Q∕CR 602-2017 铁路工程粗粒土冻胀试验方法标准.pdf

ICS 45. 120 c Q/CR 602-2017 铁路工程粗粒土冻胀试验方法Frost heave test method for coarse grained soil of railway engineering 2017 -09-05发布2017-12-05实施中国铁路总公司发布Q /CR 602-2017 目次前言. . . . rr 1 范围-2 规范性引用文件3 术语和定义4 总则25 原位渗透试验26 持水率试验37 冻胀率试验58 导热系数试验79 比热试验.8 Q /CR 602一2017目。昌本标准按照GB/T1. 1-2009给出的规则起千。本标准由中国铁道科学研究院铁道建筑研究所归口。本标准起草单位:中国铁道科学研究院铁道建筑研究所。本标准主要起草人:叶阳升、赵国堂、蔡德钩、张千垦、程爱君、杜晓燕、闰宏业、王仲锦、陈锋、闰鑫亮、姚建平、在颖辉、程远水。本标准版权归中国铁路总公司所有，任何单位和个人未经许可不得复制及转让。E Q /CR 602-2017 铁路工程粗粒土冻胀试验方法1 范围本标准规定了粗粒土土样及试样制备、原位渗透试验、持水率试验、冻胀率试验、导热系数试验、比热试验方法。标准适用于季节性冻土地区铁路粗粒土相关参数测试本标准规定的试验方法适用于砂类土、砾石类土等租粒土。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的也凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T 50262-2013 铁路工程基本术语标准GB/T 50123 土工试验方法标准DLlT 5355 水利水电工程土工试验规程DZ/T 0276 岩石物理力学性质试验规程JTG E40 公路土工试验规程TB 10102 铁路工程土工试验规程3 术语和定义GB/T 50262-2013界定的以及下列术语和定义适用于本文件。为了便于使用，以下重复列出GB/T 50262-2013中的某些术语和定义3.1 粗粒土coarse-grained soil 试样中粗粒组(0.075mm d!;三60mm)含盘大于50%的土样。3.2 孔隙率porosity 土中空隙体积占总体积的百分比，表示士中空隙大小的程度。 GB/T 50262-2013，定义3.8.13.3 压实系数compaction factor 填料压实后的干密度与击实(振实)试验得出的最大干密度的比值。3.4 冻胀率ratio of frostheaven 单位冻结深度的冻胀量。GB/T50262-2013，应义3.8.113.5 持水率water-holding content 土样饱水后在室内常温情况下自然排水稳定后的含水率。3.6 试样冻结深度frozen depth 冻胀试验过程中温度小于OCC土层的厚度。3.8 渗透系数permeability coefficient 单位水力梯度下的单位流量。3.9 导热系数thermal conductivity 在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1CC ，在1s内，通过lmz面积传递的热豆。3.10 比热容specific heat capacity 单位质量物体改变单位温度时吸收的热量。Q /CR 602-2017 4 总则4. 1 本标准试验用水除有特殊要求外，一般试验可采用洁净水。水的比重取值为1.0，密度数值取为1。4. 2 土样和试样制备、颗粒分析、贪;j()l辑、击实、室内渗透试验参照TB10102-2010的相关规定执行。4.3 进行粗粒土的冻胀性能相关试验前应对粗粒土中粉、粘粒含盘进行检测。5 原位渗透试验5. 1 试验目的:通过现场渗透试验，验证冻胀彤响范回内土的渗透系数是否满足设计要求。5. 2 本试验方法适用于砂类土、砾石类土等粗粒土原位渗透系数测试。