無砟軌道路基過渡段水泥穩定碎石物理力學性質試驗初探

張 泉 羅 強 魏永幸

(1.西南交通大學 道路與鐵道工程系，成都 610031;2.鐵道第二勘察設計院 地質路基處，成都 610031)

高速鐵路的發展必須以安全、可靠、舒適等為前提，這些均取決于構成鐵路系統各方面的高品質和高可靠性。要使列車高速安全平穩地運行，線路的穩定與平順是必不可少的條件。路基是軌道的基礎，路基的變形直接反映到軌面上，它對軌道的影響主要表現為垂直下沉除路基自重產生的壓密下沉外，在列車多次重復荷載作用下還產生累計永久下沉(塑性殘余變形)過大或不均勻的變形，將導致路基病害，造成軌道的不平順既加劇列車與線路的動力作用，也給高速線路養護維修造成難以克服的困難［1-2］。而路基的質量與路基填料工程性質好壞直接相關。因此，遂渝鐵路無砟軌道試驗段要求基床填料使用A、B組填料或改良填料。水泥穩定碎石作為一種優質的化學改良填料，正愈來愈廣泛地應用于無砟軌道路基及過渡段的結構中，主要起到提高基床強度、增加基床剛度的作用，尤其適用于調整過渡段路基支撐剛度沿縱向的變化，達到過渡段路基剛度平順過渡的目的。本文根據現場水泥穩定粒料設計施工的技術標準和條件，采用擊實或壓實的制樣方法，開展了不同含灰率(2%～10%)的水泥穩定粒料在7 d養生的無側限抗壓強度試驗，對水泥穩定碎石物理力學性質進行了初步研究，并得出了一些有益的結論，為實際工程提供參考依據。

1 碎石基本性質土工試驗

為了獲得遂渝無砟軌道試驗段路基改良填料的各項技術參數，通過對所采用的水泥穩定碎石這種化學改良填料進行了室內土工試驗，其試驗流程見圖1。

圖1 室內土工試驗流程

1.1 碎石顆粒級配

試驗所用的粒料取自無砟軌道試驗段某料場，由粒徑大小不同的粗、細碎石集料和石屑各占一定比例拌合而成的混合料。粒料的母巖礦物成分為石灰巖，顏色為灰褐色，呈菱狀，含泥量很小。粒料中針狀、片狀顆粒含量較少，利于級配碎石的拌合均勻以及孔隙率的降低和強度的提高。取上述規格集料，進行室內級配試驗。

1.1.1 試驗所采用碎石粒料的配比

粗粒料碎石(16～40 mm)∶細粒料碎石(5～16 mm)∶石屑(0 ～5 mm)=1∶1∶1。

1.1.2 取樣數量

石屑(0～5 mm):2 kg;細粒料碎石(5～16 mm):2 kg;粗粒料碎石(16～40 mm):2 kg。

1.1.3 試驗結果

第一組碎石，篩后各級篩上和底盤內試樣質量的總和為5 995 g，篩前試樣總質量為6 000 g，兩者的差值為6 000-5 995=5 g，差值與篩前試樣總質量的比值為0.083% ＜1%;第二組碎石，篩后各級篩上和底盤內試樣質量的總和為5 980 g，篩前試樣總質量為6 000 g，兩者的差值為6 000-5 980=20 g，差值與篩前試樣總質量的比值為0.33%＜1%。顆粒級配試驗滿足《鐵路工程土工試驗規程》［3］要求。將試驗所得碎石粒料級配與《鐵路碎石道床底砟》(TB/T2897)［4］中基床表層級配相比較，如圖2所示，可以看出級配曲線在規范要求的基床表層碎石級配上下限之間，并且相對較圓滑。

將試驗所得碎石級配與規范中過渡段碎石級配相比較，如圖3所示。計算出不均勻系數、曲率系數并與規范中級配指標相比較，見表1。從表1中可以看出碎石級配各項指標相對較好。

圖2 碎石級配與規范要求基床表層碎石級配對比

圖3 碎石級配與規范中過渡段碎石的級配對比

表1 試驗所得碎石級配指標與規范要求級配指標比較 %

1.2 碎石顆粒含水量

試驗中采用烘干法測定碎石粒料的含水量，根據《鐵路工程土工試驗規程》(TB10102—2004)［3］規定:碎石粒料在105℃～110℃溫度下烘至恒溫時所失去水的質量與室溫時干粒料質量的比值即

式中 w——含水率(%);

md——干試樣質量(g);

m0——濕試樣質量(g)。

試驗過程中所采用粒料的配比為:粗粒料碎石(16～40 mm)∶細粒料碎石(5～16 mm)∶石屑(0～5 mm)=1∶1∶1

試驗結果見表2。

表2 含水率試驗值

從表2中可以看出:第一組試樣的含水率為0.67%，第二組試樣的含水率為0.50%，平均含水率為0.59%;比一般情況偏低，這可能與試樣試驗前在室內放置的時間偏長(約2 d)因素有關。

1.3 碎石擊實密度

通過擊實試驗，測量重塑碎石的密度。具體方法:取上述三種粒徑風干試樣各5 kg(共15 kg)拌合均勻;粒料配比按1∶1∶1。將其攪拌均勻分兩層裝入擊實桶中并且分層擊實，第一次裝約5 L左右振動25次，用擊錘擊實，然后再次加入碎石，左右振動25次，用擊錘擊實，最后將表面抹平。稱量其質量，計算其密度，密度值見表3。

