客運專線水泥改良黃土填料填筑壓實工藝研究

馬學寧

(蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070)

1 概述

鄭西客運專線是我國首批開工建設的高標準客運專線之一,設計時速為350 km,全線鋪設無砟軌道,相關(guān)技術(shù)標準極為嚴格,尤其是對工后沉降的標準特別嚴格。然而鄭西客運專線大部分處于低山丘陵區(qū)的黃土地段,路基工程要滿足工后沉降不大于15 mm的要求,因此地基處理技術(shù)、路基填筑壓實工藝以及相關(guān)質(zhì)量控制指標的建立顯得尤為重要。《高速鐵路設計規(guī)范》[1]要求基床底層填料必須使用A、B組填料或改良土,但是,沿線合格的路基填料很少,唯一既經(jīng)濟又合理的途徑就是對黃土填料進行改良,使其滿足路基填筑的要求[2～4]。

比較好的方法之一就是采用水泥改良黃土路基填料,但是水泥與黃土摻和后會不斷反應,使混合料的含水量、密度、強度等物理力學指標均隨時間發(fā)生變化,路基填料控制指標的值在施工過程中也隨著變化,因此,改良后填料合理的施工工藝決定著水泥改良黃土路基最終的質(zhì)量。為此,結(jié)合鄭西線河南靈寶某試驗段工程,開展水泥改良黃土現(xiàn)場填筑壓實試驗,對水泥改良黃土填料的路用性能進行研究,可為類似工程提供參考。

2 試驗準備

試驗所用黃土取自鄭西(鄭州—西安)客運專線某工點的黃土,物理性質(zhì)指標如表1所示,土體呈黃色發(fā)白,土體疏松且具有大孔隙,原狀黃土的壓縮系數(shù)在0.799～0.925 MPa-1間變化,屬高壓縮性土；水穩(wěn)性較差,原狀土飽和無側(cè)限抗壓強度一般為15.1～23.2 kPa,與天然狀態(tài)相比,其強度值降低了70%左右；該黃土的耐水浸泡性能比較差,在靜水中4 min左右出現(xiàn)明顯破壞,不能滿足工程使用要求。

針對不同摻和比的水泥改良黃土進行室內(nèi)試驗,根據(jù)試驗結(jié)果,選取6%水泥摻和比為施工摻和比[5,6],其室內(nèi)試驗測得的各項物性指標見表2。

表1 黃土的物理性質(zhì)指標

表2 6%水泥改良黃土各項物理力學指標

3 現(xiàn)場填筑試驗

3.1 最大干密度和最優(yōu)含水率

最大干密度和最優(yōu)含水量的大小是影響壓實效果的重要因素,由于水泥改良土最大干密度具有延時衰減特性,在保證填筑壓實質(zhì)量的前提下,應采取延長水泥改良土初凝時間的措施。所以填筑之前對6%的水泥改良黃土進行了重型擊實試驗,即將拌和料分別延遲1、2、3、4、5、6 h再進行重型擊實試驗,試驗結(jié)果如圖1和表3所示。從圖1、表3可以看出,水泥改良黃土的最大干密度隨著擊實時間的延長逐漸減小,重型擊實1 h時最高為1.94 g/cm3,到6 h已經(jīng)降為1.865 g/cm3；水泥改良黃土的最優(yōu)含水率隨著擊實時間的延長逐漸增大,重型擊實1 h時最低為10.4%,到6 h已經(jīng)增加到11.8%；其主要原因可能為,黃土中摻入水泥后,隨著水化作用的進行,顆粒的粗化程度越來越高,土體的孔隙率n逐漸增大,當擊實試驗能夠破壞水化反應所形成的水泥土骨架時,最大干密度降低；隨著水化反應的逐步深入,水化物與土顆粒相互連結(jié)變?yōu)橹旅艿目臻g網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),擊實試驗已不能破壞其結(jié)構(gòu),最大干密度開始升高。而隨著水化作用的逐步發(fā)展,需要更多的水參與反應,因此最優(yōu)含水率隨擊實延時而增大。

圖1 最大干密度與擊實時間關(guān)系

延遲時間/h最大干密度/(g·cm-3)最優(yōu)含水率/%119401062192411231910119418951215187012461865125

由于文獻[7]規(guī)定的擊實時間(<1 h)與文獻[8]規(guī)定的現(xiàn)場填筑到碾壓完成所用時間(<5 h)相差較大,因此,用拌和后立即進行擊實試驗得到的較高最大干密度去評判延遲壓實后檢測得到的干密度,會存在較大誤差,甚至會出現(xiàn)質(zhì)量較好的路基達不到規(guī)范要求的壓實標準的情況。所以,在施工現(xiàn)場,水泥改良黃土經(jīng)過廠拌后,根據(jù)水泥初、終凝時間，拌和站能力及運輸、攤鋪、碾壓能力,選取3 h擊實的最大干密度和最優(yōu)含水率作為壓實技術(shù)參數(shù),即最大干密度為1.91 g/cm3,最優(yōu)含水率為11.9%。