5.3 原位渗透试验采用双环试坑注水法。5.4 主要仪器设备应符合下列规定:a) 内环:内径22.6cm，高15.0cm ; b) 外环:内径45.2cm，高15.0cm; c) 供水瓶:容量5000 mL -10 OOO.ml，_，装菊斜鼓璃.管和橡皮塞，瓶壁应有刻度;d) 木支架:用于固定供水瓶;) 温度计:量程oCC -50 CC ，最小分度值0.5l:。原位渗透试验装置参见图1。说明:1一一供水瓶;2一一木支架;3一一试坑;4一一外环;5一一内环。图1原位渗透系数试验装置示意2 3 5.5 试验应按下列步骤进行:2 a) 在预定部位开挖一个面积不小于1.0mx1.5m的试坑，深度应达到试验土层。在坑底中心再挖一直径等于外环，深15cm的储水坑，整平坑底。在开挖试坑时，应避免对土体扰动;b) 把外环放入储水坑中，环外壁与土缝隙用土填实，再放入内环，使内外环形成同心圆，用水平尺找平，两环上缘应在同一水平面。放环时，应防止环将土压实或变形;c) 在土体表面均匀铺以2cm 厚的中细砾，然后在内环及两环fBJ隙内注入清水至满，安放支架至水平位置。将供水瓶注满水后倒置于支架上，供水瓶的斜n玻璃管分别插入内环和内外环之间的水面以下，玻璃管的斜口应调整在同一高度j共水瓶的数量，应视土的渗透性确定;d) 记录渗水开始的时间及供水瓶的水位。经过一段时间后，测读在此时间内由供水瓶渗入土中Q /CR 602一2017的水量，直至稳定为止;e) 从供水瓶流出的水!d:达到稳定后，在1h -2 h内测记渗入土巾的水量至少5-6次，取其平均值。每次量记的水盘与平均水量之差，不应超过10%0 M:测环内水的深度及水的温度;f) 试验结束后，拆除仪器，吸出储水坑中的水。5.6 试验数据整理应符合下列要求:按公式(1 )计算土的垂直渗透系数:vi川 、.，l ，、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 式中:kT一一温度为TOC时的渗透系数，单位为屉米每秒(cm/s); Vw一一在t时间内的渗入水量，单位为立方厘米(Gm3); A一-内环面积，单位为平方厘米(cm2); t一一间隔时间，单位为秒(s)。渗透系数计算值取3位有效数字，兀闲时误差酥酥于2.00 x 10 -ncm/s，计算3-4个数字接近的渗透系数，求其平均值，作为试样在该孔隙比时的渗透系数。5.7 原位渗透试验的记录格式见表1。表1原位渗透试验记录表试验计算校核p! 工程名称试坑编号内环直径cm 试坑深度cm 内环面积cm1 试验日期试验时间时间间隔渗透系数cm/ 叫a句，i1础，mlll-v u K T 6 持水率试验6.1 试验目的:通过研究饱水后试样置于自然环境中后试样持水率随时间变化关系，获取试样的持水率，初步判断土样的冻胀性能。6.2 持水率试验采用静水天平称重法。6.3 持水率试验装置应符合下列规定:a) 静水天平:称重6怡，分度值0.1g; b) 试样简尺寸:直径15cm 、高15cm 、壁厚1cm; c) 分析筛:分析筛孔径规定见筛分试验规定;d) 案称:称量10kg，分度值5g; e) 泄水孔:在孔壁径向同一高度对称布置四个泄水孔，孔径2mm;高度方向间距为3cm; f) 秒表:最小分度1s 。持水率试验装置参见图2。3 r Q /CR 602-2017 说明:l一一挣水天平;2一一挂绳;3一一顶极;4一一泄71孔;5-一试筒;6一一底板。6.4 试验操作应按下列步骤进行:固2持水率试验装置示意a) 制样:根据击实试验结果，配制满足规范规定的试样，拌用均匀后放凭8h; b) 将试筒上泄水孔用浸湿的滤纸贴上，防止细颗糙流失;c) 称出滤纸+桶+挂绳的重盘M.;d) 制备试样:将配制好的土样按试验要求压实度分五层击实人试筒中;e) 测试配制土样含水率的;f) 称出试筒+土样总重M2;g) 将装满土样的试筒完全浸入水中，持续时间2h; h) 将浸泡好的试样缓慢提出水面，并挂于静水天平底部的挂勾上;i) 记录不同时刻天平读数，最初每隔5s记录一个数据M3，0.5h后每隔5min记录一个数据，10 min间隔试样质量变化小于1g可停止试验;j) 计算并绘制试样含水率与时间关系曲线，当曲线趋于水平时的含水率即为土样持水率。