粉細(xì)砂填筑路基結(jié)構(gòu)形式探討

周家成，方 燾

(1.錦州鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 錦州 121000;2.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330013)

1 概述

粉細(xì)砂根據(jù)成因可以分為風(fēng)積和沉積兩種，由于粉細(xì)砂的黏性和塑性都很小，尤其是風(fēng)積粉細(xì)砂，顆粒均勻且細(xì)，干燥時(shí)松散，且受風(fēng)、水等的影響很大，其作為路基填料質(zhì)量控制指標(biāo)體系和相關(guān)的施工技術(shù)尚存在不成熟的地方。但是，在荒漠地區(qū)修建鐵路本身填料缺乏，且生態(tài)脆弱，如粉細(xì)砂能填筑路基，則可以就地取材，減少對(duì)荒漠地區(qū)生態(tài)的破壞，同時(shí)可以減小填料運(yùn)距，降低工程造價(jià)。田華等對(duì)粉細(xì)砂改良填筑高速公路路基進(jìn)行了試驗(yàn)研究，否定用粉細(xì)砂直接作為路基填料的可行性[1]。徐軍等對(duì)沙漠風(fēng)積細(xì)粒土路基填料選擇的影響因素、施工工藝和質(zhì)量控制要點(diǎn)進(jìn)行了探討[2]。喬純、關(guān)鍵對(duì)粉細(xì)砂填筑灌溉堤壩工程技術(shù)問題進(jìn)行了研究，提出了應(yīng)用粉細(xì)砂修筑堤防存在的問題和解決措施[3]。裴生艷等對(duì)沈山高速公路臺(tái)安至遼中段粉細(xì)砂填筑路基施工的機(jī)械選擇、填筑、檢測(cè)方法等進(jìn)行了介紹，得出用振動(dòng)光面壓路機(jī)，重視填料質(zhì)量，嚴(yán)格操作規(guī)范，用粉細(xì)砂填筑路基是可行的結(jié)論[4]。

錫(錫林浩特)烏(烏蘭浩特)線、大(大虎山)鄭(鄭家屯)線、巴(巴彥烏拉)新(新立屯)線、甘(甘旗卡)庫(庫倫旗)線等穿過大片荒漠地區(qū)，土質(zhì)主要為風(fēng)積和沉積的粉細(xì)砂，A、B組填料基本沒有，而路基設(shè)計(jì)規(guī)范將粉細(xì)砂作為C組填料，但是沒有給出粉細(xì)砂填筑的施工質(zhì)量控制指標(biāo)體系[5]，使得設(shè)計(jì)和施工人員在設(shè)計(jì)和施工過程中，沒有依據(jù)遵循。

2 粉細(xì)砂物理力學(xué)性質(zhì)

2.1 物理性質(zhì)

線路沿線為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積層(Q4eol)粉砂和細(xì)砂。粉砂為褐黃色至淺黃色，松散～中密，稍濕～飽和，主要礦物成分為長石和石英;細(xì)砂為淺黃色～黃褐色，松散～中密，稍濕～潮濕，主要礦物成分為長石和石英。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，粉細(xì)砂顆粒均勻且細(xì)(見表1)，極為松散，干燥時(shí)的承載力極低，保水性較差，滲水率極高，失水松散，易產(chǎn)生干翻漿、干陷現(xiàn)象。其天然重度為16.0～18.5 kN/m3。

表1 甘庫線粉細(xì)砂篩分試驗(yàn)成果 %

2.2 工程力學(xué)特性

粉細(xì)砂由于顆粒細(xì)且均勻遇水后體現(xiàn)一定的粘性，但是失水很快松散，天然休止角很小，呈現(xiàn)出無黏性特性，根據(jù)室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)成果分析，其c值在0～5 kPa，φ 值在 25°～28°之間，且壓縮性較差。