表3 級配碎石擊實密度試驗值 g/cm3

2 水泥穩定碎石物理力學性質

2.1 試驗條件

水泥穩定碎石是將不同含量的水泥(質量比)摻入到級配碎石中形成的穩定粒料。采用擊實或壓實的制樣方法，養護齡期為7 d，進行無側限抗壓強度試驗，每一組做3個平行試驗。

2.1.1 試樣形狀及尺寸

試樣的形狀為圓柱形，尺寸(直徑 ×高)為150 mm×150 mm。

水泥采用重慶富皇P.O32.5普通硅酸鹽早強水泥。

2.1.2 制樣過程

1)取風干試樣放入塑料袋中并向其加水，加水量約為試樣3%拌勻潤濕，并且密封，放置時間為24 h。

2)將浸潤過的試樣，加入預定數量的水泥并拌合均勻，在拌合過程中將預留的水約2%加入試料中，使混合料的含水率達到最優含水率(約5%左右)。

3)先將試模內壁涂一層潤滑油，取浸潤過的混合料分三次灌入試模中，每次灌入后都左右振動25次并用夯棒均勻插實。放在壓力機上靜壓(160 kN)，一邊靜壓，一邊用搗棒敲擊試模。放置3 h后脫模。

4)脫模后先用塑料袋包好，然后立即放入標準恒溫恒濕養護箱進行養護。養護時間為7 d，養護時溫度指標為23℃左右，濕度(RH)95%左右。

2.2 試驗數據分析

表4給出了在不同摻合比，水泥穩定碎石的無側限抗壓強度試驗結果。可以看出，水泥穩定碎石的優點是具有足夠高的強度，其7 d無側限抗壓強度值都＞1 MPa，能滿足高速鐵路對基床底層的要求，并且受水分變化的影響不大，它的強度越高，穩定性越好。據日本學者研究［5］，土質改良后的無側限抗壓強度如 ＞500 kPa，則在水穩定性和動力穩定性方面均可滿足要求。

圖4～圖6給出了不同含灰率對水泥穩定碎石的無側限抗壓強度和彈性模量以及密度影響規律。可以看出，水泥穩定碎石無側限抗壓強度、彈性模量和密度，隨含灰率的提高呈不同幅度的增長趨勢。從圖4中可以看出，2%～6%無側限抗壓強度隨含灰率的增加，增加速率比較快，2% ～4%無側限抗壓強度增加123%，4% ～6%無側限抗壓強度增加165%，而6% ～10%無側限抗壓強度隨含灰率的增加，增加速率變慢;6%～8%無側限抗壓強度增加16%，8% ～10%無側限抗壓強度增加18.5%。從圖5中可以看出，2% ～6%彈性模量隨含灰率的增加，增加速率比較快，2% ～4%彈性模量增加209%，4% ～6%彈性模量增加256%，而6% ～8%彈性模量隨含灰率的增加，曲線變化相對較緩和，彈性模量增加14.4%。8% ～10%彈性模量隨含灰率的增加，增加速率又變大，彈性模量增加48%。從圖6可以看出，密度曲線從2% ～4%隨含灰率的增加曲線變化較大，但從4% ～6%隨含灰率的增加曲線變化相對平穩，從6% ～10%隨含灰率的增加曲線變化較大，但變化比2%～4%相對平穩。

表4 不同含灰率試樣的密度、無側限抗壓強度 qu、彈性模量值

圖4 不同含灰率試樣的無側限抗壓強度曲線

3 結論

通過一系列室內土工試驗，可獲得水泥穩定碎石具有以下物理力學特性:

圖5 不同含灰率試樣的彈性模量曲線

圖6 不同含灰率試樣的密度值曲線

1)試驗證明各粒徑碎石含量相對適中、顆粒級配較好。能滿足《鐵路碎石道床底砟》(TB/T2897)［4］級配要求，并且級配曲線相對較圓滑。這樣有利于施工過程中級配碎石孔隙率的降低和密實度的提高。

2)試驗測得兩組水泥穩定碎石粒料的擊實密度均值為1.897 g/cm3，含水率均值為0.59%，且水泥穩定碎石的無側限抗壓強度、彈性模量、密度隨含灰率的提高呈不同幅度的增長趨勢。

3)在2% ～10%含灰率范圍內，水泥穩定碎石7 d無側限抗壓強度值在1.572～12.790 MPa之間，彈性模量在144.67～2 016 MPa之間，高于級配碎石的抗壓強度和彈性模量值，但較低強度等級的素混凝土相應值低。因此，不同含灰率的水泥穩定碎石能夠較好調整過渡段路基支承剛度沿縱向的變化，達到過渡段路基剛度平順過渡的目的。

［1］馬學寧，梁波，黃志軍，等.高速客運專線路基改良填料的試驗研究［J］，鐵道學報，2005，27(5):96-101.

［2］郝贏.鐵道工程［M］.成都:西南交通大學出版社，1999.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB10102—2004 鐵路工程土工試驗規程［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB/T2897 鐵路碎石道床底砟［S］.北京:中國鐵道出版社，1997.

［5］韓文斌，王元漢.京滬高速鐵路路基基床填料改良試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2001，20(增):1910-1916.