6.5 含水率计算方法:干土重量计算公式如下:式中:M 生二旦-下1+。M.一一泼、纸+桶+挂绳重量，单位为千克(kg); M2一一试筒+土样总重，单位为千克(kg); 。一一土样初始含水率，以百分数表示。第i时刻含水率计算公式如下:M., -M. j - x 100% +。，子乱中:M到一一第i时刻天平读数，单位为千克(kg)。6.6 记录格式应符合表2的要求。4 . . . (2) (3) 试样编号干土重量kg 初始含水率时间s 7 冻胀率试验表2持水率试验记录表滤纸+桶+挂绳重萤kg 试筒+土 样重量kg 试验日期第L时刻天平读数kg M3i / / / / I ,.- ./ 11 l/ JL-一Q / CR 602-2017 试验计算校核第i时刻含水率s W ; 7. 1 试验目的:通过室内冻胀试验，测试粗颗粒土在标准情况下的冻胀率。7. 2 试验装置由试样盒、恒温箱、温度控制装置、温度监测装置、变形监测装置、补水装置及加压装置组成，试验装置应符合下列规定。a) 试样盒:由内径15cm、壁厚1cm 、高18cm的有机玻璃筒作为侧壁，沿高度每隔3cm设热敏电阻温度计插入孔，底板和顶盖结构能够提供恒温液和外界咏分补充通道。试样盒结构可参照图3j 说明:l一一供水装 置;2一一百分表;3一一低温循环液入口;4一一低泪循环液出口;5一一冷浴板;6一一顶板;7一一保温材料;8一一热敏电阻测温点;9一一底板。图3试样盒结构示意5 I J: Q /CR 602-2017 b) 恒温箱:容积不应小于0.8m3，内设冷液循环管路和加热器，通过热敏电阻温度计和温度控制仪相连，使试验期间箱温保持在(1:!:0.5)OC; c) 温度控制装置:由低温循环浴和温度控制仪组成，提供试验所需的顶、底板温度;d) 温度监测装置:由热敏电阻温度计(最大允许误差为:!:O.lOC)、温度采集系统组成，监测试验过程中土样、顶、底板温度;e) 补水装置:由恒定水位装置通过塑料管与底板连接，水位应低于底板与土样接触面1cm; f) 变形监测装置:百分表或位移传感器(且程30mm最小分度值0.01mm); g) 天平:盘程15kg，分度值5g。7.3 试验按下列操作步骤进行。a) 土样配制:称取风干土样，加纯水拌和至需要的含水挚，搅拌均匀，用塑料袋密封静置8h。b) 在有机玻硝试样盒内壁涂上一薄层凡士林，在底板上放一张滤纸，然后装上顶板，将土样按试验要求分层击人试样盒内，两层交界面的土面应刮毛，并测试土样的初始含水率。c) 在试样顶面放一张滤纸，然后放仁冷浴板，并稍稍用力，以使土样与冷浴板接触紧密。d) 将盛有试样的试样盒放人恒温箱内，试样周侧、顶、底板内放入热敏电阻温度计。试样周侧包5 cm厚的泡沫塑料保温，连接冷浴循环管路及底板补水管路，供水并排除底板内气泡，调节供水装置水位(若考虑元水源补充状态，可切断供水)。安装百分表或位移传感器。开启恒温箱、试样顶板冷浴，设定恒温箱内温度为1吃;冷浴温度为1c 。f) 试样恒温6h，并监测温度和变形。待试样初始温度均匀达到1OC以后，开始试验。g) 冷浴温度调节到一15OC并持续0.5h，让试样迅速从顶面冻结，然后将顶饭温度调节到-2 OC，以0.2OC/h速度下降。保持箱温为1OC ，记录初始水位。每隔1h i录水位、温度和变形盐各一次。试验持续72h。7. 4 粗粒土冻胀率应按公式(4)计算:.h =百.:x 100% 乱中:一一冻胀率，以百分数表示;.h-试样总冻胀盘，单位为毫米(mm); Hr一一冻结深度(不包括冻胀盘)，单位为毫米(mm)。7.5 记录格式应参见表3的要求。工程名称试样含水率:% 时间序号h 6 裴3冻胀率试验记录表样编号试样密度:glcm3 / 温度传感器读数/句:2 3 4 (4) 试验位移计读数m自1备注5 2 Q /CR 602-2017 8 导热系数试验8.1 试验目的:通过室内试验测试粗颗粒土导热系数。