CN111189875B - 高速铁路路基基床级配碎石填料的最大冻胀率测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速铁路路基基床级配碎石填料的最大冻胀率测试方法，其步骤是：A、通过土工试验，获得高速铁路路基基床级配碎石填料的干密度ρd、持水率w、细颗粒含量fc；其中，所述的细颗粒为粒径<0.075mm的石粉；B、根据历年地温监测资料，确定高速铁路路基基床级配碎石填料土层最冷月份的平均温度T；C、由步骤A的细颗粒含量fc、干密度ρd、持水率w和步骤B的最冷月份的平均温度T，通过冻胀率的计算公式，计算得出高速铁路路基基床级配碎石填料在封闭系统中的最大冻胀率η。该方法操作简单方便、测试时间短，测试成本低，能为级配碎石填料的细颗粒含量控制、填筑压实指标确定、防排水措施完善等提供可靠的、有效的最大冻胀率测试依据。

Description

高速铁路路基基床级配碎石填料的最大冻胀率测试方法
技术领域
本发明涉及一种高速铁路路基基床级配碎石填料的最大冻胀率测试方法。
背景技术
高速铁路是一种速度快、舒适性好、节能环保的交通方式，深受人们喜爱，建设高速铁路已经成为各国发展铁路事业的共同趋势。我国作为冻土面积仅次于俄罗斯、加拿大的国家，在深冷季节性冻土地区修筑、运营着大量高速铁路，高速铁路的路基因冷冻产生膨胀，导致路基变形的冻胀问题，严重影响高速铁路运行的舒适性和安全性。控制路基冻胀变形已经成为保障高速铁路稳定、安全运行的关键。
根据现场实测，基床表层的冻结是高速铁路路基冻胀变形的主要来源。为控制冻胀变形，我国提出寒区高速铁路路基冻胀变形<4～5mm的防冻要求。级配碎石作为路基基床表层的主要填料，确定其在低温环境下的最大冻胀变形对铁路路基的设计、制造和维护具有重要意义。
现有技术中，基床级配碎石填料的冻胀程度通常以一维冻胀率表征，一维冻胀率是基床级配碎石填料的垂向冻胀量与冻结深度的百分比。基床级配碎石填料的冻胀率通常采用封闭系统一维冻胀试验进行测试，即：制备基床级配碎石填料试样，在实验室对试样进行恒温处理和冻结处理，在冻结阶段测量试样不同高度处的土体温度T和试样冻胀量Δh，计算得出试样冻结深度Hf和基床级配碎石冻胀率η；当试样的含水率等于持水率时，试样含水量最大，得到的冻胀率即为级配碎石在相应温度下的最大冻胀率(此时，基床的冻胀变形最大)，最大冻胀率能为铁路路基的设计、制造和维护提供试验依据。其存在的问题是：每次测试均需要进行至少48小时的恒温和冻结处理，测试时间长；恒温和冻结设备造价高、能耗大，测试成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速铁路路基基床级配碎石填料的最大冻胀率测试方法，该方法操作简单方便、测试时间短，测试成本低，能为级配碎石填料的细颗粒含量控制、填筑压实指标确定、防排水措施完善等提供可靠的、有效的最大冻胀率测试依据。本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种高速铁路路基基床级配碎石填料的最大冻胀率测试方法，其步骤是：
A、通过土工试验，获得高速铁路路基基床级配碎石填料的干密度ρd、持水率w、细颗粒含量fc；其中，所述的细颗粒为粒径<0.075mm的石粉；细颗粒含量fc和持水率w为百分比含量，干密度ρd的单位为g/cm3；
B、根据历年地温监测资料，确定高速铁路路基基床级配碎石填料土层最冷月份的平均温度T；平均温度T的单位为℃；
C、由步骤A的细颗粒含量fc、干密度ρd、持水率w和步骤B的最冷月份的平均温度T，计算得出高速铁路路基基床级配碎石填料在封闭系统中的最大冻胀率η，
η＝[(-11.022fc+0.13433T+2.36077)ρd 2+(50.933fc-0.62075T-10.90904)ρd+0.237w-58.718fc+0.71627T+12.58006]×100％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、申请人通过分析和试验发现，对细颗粒为石粉的级配碎石填料，影响其冻胀率的主要因素为：含水率、细颗粒含量、干密度、冷端温度，而其他因素对冻胀率的影响可以忽略；并通过大量冻胀试验数据的反复分析、测算，得出了基床级配碎石填料的冻胀率与四个影响因素的关系式：
η＝[(-11.022fc+0.13433T+2.36077)ρd 2+(50.933fc-0.62075T-10.90904)ρd+0.237w-58.718fc+0.71627T+12.58006]×100％，由于持水率为级配碎石填料在自然状态下的最大含水率，且含水率与冻胀率成正相关，因此，只需测出级配碎石填料的持水率、细颗粒含量、干密度、冷端温度，即可算出级配碎石填料的最大冻胀率，而不用每次都进行冻胀试验，大大简化了测量操作，缩小了测量时间和能耗，大幅降低了测量成本。
二、本发明方法的最大冻胀率计算值与四个影响因素的复相关系数高达98.9％，其测试精度高、可靠性好；其测试数据和进行冻胀试验得到的数据进行验证，本发明方法的相对误差仅为3.67％。测试结果能为级配碎石填料的细颗粒含量控制、填筑压实指标确定、防排水措施完善等提供可靠的、有效的最大冻胀率测试依据。
进一步，本发明的步骤A中通过土工试验，获得高速铁路路基基床级配碎石填料的持水率w的具体方法为：采用真空饱和法对级配碎石填料的土样进行12h以上的水饱和；取出土样，使其在重力作用下排水24h；然后测得土样的质量；再将土样烘干，测得干土样的质量，再由土样的质量与干土样的质量之差，除以干土样的质量，即得。
这种方法测出的持水率误差小，精度高。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
本发明的一种具体实施方式是，一种高速铁路路基基床级配碎石填料的最大冻胀率测试方法，其步骤是：
A、通过土工试验，获得高速铁路路基基床级配碎石填料的干密度ρd、持水率w、细颗粒含量fc；其中，所述的细颗粒为粒径<0.075mm的石粉；细颗粒含量fc和持水率w为百分比含量，干密度ρd的单位为g/cm3；
B、根据历年地温监测资料，确定高速铁路路基基床级配碎石填料土层最冷月份的平均温度T；平均温度T的单位为℃；
C、由步骤A的细颗粒含量fc、干密度ρd、持水率w和步骤B的最冷月份的平均温度T，计算得出高速铁路路基基床级配碎石填料在封闭系统中的最大冻胀率η，
η＝[(-11.022fc+0.13433T+2.36077)ρd 2+(50.933fc-0.62075T-10.90904)ρd+0.237w-58.718fc+0.71627T+12.58006]×100％
本例的步骤A中通过土工试验，获得高速铁路路基基床级配碎石填料的持水率w的具体方法为：采用真空饱和法对级配碎石填料的土样进行12h以上的水饱和；取出土样，使其在重力作用下排水24h；然后测得土样的质量；再将土样烘干，测得干土样的质量，再由土样的质量与干土样的质量之差，除以干土样的质量，即得。
测试验证
下面给出采用本发明方法对某高速铁路路基基床级配碎石填料的最大冻胀率测试过程及验证结果。
用本发明方法测试的主要数据为：通过土工试验，确定土样细颗粒含量fc＝10％、干密度ρd＝2.21g/cm3、持水率w＝7％，其中，级配碎石填料的细颗粒含量fc和干密度ρd分别通过水洗法和灌砂法测定；根据历年地温监测资料，确定该高速铁路路基基床级配碎石填料土层最冷月份平均温度T＝-4℃；计算出的级配碎石填料的最大冻胀率η：
η＝[(-11.022×10％+0.13433×(-4)+2.36077)×2.212+(50.933×10％-0.62075×(-4)-10.90904)×2.21+0.237×7％-58.718×10％+0.71627×(-4)+12.58006]×100％＝1.707％
另，制备含水率7％、干密度2.21g/cm3、细颗粒含量10％的级配碎石试样，冷端温度取-4℃，开展室内冻胀试验，冻胀率测试值为1.772％。
由此可见，本发明方法对该级配碎石填料测出的最大冻胀率值1.707％与进行冻胀试验得到的测试值1.772％，仅相差0.065％，相对误差仅为3.67％。说明按本发明方法能对级配碎石填料冻胀率进行可靠的测试，冻胀率的误差小，准确性好。

