交通运输]严寒地区客运专线路基防冻胀施工技术报告

交通运输]严寒地区客运专线路基防冻胀施工技术报告内容摘要：

相同， 黏 性土的起始冻结温度为 ℃ ～ ℃ ，较硬的黏 土为 2℃ ～ 5℃ ，中、粗砂约为 0℃ ～ 1℃。 土体的冻胀温度低于冻结温度，随着温度的继续下降，土中水分不断冻结，未冻水减少，含冰量增加，土体的冻胀剧烈增长，当温度下降到某一值后，土的体积冻胀开始 变得 缓慢，直至趋于平稳 ， 冻胀终止，此时的冻胀量则为土的最终冻胀量。 土体冻胀进程中土的温度包括起始冻胀温度和冻胀稳定温度，一般情况 黏 土的冻胀稳定温度为 8℃ ～ 10℃ ，亚 黏 土为 3℃ ～ 5℃ ，砂土为 2℃ 左右。 试验表明，在相同 含水率 下，冻结速度缓慢的土层冻胀系数均大于冻结速度快的冻胀系数，在冻结缓慢的 土层中常常能见到较多的薄层冰透镜体，这是由于水分 充分迁移的结果，如果气温骤然下降，下降得越低而冻结速率越快时，相应的温度梯度也越小，水分没有时间充分的迁移，冻胀则小，反之，当冻结负温总量较大，且冻结速率缓慢时，温度梯度较大，土中水分有较充分的时间迁移，引起的冻胀量也 就 大。 其它因素的影响 引起 路基土冻胀除上述 影响 因素外，还有外界压力的影响、土体自重的影响，冻胀性土层层位的影响等。 从理论上分析，路基的冻胀量除决定于土的冻结深度、干密度、容重、 含水率 和外界压力外，还决定于冻土层的平均相对 含水率 、单位时间内迁移的水量、综合抽吸压力、地下水位至地面 的距离、土层过滤系数、水冻结时的体积膨胀系数、冻结历时等。 课题 主要工作内容 针对季节性冻土路基施工中的关键技术和难点，本课题 主要研究内容如下： （ 1） 路基填料室内抗冻性试验。 对路基填料微观结构进行分析；对不同 含水率 、不同含泥量及不同压实度下的路基填料的冻胀量进行分析，找出 路基填料中掺入的细 料 的 塑性与冻胀性 的 关系；并对路基填料冻融试验前后强度变化进行分析。 （ 2） 水泥改良土室内试验研究。 对不同水泥拌和比、不同压实度、不同养护龄期，水泥改良土的物理力学试验分析，并进行了水泥改良土室内冻融试验。 10 （ 3） 路基填料现场试验。 主要对地温进行测试，确定冻深；对路堤冻胀及融沉变形进行观测，对路基压力变化进行观测。 （ 4） 通过数值分析，了解路基内温度场随时间的变化趋势，阐述温度对路基冻胀的影响作用，对现有路基进行评价；分析路基在温度等荷载作用下的变形，预测路基的变形。 （ 5） 对客运专线路基的成套施工技术进行总结，重点介绍施工中的难点及解决方案，特别对路基抗冻胀融化措施和地基处理措施进行分析。 针对在施工过程中， 经过一个冻融循环后 如 何保证 施工 质量开展研究，提出保证路基抗冻性能的技术措施。 关键技术路线 本 课题 应用 性较强， 均为有 针对性地进行试验、分析研究。 总体技术路线为 ：搜集国内外相关资料 室内试验 现场 试验研究 数值模拟 施工技术总结 综合分析。 实施过程为 ： 收集与分析现有国内外相关技术资料； 在此基础上制定详尽的项目实施方案和室内外试验计划并实施 ；在室内试验和理论分析的基础上优选出试验工程方案并实施；进行试验工程施工阶段的数据观测；同时进行理论分析和数值 模拟 分析 ；进行试验工程与模拟研究的对比分析 与预测 ；进行施工技术的总结。 1. 室内实验 对路基填料从微观结构到宏观的物理力学性质进行了详细分析研究。 对路基A、 B 填料 的冻胀性进行试验研究，分析了含水率、温度、土质等与冻胀性的关系，找出规律，指导现场路基填料的填筑。 同时对水泥改良土作为路基填料的性质进行分析。 2. 现场试验研究 依托工程为哈大客专 TJ3 标段扶余车站路基段。 选择试验段面，埋设仪器，观测负温下路基的变形、路基的温度变化、以及路基中应力的变化等，同时对现场的施工质量进行评价。 3. 数值模拟 通过 数值模拟可以预测实体工程的 温度变化 和变形 情况。 本课题主要 对 温度11 变化 的边界条件作用下的路基变形 进行预测，以期 通过数值模拟进一步了解 冻土路基温度场和路基变形的发展。 4. 施工技术总结 对路基的施工技术进行总结，对于路基施工中的关键技术，尤其是冬期施工所采取的防护措施和特殊工艺进行介绍和分析。 并对如何保证施工质量进行说明。 5. 