石英二長巖全風(fēng)化物作為高鐵填料的試驗研究

陳仕奇

我國目前正在進行高速鐵路網(wǎng)的建設(shè),高速列車的安全和平穩(wěn)運行必須有一個高平順性和穩(wěn)定性的軌下基礎(chǔ),路基作為軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式之一,必須具有強度高、剛度大、穩(wěn)定性和耐久性好,能抵抗各種自然因素的影響,這就對路基特別是基床填料的工程性質(zhì)提出了很高的要求,基床表層要求采用級配碎石,基床底層要求采用A,B組填料或改良土[1]。因此,填料工程性質(zhì)及改良方法已成為工程技術(shù)人員及學(xué)者關(guān)注的技術(shù)問題[2-5]。本文通過對鎮(zhèn)江一帶分布的石英二長巖全風(fēng)化物物理改良前后的室內(nèi)物理、力學(xué)試驗及現(xiàn)場填筑試驗,對其作為填料的工程性質(zhì)進行了系統(tǒng)的研究。

1 試驗方案

根據(jù)石英二長巖全風(fēng)化物為粗粒料的特點,室內(nèi)進行了礦物成分分析、顆粒分析、擊實及承載比試驗;根據(jù)石英二長巖全風(fēng)化物工程性質(zhì)受浸水影響明顯的不足,進行了石英二長巖全風(fēng)化物改良試驗。試驗采用摻入粗粒料的物理改良方法,并對摻入比的影響進行了考慮[6]。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 石英二長巖全風(fēng)化物的物理、力學(xué)性質(zhì)

1)礦物成分分析。礦物成分是影響填料物理、力學(xué)性質(zhì)的重要因素之一,表1為石英二長巖全風(fēng)化物礦物成分分析結(jié)果。

表1 石英二長巖全風(fēng)化物礦物成分

試驗資料表明,石英二長巖全風(fēng)化物礦物成分以石英及長石為主,其次是蒙脫石及高嶺土等黏土礦物,蒙脫石含量超過7%,表明其具有一定親水性。

根據(jù)礦物成分分析結(jié)果,進行了石英二長巖全風(fēng)化物的膨脹性試驗,其自由膨脹率為9%左右,表明其膨脹性不明顯。

2)顆粒分析試驗。圖1為石英二長巖全風(fēng)化物顆粒分析級配曲線,從顆粒分析試驗結(jié)果看,風(fēng)化物為粗砂,細粒含量為3.9%,不均勻系數(shù)為6.6,曲率系數(shù)為 0.7,級配不良。從顆粒分析試驗資料,石英二長巖全風(fēng)化物為B組填料[7]。

3)石英二長巖全風(fēng)化物的擊實試驗。圖2為石英二長巖全風(fēng)化物的擊實曲線,最優(yōu)含水量為 10.3%,最大干密度為1.98 g/cm3。擊實曲線表明,含水量在6.6%～13.5%范圍內(nèi),石英二長巖全風(fēng)化物的干密度變化在0.06 g/cm3以內(nèi),范圍很小。如果取 Kh=0.95,對應(yīng)干密度為 1.88 g/cm3,表明風(fēng)化物可壓實含水量范圍較大。

4)石英二長巖全風(fēng)化物的承載比試驗。表2為石英二長巖全風(fēng)化物CBR試驗結(jié)果,為了了解浸水作用對其力學(xué)性質(zhì)的影響,對比做了不浸水條件的CBR試驗。試驗結(jié)果表明,當Kh取0.95～1.0時,CBR值在7.8%～20.8%之間,參照高速公路標準[8],當壓實系數(shù)為0.95時,試驗值不符合上路床填料要求。

表2 石英二長巖全風(fēng)化物CBR試驗結(jié)果

CBR強度值隨壓實系數(shù)提高而增加,提高壓實度能顯著改善石英二長巖全風(fēng)化物的力學(xué)性能。

試驗結(jié)果還表明,水對石英二長巖全風(fēng)化物的CBR值有顯著的影響,對應(yīng)壓實系數(shù)為0.95時,浸水后的強度值僅為未浸水強度的44%,這可能與其礦物成分中含有較多的蒙脫石及高嶺土等黏土礦物有關(guān)。隨著壓實系數(shù)的增加,其影響趨弱。

2.2 物理改良石英二長巖全風(fēng)化物的物理、力學(xué)性質(zhì)

