙小，且粘结状况良好。同时，级配碎石经注浆改良后，其含水率很小，吸水性微弱。
(2)同自然状态下级配碎石相比较，改良后试样的渗透系数会发生显著降低。注浆改良后的级配碎石能起到改良渗透性及防止地表水下渗的作用。
(3)改良后的级配碎石的冻胀率随着冻融循环次数的增加而增加，当冻融循环次数增加到20次，其冻胀率逐渐趋于稳定。
(4)在冻融循环及干湿循环作用下，试样的无侧限抗压强度会逐渐减少。经过20次冻融循环作用后，试样的无侧限抗压强度逐渐稳定；经过20次干湿循环作用后，试样的强度基本保持不变。注浆改良后，浆液作为稳定剂能够提高级配碎石在冻融循环及干湿循环作用下的耐久性。
参考文献
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[3]Kalkan, E. Effects of silica fume on the geotechnical properties of fine-grained soils exposed to freeze and thaw[J]. Cold Regions Science and Technology. 2009, 58 (3): 130-135.
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论文作者:刘源,范浩,李群
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/10/1
标签：试样论文; 碎石论文; 抗压强度论文; 注浆论文; 干湿论文; 浆液论文; 孔隙论文; 《基层建设》2018年第23期论文;