3 粉細(xì)砂填筑路基結(jié)構(gòu)形式探討

3.1 固土網(wǎng)墊法

固土網(wǎng)墊法為坡面鋪設(shè)固土網(wǎng)墊撒草籽的防護(hù)方法，該方法的技術(shù)要點(diǎn):①路堤由坡腳至路肩全坡面斜鋪固土網(wǎng)墊并撒草籽，固土網(wǎng)墊用竹釘固定，梅花形布置，間距1 m。②坡面撒草籽，每平方米撒0.015 kg草籽。③護(hù)肩用M7.5水泥砂漿砌片石砌筑。④固土網(wǎng)墊頂部壓入護(hù)肩不得小于0.3 m，坡腳應(yīng)埋入地面以下0.3 m。施工要求:①鋪設(shè)固土網(wǎng)墊前應(yīng)修整邊坡，使坡面平整，以使網(wǎng)墊與邊坡緊貼。②鋪網(wǎng)前，坡面先灑水至邊坡0.3 m深度內(nèi)濕潤為止，以利草籽生長成活。③網(wǎng)墊應(yīng)與坡面緊貼，不得出現(xiàn)空隙，對(duì)不緊貼之處加釘竹釘。④鋪網(wǎng)后，在網(wǎng)墊上均勻撒土，厚度至網(wǎng)包深度之半(約1 cm)，然后撒草籽。⑤為使草籽均勻撒在網(wǎng)墊上，將草籽與土按1∶10重量混合好后，用人工撒播，應(yīng)注意保證每平方米草籽不少于15 g。⑥每副網(wǎng)墊鋪設(shè)時(shí)，搭接長不小于2 cm，并注意搭接處上層網(wǎng)墊密貼下層網(wǎng)墊，不留間隙。坡面鋪設(shè)固土網(wǎng)墊示意見圖1。

圖1 坡面鋪設(shè)固土網(wǎng)墊示意

3.2 加筋包填法

加筋包填法即沿著路基高度方向分層平鋪土工格柵，同時(shí)用碎石土或者黏性土包裹的填筑方法。其施工技術(shù)要求:

1)將地表整平碾壓至規(guī)定要求，然后分層填筑路堤，地面橫坡陡于1∶5地段挖臺(tái)階，底寬應(yīng)不小于2.0 m。

2)路堤邊坡坡度:路堤高為0～6 m時(shí)，邊坡為1∶1.75;路堤高為8 m以下時(shí)，邊坡為1∶2。

3)路堤邊坡自地表起每填筑高0.6 m，于路堤邊坡水平寬3.0 m范圍內(nèi)鋪設(shè)TGSG30-30土工格柵一層，直至基床底層底部。

4)鋪設(shè)土工格柵時(shí)，先將碾壓密實(shí)的填土層整平，搭接長度0.3 m，格柵鋪設(shè)應(yīng)平整、密貼，然后在其上填土。

5)為防止骨架護(hù)坡施工挖槽露出格柵，骨架護(hù)坡地段格柵外端距邊坡應(yīng)保持1.0 m的距離。

6)平鋪土工格柵后，嚴(yán)禁汽車直接行駛在土工格柵上，并要避免過量拉伸。

7)土工格柵盡量避免長時(shí)間露天存放或暴露施工過久。

土工格柵應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)，滿足設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)性能指標(biāo)。保管、施工應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)的設(shè)計(jì)圖及施工規(guī)范和《鐵路路基土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(TB10118—2006)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

3.3 夾層填筑法[1]

該方法工藝為填筑基底面驗(yàn)收合格→松鋪一層厚40 cm的粉細(xì)砂→整平、穩(wěn)壓→再松鋪一層厚20 cm的外借A、B組料→整平、碾壓→檢測(cè)與驗(yàn)收。該方法施工要點(diǎn):①控制填料的含水量，一般在最佳含水量附近。②粉細(xì)砂層經(jīng)T-140履帶式推土機(jī)(自重16～18 t)以2.5 km/h的速度進(jìn)行穩(wěn)壓2遍即可。穩(wěn)壓時(shí)履帶輪重復(fù)1/2，直線段由兩邊向中間進(jìn)行，彎道處由內(nèi)側(cè)向外側(cè)進(jìn)行，以利形成路拱。③第二層外借A、B組料，如果是A碎石類料或角礫土料，則必須由人工將粒徑>100 mm的大石塊清除;如果是B圓礫土料、砂黏土料，則因含水率較高需要先將料源攤鋪晾曬到含水率達(dá)8%左右方可，同時(shí)需注意邊坡排水問題，并由人工修整邊坡，使部分外借料將粉細(xì)砂層覆蓋，避免砂層的水分散失并增加其邊坡的穩(wěn)定性。④外借料采用逐步攤鋪法進(jìn)行。⑤外借料層經(jīng)推土機(jī)、平地機(jī)整平后，采用YZ18A型自行式振動(dòng)壓路機(jī)(自重18 t)以2.5 km/h的速度先進(jìn)行弱振2遍，再強(qiáng)振2遍，最后再靜壓2遍，仍按輪跡重復(fù)1/3進(jìn)行，碾壓方式同粉細(xì)砂層。