1)顆粒分析試驗。改良前后的石英二長巖全風(fēng)化物顆粒組成試驗結(jié)果見表3。

表3 石英二長巖全風(fēng)化物改良前后顆粒組成試驗結(jié)果

從顆粒分析試驗結(jié)果看,摻入粗粒料后,風(fēng)化物從粗砂變?yōu)榈[砂,級配良好,顆粒級配有了明顯的改善。僅從顆粒分析試驗結(jié)果分析,物理改良石英二長巖全風(fēng)化物達到A組填料要求。

2)擊實試驗。改良石英二長巖全風(fēng)化物擊實試驗結(jié)果見表4。

表4 石英二長巖全風(fēng)化物改良后擊實指標

石英二長巖全風(fēng)化物摻入粗粒料后,最優(yōu)含水量隨摻入比的增加而減少,最大干密度隨摻入比的增加略有增加。

3)承載比試驗。石英二長巖全風(fēng)化物改良后承載比試驗結(jié)果見表5(壓實系數(shù)Kh=0.95)。

表5 改良石英二長巖全風(fēng)化物承載比試驗結(jié)果 %

從表5可看出,石英二長巖全風(fēng)化物摻入粗粒料改良后CBR值比改良前明顯提高,當摻入量在10%時,CBR值提高2倍以上,與石英二長巖全風(fēng)化物未改良前非浸水條件下相當。摻入比在10%～25%之間時,強度值隨摻入量增長近似成線性關(guān)系。

2.3 石英二長巖全風(fēng)化物填筑試驗

為了驗證室內(nèi)試驗成果,進行了現(xiàn)場填筑試驗。采用YZ20型壓路機碾壓,壓實厚度按20 cm～30 cm控制,含水率在 wopt-2～wopt+4之間,壓實完成后進行了地基系數(shù)K30、動態(tài)變形模量Evd及孔隙率n等項目的平行檢測,檢測結(jié)果見表6。檢測結(jié)果表明,雖然風(fēng)化物級配不良,但采用特重型壓路機進行碾壓,其可壓實性良好。路基填筑層力學(xué)指標K30平均值達200.9 MPa/m,遠大于 130 MPa/m;動態(tài)變形模量在46 MPa～102 MPa之間,平均值為69.5 MPa;孔隙率檢測值在20.95%～26.48%之間,平均值為24.2%。檢測結(jié)果全部滿足高速鐵路基床底層的壓實要求[1]。

表6 風(fēng)化物直接填筑壓實質(zhì)量檢測結(jié)果

現(xiàn)場也同時進行了粗粒料摻入比在15%～20%的物理改良石英二長巖全風(fēng)化物的填筑試驗,壓實質(zhì)量檢測結(jié)果全部滿足高速鐵路基床底層的要求。

3 結(jié)語

1)石英二長巖全風(fēng)化物礦物成分中含有近25%的蒙脫石及高齡石等黏土礦物,其中蒙脫石含量超過7%,表明其具有一定親水性。2)擊實試驗表明,石英二長巖全風(fēng)化物可壓實含水量范圍較寬,這對現(xiàn)場填筑施工控制有利。3)石英二長巖全風(fēng)化物的力學(xué)性質(zhì)受浸水影響明顯,不宜直接用作高速鐵路路基基床底層填料;在非浸水條件下,則具有較好的力學(xué)性質(zhì)及良好的可壓實性,可用于非浸水條件下高速鐵路路基基床以下部分路堤填料。4)石英二長巖全風(fēng)化物摻入粗粒料改良后,顆粒級配得到明顯改善,CBR強度值得到顯著提高,壓實質(zhì)量滿足要求,改良效果明顯,可用作高速鐵路基床底層填料。

[1]鐵建設(shè)〔2007〕47號,新建時速300 km～350 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定[S].

[2]侯江波,王永和.全風(fēng)化花崗巖石灰改良土室內(nèi)試驗分析[J].西部交通科技,2009(2)：76-80.

[3]倪 軍.高速鐵路路基改良填料的工程特性試驗研究[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報,2000,14(14)：11-13.

[4]楊廣慶,管振祥.高速鐵路路基改良填料的試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2001,23(6)：682-685.

[5]尤 灝.影響石灰改良下蜀黏土工程性質(zhì)的幾個因素分析[J].土工基礎(chǔ),2007,21(1)：29-31,40.

[6]李時亮,杜 越.路堤填料工程性質(zhì)和填筑施工工藝及質(zhì)量檢驗方法研究報告[R].鐵道第四勘察設(shè)計院,2005.

[7]J447-2005,鐵路路基設(shè)計規(guī)范[S].

[8]JTJ 013-95,公路路基設(shè)計規(guī)范[S].