综合分析 全面综合分析是对 现场试验研究 、 室内 试验 研究 成果和数值模拟成果 进行对比、 总结 和归纳。 根据现场 观测 、室内模型试验结果及数值模拟结果， 指导路基施工。 12 第 二 章 路基填料 室内 试验 研究 对于东北地区的铁路路基，冬季发生的冻害现象，一般是由于路基土性质不同而引起的不均匀沉降，在线路上形成高低不平的各种类型冻包、单股侧向冻起、双股异向冻起等冻害现象， 最后由于路基土融冻回落，土中水份重新分配，造成路基翻浆冒泥、边坡坍塌和路基下沉等路基病害。 由此 可以看出，作为路基土的填料的合理选择是非常重要的，因此， 为了更好地了解路基冻胀的影响因素，在室内进行了路基填料的抗冻性试验研究。 通过大量的室内 试验 研究，找出各个可能因素对路基冻胀的影响规律， 合理选择路基填料，指导现场施工。 路基 工程 概述 工程地质 本课题的 研究对象 哈大客运专线 TJ3 标段 ， 其中 路基 43 段， 长 约 ，穿越重度季节性冻土区， 分别由中铁十九局、中交二公局、中交四航局、 中交隧道 局、 路桥建设、中交一公局和中交二航局承担。 工点内地层主要为：第四系全新统冲积黏 质 黄土、中砂、粗 砂 ；底部基座为白垩系下统泥岩。 黏 质黄土，呈层状分布于二级阶地地表，厚 ～ 5m，土质较均匀，硬塑。 Ⅱ 级普通土， 0～ ， σ0=80kPa， σ0 =110kPa，具中 高压缩性； 中砂：呈层状分布于黏质黄土层下部，厚 ～ ，砂质较均，主要成分为石英、长石等，密实，潮湿 饱和， Ⅰ 级松土， σ0=300kPa； 泥岩夹砂岩：泥岩为主，夹有薄层砂岩。 以黏土矿物为主，成岩较差，风化产物为土状，全 风化 强风化，厚 10～ 16m， Ⅲ 级硬土， σ0=300kPa。 工点范围内地层，黏质黄土具冻胀性，泥岩具弱膨胀性。 水文地质 （ 1） 地表水 沿线河流较多，水位随季节涨落，其他沟谷为季节性流水，主要接受大气降水补给，低洼坑塘多存在季节性积水。 13 （ 2）地下水 沿线地下水主要为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。 地下水位 1~20m，局部可达 30m。 气象 沿线属于温带亚湿润季风区气候。 春季干旱多风，夏季湿润多雨，秋季凉爽多早霜，冬季寒 冷而漫长。 年平均气 温 ℃ ~℃ ，极端最 低温度℃ ~℃ ，年平均降雨量 ~，最大积雪厚度 17~30cm，最大季节冻土深度 可达 2m以上。 路基填料 根据设计文件， 路基基床 为无碴轨道 基床， 基床填筑的标准断面如图 21 所示， 基床表层是级配碎石 ， 下 部 是 A、 B 料 和 改良土，填料填筑之前均在现场进行了试验段的施工。 5 .0≥2m ≥2m1 3 .6 图 21 基床填筑标准断面 级配碎石层位于路基的最上层，直接承受铁路轨枕传来的荷载，并把荷载均匀传递到路基下承层，级配碎石 需具有一定的强度、刚度和稳定性 ； 改良土用作填筑材料主要是考虑其造价低的特点，对于 A、 B 料紧缺的地区是较优的选择，但 经过试验段试铺后， 由于改良土 施工慢，难以满足提前一年完工的工期要求，相比较 A、 B 料性价比要低。 因此 后来 经讨论研究进行了变更，路基填筑材料一致采用 A、 B 料。 各个路基段根据实际位置选择就近的料场采料 来 进行填筑 ，主要 的 采料场 有 大顶山采石场、铁贡山采石场、黄岭子平安采石场、腾达采石场、吉林团山、 景台镇放牛沟、伊通马鞍山宏泰、九台上家、九台二道沟、玉泉石场 、吉林繁荣采石场 等。 14 地基处理 根据不 同的地基土质情况， 路基主体设计采用 强夯、 CFG 桩 、 PHC 桩 及水泥搅拌桩等 进行 地 基处理， 复合 地基 桩顶铺设 一定 厚 度 褥垫层。 季冻区 路基填料 要求 对于 路基填料 ， 铁路规范有明确的规定， 因此 哈大客运专线路基不仅要满足客运专线的 路基填料 要求，还要符合季冻区 填料 抗冻性的要求，因此对于路基填料的选择将更 为 严格。 《客运专线铁路路基工程施工技术指南》 （ TZ2122020） 中对于路基填料 明确作了如下 规定： 1. 基床以下路堤填料 （ 1） 基床以下路堤应选用 A、 B 组填料和 C 组碎石类、砾石类填料。 （ 2） 当选用 C 组细粒土填 料时，应根据填料性质进行改良。 （ 3） 当选用硬质岩石及不易风化的软质岩的碎石时，应级配较好，块石类填料的粒径不得大于 15cm。 2. 基床底层填料 （ 1） 基床底层应选用 A、 B 组填料或改良土。 （ 2） 碎石类作为基床底层填料时，应级配良好，其粒径不应大于 10cm。 3. 基床表层填料应采用级配碎石、级配砂砾石和沥青混凝土。 4. 路堤填料中碎石最大粒径不得大于 15cm，基床底层填料中碎石最大粒径不得大于 10cm。 5. 路堤浸水部分应采用水稳性高的渗水性材料填筑，严禁填筑易风化的软岩石。 《铁路特殊路基设计规范 》（ TB100352020）中， 规定 季节性冻土冻胀分级中对于粉质 黏 粒含量不大于 15%的粗粒土，平均冻胀率 η≤1%时属于 I 级不冻胀土。 对于改良土，《铁路路基设计规范》（ TB100012020）规定物理改良的 掺和料可采用砂、砾石、碎石等；化学改良的 掺和 料可采用水泥、石灰、粉煤灰等。 其应通过试验提出最佳 掺和 料、最佳配比以及改良后的强度等指标。 15 主要采料场 A、 B 填料的冻胀性能 以下是几个主要采料场 A、 B 填料的冻胀性能指标，土料在室内过 筛后按要求比例调制后作为试验土料。 填料控制干密度按 d = maxd ， 含水率按最优 含水率 w=wop。 由于试料中含细粒土成分很少，凝聚性很差，故采用直接装填压实法制备试验样品，进行平行试验。 试验结果如表 21，可见三种 A、 B 填料的冻缩率和冻胀率都极微。 表 21 冻胀试验结果 填料编号 料源 地 控制干密度 控制 含水率 冻胀率 γd/（ g/cm3） w/% η/% 1 吉林团山石场 ～ 2 吉林九台鑫源采石场 ～ 3 哈尔滨繁荣采石场 ～ 路基填料抗冻性 室内试验研究 路基填料的 抗冻 性研究是本课题的重要 研究 内容， 通过室内抗冻胀性能的研究，找出影响因素和规律， 与目前的标准相对照， 探讨标准适应性，以供 设计、施工参考。 本次室内 路基填料抗冻性研究主要包括两部分内容，一是 A、 B 填料的冻融强度损失，二是冻胀敏感性 （冻胀量）。 对于冻融强度试验，在专门的冻融箱内进行冰冻，温度波动度＜ 177。 2 ℃。 选用加利福尼亚承载比 CBR 值表征冻融强度。 冻胀量试验，在恒温箱内试验，环境温度变 幅＜ 177。 ℃ ，采用 Φ150mm土样筒进行试验，整个土样处于半无限体表面单向冻结条件。 路基填料 基本性能指标 A、 B 料颗粒组成 试验的 A、 B填料 取自九台鑫源料场，为一套岩石碎屑混合物。 将其过 筛作为进行冻融试验和冻胀性试验的基本材料。 颗粒分析结果见表 22，定名为角砾，或进一步定名为细（角）砾或中（角砾）砾，按建筑材料来说，应定为碎16 石。 表 22 基本料颗粒组成 粒径大小 /% 定名 20 (mm) 10 (mm) 5 (mm) 2 (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) 角砾 为了检验填料的性质， 对 A、 B 填料的 细粒液塑限 进行了试验， 塑性指数 为13～ 14，符合 10Ip≤17，属于粉质 黏 土。 A、 B 填料 微观结构及化学组成 现场送 A、 B 填料中碎石由两种岩石组成：以黑色辉石玄武岩为主，另混有少量黄色细晶闪长岩。 辉石玄武岩偏光镜下图像、详细描述和鉴定结果见图 22。 （ a） 1010 正交图像 （ b） 1010 单偏光图像 图 22 辉石玄武岩图像及说明 镜下鉴定结果：岩石呈斑状结构，基质呈间粒结构，块状构造。 成分：斑晶由单斜辉石和斜长石组成。 粒度在 之间。 单斜辉石：粒状、短柱状，解理清楚。 一级灰干涉色 — 二级兰绿干涉色，斜消光， 8%177。 斜长石：无色长板状晶体，可见清楚的聚片双晶和卡 钠联合双晶，分布较均匀， 3%。 基质：由长板状的斜长石呈定向 半定向排列，其中充填有细小的粒状辉石均呈间粒结构，两者 含量：斜长石 55%，辉石 34%。 副矿物：不透明的 金属 矿物（磁铁矿） 17 鉴定名称：辉石玄武岩 取适量基本料研磨，然后进行 黏 土矿物 x 射线衍射分析、阳离子交换量分析和自由膨胀率试验，结果见表 23。 表中主要控制指标满足有关规程要求。 表 23 基本料矿化成分和自由膨胀率。