3.2 松鋪系數(shù)

松鋪系數(shù)的大小對壓實質(zhì)量及功效都有很大的影響。現(xiàn)場選取松鋪厚度分別為15、23、33 cm進行試驗,壓實檢測滿足要求后,觀測攤鋪前后的高程變化,試驗結(jié)果如表4所示。由表4可知,水泥改良黃土填料的松鋪系數(shù)取1.1～1.2時可取得較好的壓實效果。

表4 松鋪系數(shù)

3.3 壓實工藝

通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn),水泥改良黃土填料碾壓方式不適合強振,強振后,由于振動而產(chǎn)生沖擊荷載,使得碾滾對填土的壓應力增大,因而導致碾滾對填土的壓應力大于填土的極限強度,使得表面10～20 cm范圍內(nèi)的土體發(fā)生剪切破壞現(xiàn)象,而后再碾壓表面就會出現(xiàn)起皮,橫向裂紋等現(xiàn)象,壓實效果不好,現(xiàn)場測得壓實度為0.86～0.94。單靠靜壓也達不到壓實度大于0.95的要求,最終經(jīng)過現(xiàn)場多次碾壓試驗,宜采用靜壓和弱振相結(jié)合的碾壓方法(先靜壓1遍,基本穩(wěn)定土體和壓實表層；弱振1～2遍,保證深層土體壓實；繼續(xù)靜壓2～3遍,壓實弱振時被破壞的表層土體,并使之平整、光潔)。

碾壓時,為消除碾壓形成的鼓包,壓路機沿縱向碾壓,第一輪與第二輪重疊1/4輪,并且壓路機碾滾必須超過接縫處,確保壓實均勻,做到不漏壓、無死角。

碾壓速度應先慢后快,最大速度不超過3.5 km/h,以免混合料被推走,前2遍的碾壓速度采用2 km/h,第3、4遍的碾壓速度采用2.5 km/h,第5至第7遍的碾壓速度可采用3 km/h。

3.4 壓實質(zhì)量檢測及分析

3.4.1 壓實度指標分析

《高速鐵路設計規(guī)范》[1]規(guī)定,改良土填筑路基基床底層要求壓實系數(shù)K≥0.95,為獲得可靠、快捷的改良土壓實度檢測方法,結(jié)合鄭西客運專線現(xiàn)場實際情況,在相同碾壓條件下,采用灌砂法和環(huán)刀法同時測點其壓實度,2種方法檢測結(jié)果相關(guān)性曲線如圖2所示。通過回歸分析,灌砂法與環(huán)刀法檢測值相關(guān)系數(shù)為0.90,標準差0.018,相關(guān)方程為ρ灌=0.647ρ環(huán)+0.645,說明2種方法的測試結(jié)果具有良好的線性相關(guān)性。相比較而言,環(huán)刀法僅能測定小體積范圍內(nèi)的壓實質(zhì)量,與實際土體存在一定的差異,離散性較大,而灌砂法檢測更具代表性,在檢測效率方面,環(huán)刀法測試時間相對灌砂法少得多。因此,在現(xiàn)場時間允許的條件下,采用灌砂法檢測填料壓實度更為合理。

圖2 灌砂法與環(huán)刀法干密度相關(guān)曲線

3.4.2 力學指標的相關(guān)性

《高速鐵路設計規(guī)范》[1]規(guī)定無砟軌道路基基床底層及以下采用K30或Ev2和Evd控制。K30和Ev2理論上都是通過現(xiàn)場靜態(tài)平板載荷試驗獲得的,反映荷載作用下土體抵抗變形能力的剛度參數(shù)。但是,二者在定義、加載方式、等級和分析方法上有所不同。K30是取第一次加載的σ-s曲線上s為1.25 mm所對應的應力σ除以1.25得到的；Ev2是根據(jù)卸載后第二次加載σ-s曲線上0.3σmax和0.7σmax之間的位移割線斜率來確定的。Evd是一種快速評價動態(tài)變形模量的方法,通過落錘施加沖擊荷載產(chǎn)生的動應力和沉陷測點路基填土抵抗動荷載的能力,可反映列車高速運行時產(chǎn)生的動應力對路基的真實作用情況[9-10]。