Claims (2)

1.一种高速铁路路基基床级配碎石填料的最大冻胀率测试方法，其步骤是：
A、通过土工试验，获得高速铁路路基基床级配碎石填料的干密度ρd、持水率w、细颗粒含量fc；其中，所述的细颗粒为粒径<0.075mm的石粉，细颗粒含量fc和持水率w为百分比含量，干密度ρd的单位为g/cm3；
B、根据历年地温监测资料，确定高速铁路路基基床级配碎石填料土层最冷月份的平均温度T，平均温度T的单位为℃；
C、由步骤A的细颗粒含量fc、干密度ρd、持水率w和步骤B的最冷月份的平均温度T，计算得出高速铁路路基基床级配碎石填料在封闭系统中的最大冻胀率η，
η＝[(-11.022fc+0.13433T+2.36077)ρd 2+(50.933fc-0.62075T-10.90904)ρd+0.237w-58.718fc+0.71627T+12.58006]×100％。
2.根据权利要求1所述的一种高速铁路路基基床级配碎石填料的最大冻胀率测试方法，其特征在于，所述的步骤A中通过土工试验，获得高速铁路路基基床级配碎石填料的持水率w的具体方法为：采用真空饱和法对级配碎石填料的土样进行12h以上的水饱和；取出土样，使其在重力作用下排水24h；然后测得土样的质量；再将土样烘干，测得干土样的质量，再由土样的质量与干土样的质量之差，除以干土样的质量，即得。
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