铁路是国民经济的大动脉,在社会主义现代化建设中发挥着至关重要的作用。截至2018年底,我国高速铁路已开通运营里程超过2.9万公里,超过了世界高铁总量的三分之二。随着高铁建设的飞速推进,越来越多的高铁将行驶在以季节性冻土为主的寒冷地区,在此区域建设、运营高速铁路,路基常会产生不可忽略的冻胀变形,这极大地影响了轨道结构的平顺性以及列车的运营安全。级配碎石填料作为路基填筑中最常使用的粗颗粒填料,一般被认为是冻胀不敏感性材料,但现场监测结果显示,高速铁路路基基床表层级配碎石填料的冻结是冻胀变形的重要来源,要有效解决路基冻胀问题,掌握不同因素对级配碎石填料冻胀特性的影响规律十分必要。为此开展了一系列的冻胀试验及数据分析,主要工作和结论如下:(1)选择含水率、细粒含量、干密度、冷端温度作为影响因素,开展了封闭系统下的一维冻胀正交试验,并采用多元渐进回归分析法,综合考虑单因素及交互作用影响,借助剔除-递补-回归循环机制遴选出显著影响项,建立了冻胀率多元回归方程。研究表明:影响冻胀率的因素主次关系为含水率>干密度>细粒含量>冷端温度;其中,含水率、细粒含量与冻胀率呈正相关性,而干密度对冻胀率的影响,取决于细粒含量和冷端温度的取值,冷端温度影响正负性则取决于干密度大小,交互作用显著;在因素水平范围内,利用所建立的回归方程确定了级配碎石填料最大冻胀率相应因素组合,预测值与验证试验数据吻合;控制级配碎石填料含水率<4%,可满足冻胀率<1%的技术指标。(2)在保证含水率、细粒含量、干密度以及温度梯度相等条件下,同时将冷、暖边界升高相同温度,进行了3组封闭系统下单向冻胀对比试验。结果表明:随着级配碎石试样平均温度升高,试样冻结速率减小,冻深变浅,冻胀变形、冻胀率显著增大;结合试样冻后含水率测试结果分析可知,试样平均温度较高时,冻结锋面下移速度缓慢,待冻结稳定后停留在试样上部,此时大部分土体仍处于未冻状态,土体内孔隙连通性相对较好,大量水分能够较畅通地从试样下部向上迁移聚集,并在低温作用下冻结成冰,因此能产生较大的冻胀变形与冻胀率。(3)掺配5%含量蒙脱石(高液限黏土)的级配碎石试样的持水率为10.2%,而掺配相同含量石粉(低液限粉质黏土)的试样持水率为6.8%。为模拟现场持续降雨入渗后,高铁基床表层填料经历过水饱和—自由排水稳定后的工况,论文选择在持水比=1(含水率=持水率)的条件下进行冻结试验。结果表明:掺配蒙脱石的级配碎石试样,在冻结初期,由于细颗粒表面活性强,导致水分迁移能力较弱,冻胀变形速率较慢、变形较小,进入中后期,由于总含水率更大,大量未冻区域内的水分可以缓慢、稳定地向冻结区迁移聚集、发生冻结,所以冻胀变形能够稳定、持续地增大,而掺配石粉的级配碎石试样,在初期即发生了主要的水分迁移与冻胀,进入中后期变形已进入较快的衰减状态,因此最终冻胀量、冻胀率前者均大于后者。据此可以看出,分析掺配了不同细粒的级配碎石填料冻胀敏感性时,不能仅根据细颗粒活性、液塑限等进行评价,还应结合土体本身持水能力,考虑最不利工况进行综合评判。