(1)各強度指標統(tǒng)計分析(表5)

表5 各強度指標統(tǒng)計分析

表5給出了測試結(jié)果的統(tǒng)計值,可以看出,各強度指標都遠遠大于了規(guī)范值,其中K30的平均值為200.6 MPa/m,高于規(guī)范要求值82.4%；Evd的平均值為51.4 MPa,高于規(guī)范要求值46.9%；Ev2的平均值為80.9 MPa,高于規(guī)范要求值34.8%。但同時也可以看出,由于檢測時間以及土體離散性較大的原因,強度檢測指標值離散性也較大,K30、Evd、Ev2統(tǒng)計的標準差和變異系數(shù)都較大。鄭西客運專線當?shù)貧夂蛉諟馗唢L大,水泥初終凝間隔時間1 h左右,改良土失水快,土體表層強度上升快,形成硬殼,當水泥終凝后,檢測的K30值大部分大于256 MPa/m,因此建議碾壓完成后必須在1～2 h內(nèi)完成檢測K30指標。Evd盡管預先施加3次沖擊荷載,但由于反彈很難保證載荷板同地面的結(jié)合像靜載那樣良好,導致Evd值離散性大,測試的沉降在很大程度上受界面的影響。

(2)K30和Evd的相關(guān)關(guān)系(圖3)

圖3 K30和Evd相關(guān)關(guān)系

根據(jù)測試的數(shù)據(jù)回歸分析得出K30=45.5+2.217Evd,相關(guān)系數(shù)為0.75,標準差為28.48,可見K30和Evd的相關(guān)關(guān)系不是很好。

(3)K30和Ev2相關(guān)關(guān)系(圖4)

根據(jù)測試的數(shù)據(jù)回歸分析得出K30=61.2+1.27Ev2,相關(guān)系數(shù)為0.29,標準差為40.18,可見K30和Ev2的相關(guān)性非常差,二者沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。前面已經(jīng)介紹過K30和Ev2的概念,由于K30和Ev2的基本概念、物理意義、檢測方法和計算方法均不相同,所以,他們之間沒有一一對應的、完全定量的相關(guān)關(guān)系,故無法互相替代。

圖4 K30和Ev2相關(guān)關(guān)系

從上面的分析可以得出,對于壓實良好的填土,由于Ev2測試時,載荷板同土的耦合非常好,而第一次加載對填土本身狀態(tài)的影響小,更能反映填土自身的特征,且該參數(shù)為土體自身的特征參數(shù),用于設計計算和理論分析較好。K30用于水泥改良土填筑的路基檢測時,由于水泥水化后,表面強度會很大,K30值測出來會很大,Evd由于受接觸界面的影響較大,并不是真正意義上的動態(tài)變形模量,用于設計計算和理論分析較差一些,但其測試方便、快捷,有利于增加測點個數(shù),以消除土的離散性的影響,適合于質(zhì)量監(jiān)控。

由于實際試驗結(jié)果與土體粒徑、土體性質(zhì)和狀態(tài)及土體的含水量有直接關(guān)系,因此在借鑒國外的規(guī)范和方法時,要理解各參數(shù)的真正意義,明確試驗條件和試驗標定方法,進行系統(tǒng)完整的對比分析,從而消化吸收國外的先進經(jīng)驗。

4 結(jié)論

通過對試驗段工程水泥改良黃土路基填料碾壓試驗結(jié)果分析,得出如下結(jié)論：

(1)水泥改良黃土最大干密度隨擊實時間的延遲逐漸減小,最后趨于穩(wěn)定,即具有一定的時效性,結(jié)合現(xiàn)場水泥初、終凝時間、拌和站能力及運輸、攤鋪、碾壓能力,選取3 h擊實的最大干密度和最優(yōu)含水率作為壓實技術(shù)參數(shù)；

(2)現(xiàn)場采用20 t振動壓路機,對試驗段工點水泥改良黃土進行碾壓,最佳碾壓工藝為：靜壓1遍,弱振1～2遍,繼續(xù)靜壓2～3遍；松鋪系數(shù)取1.1～1.2可取得較好的壓實效果；

(3)通過對壓實指標相關(guān)性分析可知：受填料級配、含水量、檢測時天氣狀況等影響,各檢測指標間相關(guān)性一般。建議現(xiàn)場檢測時,壓實度檢測采用灌砂法,強度檢測(K30、Ev2、Evd)的3種方式不能相互替代,必須在碾壓完成后及時檢測。

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