8.2 采用稳态比较法测定粗粒土的导热系数。8.3 主要试验装置应符合下列规定:试验装置由恒热装置、测温装置和试样盒组成，如图4所示。说明:1一一冷浴循环液出口;2一一试样盒;3一一热电棋;4一一保温材料;5一一冷浴循环被进口;6一一夹紧螺杆;7一一保温盒;8-一-10 c恒温箱;9一一-25 c恒温箱;10-石蜡盒。2 6 8 5 图4导热系数试验装置示意3 4 10 9 a) 恒温装置:由两个尺寸为50cm x 20 cm x 50 cm (L x B x H)的恒温箱和两台低温循环冷浴组成。恒温箱与试样盒接触面应采用5mm厚的平整铜板。两个恒温箱分别提供两个不同的负温环境(-10t:和-25t: )。恒温准确度应为主O.1 t:。b) 测温装置:由热电稿、零温瓶、童程为2mV及分度值1V的数字电压表组成。c) 试样盒:共两只，其外形尺寸均为25cm x 25 cm x 25 cm L x B x H) 盒面两侧为厚5mm的平整铜板，试样盒的两侧、底面和上端盒荒应采用尺寸为25cm x25 cm.厚3mm的胶木板。8.4 试验按下列操作步骤进行:飞a) 将风干试样平铺在搪在盘内，按所需的含咏率和土样制备要求制备土样，如土样两端不平整，利用与制备土样一致的细粒将土样两端抹平;b) 将制配好的土样按要求的密实度装入一个试样盒，合上盒盖。装土时，将两支热电梢的测温端安装在试样两侧铜板内壁的中心位置;c) 另一个试样盒装人石蜡，作为标准试样。装石蜡时，按本条b)款的要求安装两支热电稠;d) 将分别装好石蜡和试样的两个试样盒按图3所示安装好，驱动夹紧螺杆使试样盒和恒温箱的各铜板面接触紧密;e) 接通测温系统;f) 开动两个低温循环冷浴，分别设定冷浴循环液温度为-10 t:和-25 t: ; 7 Q / CR 602-2017 g) 冷浴循环液达到要求温度再运行8h后，开始测温。每隔10min分别测定一次石蜡试样和冻土试样两侧壁面的温度，并记录。注续三次测得各点温度差值小于o.1 t:时，试验结束;h) 取出冻土试样，测定其含水率和密度。8.5 试验结果应按公式(5)计算:孔中:-o8o -8 一一冻土的导热系数，单位为瓦每米开尔文W/(m.K);。一一石蜡的导热系数，单位为瓦每米开尔文0.279W/(m . K) ; 80一一石蜡样品盒巾两壁面温差，单位为摄氏度(C); 8-待测试样盒中两壁面温差，单位为摄氏度(C)。8.6 记录格式应参见表4的要求。程名称试验核试样编号袤4导热系数试验记录褒可，tF -试样编号计算试验H期(5) 试样含*率:% 试样密度:glcm3 ; 石蜡导热系数。=0.279W/ ( m K) 历时石蜡样温差试样温差J 导(热m系数mm W/ ( m . K) 序号-(3) -; (4) 备注( 1 ) (.2) 。.(2)/(3) 飞-一-、子飞二J -田、/ ) /二-飞/1 / 9.1 试验目的:通过室内试验测试粗颗粒土比热容，为严寒地区高速铁路路基冻深计算提供基础、-一-数据。9.2 本试验用于测定粗粒士的比热容。9.3 本试验所用的仪器设备应符合下列规定:8 a) 仪器设备主要为量热仪，如图5所示。量热仪由黄铜镀镇试样杯(称盒)、黄铜量热筒、加热器、搅拌器、贝克曼温度计(0.001C)、二等标准温度计、气水封和保温外壳(夹玻璃棉PVC板和橡胶板)等组成。除量热器外，试样预冷使用低温恒温槽，温度精度0.05C、用热电稿和数字电压表(精度O.1 )加以监视。b) 电子天平:盘程l屿，最小分度值0.1g。说明:l一一盛土样的称盒;2一一绝热层;3一一搅拌器;4一一盘热液体;5一一盘热筒;6一一加热据;7一一温度计;8一一贝克曼温度计;9一一硬橡皮盖;10-土样网;11一一挝热筒底座;12一一搅拌器。