3.4 改性填筑法

該方法主要是通過改良填料的物理力學(xué)特性和工程特性的方法。目前主要有兩種途徑:一種是物理改良，即向粉細(xì)砂填料中摻 A、B組土，以改善填料的物理力學(xué)特性和工程特性;另一種是化學(xué)改良，即向粉細(xì)砂填料中摻水泥，以達(dá)到改良填料的工程特性目的。

4 結(jié)構(gòu)形式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

4.1 填筑方法優(yōu)缺點(diǎn)分析

固土網(wǎng)墊法對(duì)邊坡穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在邊坡防護(hù)系統(tǒng)能夠有效地防止荒漠地區(qū)風(fēng)蝕和雨水的沖刷作用，保證路基工程的耐久性，同時(shí)間接保證邊坡的穩(wěn)定性。施工較復(fù)雜，難以保證施工質(zhì)量。加筋包填法一方面通過碎石土(或黏土)包坡、護(hù)肩和護(hù)腳措施有效地防止荒漠地區(qū)風(fēng)蝕作用，同時(shí)注意到了荒漠地區(qū)降雨量不大，降雨對(duì)邊坡的沖刷作用是有限的;另一方面通過在邊坡上分層加筋，對(duì)邊坡起到一定的加固作用。其施工比固土網(wǎng)墊法方便。夾層填筑法與普通路基填筑方法差異不大，兩層存在不同的施工質(zhì)量控制參數(shù)，路基豎向呈現(xiàn)各向異性特征。改性填筑法是最可靠的填筑方法，但是，該法施工工藝復(fù)雜，難以保證拌合均勻，工程造價(jià)高。目前，該種方法沒有得到大面積推廣使用。

4.2 加筋包填法穩(wěn)定性分析

根據(jù)室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)成果，對(duì)目前用的較普遍的填筑結(jié)構(gòu)形式粉細(xì)砂加筋填筑法，進(jìn)行了路堤的穩(wěn)定性分析。取黏聚力 c=5 kPa，內(nèi)摩擦角 φ=25°，路堤高度分別為 6、12、18 m，格柵寬度為 3、5、7 m，沿路堤高度每0.6 m厚度鋪設(shè)等情況，探討了有、無格柵情況下不同填筑高度以及格柵的不同寬度和間距對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性的影響。格柵的抗拉強(qiáng)度為30 kN/m，受剪切時(shí)的摩爾庫倫強(qiáng)度參數(shù)為c=10 kPa，φ=40°。簡化bishop分析結(jié)果見圖2。

圖2 土工格柵對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

從上面分析的結(jié)果看出，在保證施工質(zhì)量前提下，粉細(xì)砂填筑路基高度應(yīng)<12 m。同時(shí)也可以看出，土工格柵對(duì)路基穩(wěn)定的貢獻(xiàn)與土工格柵鋪設(shè)的寬度密切相關(guān)，一般在坡高<6 m時(shí)，基本是穩(wěn)定的。土工格柵<3 m時(shí)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的直接貢獻(xiàn)有限，邊坡越高，土工格柵對(duì)邊坡穩(wěn)定性貢獻(xiàn)體現(xiàn)越明顯。

5 結(jié)語

我國西北和東北地區(qū)存在大面積的沙漠和荒漠地區(qū)，風(fēng)積砂地區(qū)工程建設(shè)項(xiàng)目還很多。從工程設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，總結(jié)了粉細(xì)砂筑堤的試驗(yàn)和實(shí)踐成果，并對(duì)粉細(xì)砂填筑鐵路路基的幾種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

[1] 田華.粉細(xì)砂路基物理改良試驗(yàn)段施工總結(jié)［J］.市政·交通·水利工程設(shè)計(jì)，2008(4):56-57.

[2] 徐軍，周四.崔祥茂沙漠風(fēng)積細(xì)粒土路基填筑介紹［J］.西部探礦工程，2006(4):253-254.

[3] 喬純，關(guān)鍵.粉細(xì)砂筑堤工程技術(shù)研究［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2008(4):336-337.

[4] 裴生艷，李燕龍.粉細(xì)砂填筑路基施工［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，1999(4):124-126.

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10001—2005 鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.