9.4 试验按下列操作步骤进行:4 2 图5量热仪剖面示意a) 将待测的试样放入干燥箱中烘干24h后取出;10 11 12 b) 调整好电子天平，称取待测试样质量200g;称it热器的内筒和搅拌器质=Q /CR 602一2017c) 量热器内筒中倒入常温态的水(水面约为内筒壁的三分之二高度)，称出总质盘(含搅j=t器), 量热器中水的质量，记录水温T，;d) 排水法测量温度计浸没在量热器内筒水中的体积V，已知温度计的密度，因此，温度计浸设在盘热器内可以测盐出筒水中的质量;e) 将试样放入水温为凡的电加热器中加热一定时间。当试样温度达到几后，迅速取出试样，放人量;热器中，盖好量热器盖子，插入温度计，同时均匀地上下移动搅拌器。每隔105读取一次量热器中水的温度，直至温度达到恒定，记录此时温度;f) 记录完温度数据后，称出此时盘热器内筒的重盘(含试样)。在试验过程中额外进入量热器的水的质量。9.5 冻土比热容应按公式(6)计算:C = Cd + C, (-u)+Ct川队l(6)式中:Cy-冻土体积热容茧，单位为千焦每立方米摄氏度kJ/(m3C);Cd一一土骨架(千土)中水比热，单位为下焦每千克摄氏度kJ/ (kg . C) j C.-一冰中水比热，单位为千焦每千克摄氏度kJ/ (kg . C ) ,Ci = 2.09 j C川一一土中水比热，单位为千焦每千克摄氏度kJ/ (kg . C) ,C UW = 4. 19 ; 9 Q /CR 602一2017一一冻土总含水量，以百分数表示;u一一未冻土含水盘，以百分数表示;d一一冻土密度，单位为千克每立方米(kg/m3)。土骨架(干土)比热采用公式(7)、(8)计算:Cd -(CJnH+K)|tL-t;|- (CJYle+Cpr)|t;-t;| -m. I t. -t. I tn = I n + t . . . (7) . . (8) 式中:C一干土比热，单位为千焦每下克摄氏度kJ/(kgp;Cc.-一盘热水比热，单位为千焦每千克摄氏度kJ/ ( kg . C:J ; Cc-黄铜镀银试样杯比热，单位为千焦每千克摄氏度kJ/(kgt) ,C,. =0.38; Cp一一硝基漆比热，单位为千焦每J千克摄氏度kJI (kg . t) ,C p = 2.09 ; mc.一一盘热水重，单位为千克(kg); mc一一黄铜镀媒试样杯重，单位为千克(kg); mp一一-硝基漆重，单位为千克(kg); m.一一干土重，单位为千克(kg); J一一母热水初始温度，单位为摄氏度CC); tn一一平衡时刻贝克虽温度计读数，单位为摄氏度(t); t一一贝克虽温度计零度所代表的实际温度，单位为摄氏度(t); t;一-盐热水平衡温度，单位为摄氏度(t); t.一一试样的初始温度，单位为摄氏度(C) ; K一一仪器常数，即盘热装置各部分(包括量热筒、试样网、加热器、搅拌器、温度计等)温度变化1t所帘的热盐，咱位为千焦每摄氏度(kJ/t)。在实验前需要对该系数进行标定。9.6 记录格式应参见表5的要求。表5冻土比热累鼓试验记录表工程名称试验号算编样试计试验编号/ jl 4 C,(a) =2.09 kJ/(kg t); C.(b) =4.19 kJ/(kg t); C.vr=o.佣kJ/(kg . K) ; 叽(d); mp (e) E始热温水度初盘衡热温水度平始上样温初度!干土重干土比热冻土密度冻含土总含未水冻f土t 冻热土容体量积号序m. Cd d 7Jdtl 备注。- -。W. C ( 1 ) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) h d , 一10 hFONt-NOMhv。铁路总公百企业标准铁路工程粗粒土冻胀试验方法Frost heave test method for coarse grained soil of railway engineering Q/CR 602一-2017中* 中国铁道出版社出版(100054，北京市西城区右安门西街8号)中国铁道出版社印刷厂印刷版权专有僵权必究印张:1 字数:21千字2017年11月第l次印刷 1/16 开本:880 mmX 1 230 mm 统一书号:151135170 (内部用书)2017年11月第l版