新型路基處理方法的填料級配研究

陳勛 張麟 張雨 上海鐵路局王少鋒 同濟大學

隨著鐵路提速和運量的日益增加，滿足重載、高速是鐵路運輸對線路結構提出的要求。與此同時，許多線路病害對運輸的影響也日漸突出，主要表現在線路翻漿冒泥、道床板結和線路幾何形態變化大等方面。除了線路設備老化外，路基病害（見圖1）是一個很重要的原因，又很難用一般的養修手段來解決。一旦出現路基病害，只有等待合適的時間進行病害徹底整治，有的地段甚至不得不長期慢行，嚴重影響運輸秩序和運輸能力。傳統的整治方法已無法滿足日益緊張的運輸條件，因此必須開展新型的路基處理方法以及相關的回填填料的研究。

圖1 路基翻漿冒泥的典型表現

1 新型路基處理方法

對于路基病害，多年來我國工務部門在此方面做出了很多努力，積累了一些經驗。對于路基翻漿冒泥，整治路基面保護層是一種提高軌道路基承載能力的有效方法，基本上采用全斷面處理，即挖取薄弱層和泥漿道砟，使用土工布封閉處理。但是傳統的路基處理方式基本上靠人力作業，機械化程度低，作業質量較難保證；受施工天窗及作業場地限制，基床處理的深度有限，一般只能換填0.3 m左右；作業效率較低，人力成本越來越高；施工安全風險大，安全控制難度較大。

新型路基處理方法使用Plasser&Theurer公司研制的新型路基處理車，該車具有道砟回收、砂石回填起道功能。這種路基整治方法可以將原有的道床砂石清理出，一次工作過程最多可回填50 cm厚的路基保護層。它的特點在于在整治過程中可將回收的道砟材料破碎成相應的規格后再次用于路基保護層。這不僅顯著降低材料消耗量，同時減少了材料費用和運輸、供貨費用。

該型號路基處理車是首次在中國使用，尚無可以借鑒的經驗與文獻，其國外各項施工方法以及相關參數無法適用于我國國內的運輸條件以及天窗時間。其中，填料的質量是新型路基處理方法中的最為關鍵的一環，直接決定著施工質量的優劣，對于開通后的鐵路運營安全與性能有著極大的影響。

2 路基基床表層的填料要求

填料的級配影響路基強度、剛度與使用壽命。最佳級配的填料具有較大密實度和路基承載力，能在長期承受機車的荷載和動力作用下仍能保持良好的性能與狀態，并且透水性良好，大大降低路基翻漿冒泥等病害發生的頻率，延長路基基床使用壽命。路基基床分為表層及底層，表層厚度為0.6 m，底層厚度為1.9 m，總厚度為2.5 m。新建線路的路基基床為分層填充并壓實，因此比較容易達到規范的要求，而新型路基處理方法，由于采用的方法是一次性回填舊道砟與新料混合后的填料并夯實，國內各相關規范尚未有關于此類回填料級配的規定。因此必須研究回填料的合理級配，才能達到最佳效果。

根據國外此類路基處理方法中的成功經驗，填料級配要求如下：(1)分級的顆粒混合物0/32，由粗砂和至少兩種等級的礫石組成。(2)分級后的礫石必須清洗，但允許有相應的飛塵。粗砂必須清洗，使可以用水除洗的污泥類物質盡可能少。(3)至少有90%的破碎顆粒（各側表面都破碎，圓顆粒的破碎表面部分至少占70%）。(4)顆粒尺寸分布，根據顆粒級配曲線，小于0.02 mm的部分最多為3%。其顆粒篩分表如表1所示。

表1 國外路基處理車的填料級配

而我國對新建鐵路路基基床相關參數的要求，是其應符合TB10001-2005《鐵路路基設計規范》（以下簡稱規范）的要求（見表 2）。

表2 《規范》對級配砂礫石的要求

3 新型路基處理方法的填料級配選用標準

填料中最大粒徑越大，起骨架作用的粗集料相對較多，從獲得填料的最大承載力。但最大粒徑越大，在運輸、攤鋪過程中的粗細顆粒離析會成為主要問題，一旦施工中發生離析，其性能會大大降低。采用較大的粒徑時，也不容易機械整平，而且用于拌和及整平的設備容易磨損。工程實踐研究表明最大粒徑為31.5 mm的粗集料不易離析，質量均勻，因此，綜合考慮最大粒徑對級配碎石性能的影響以及具體的氣候條件，并確保施工中不離析。因此建議路基處理車施工中回填填料的最大粒徑取31.5 mm或者26.5 mm。

由于國外相關的篩分實驗所用的篩孔尺寸要求比較嚴格，我國現場施工的篩分實驗以及新料的質量還無法達到如此細密的要求。但通過比較國外回填填料與我國規范要求的砂礫石篩分實驗的級配曲線(見圖2)，可以看出，規范規定的三號級配曲線與國外的施工級配曲線最為接近，因此，可以選擇三號級配作為我國國內路基處理車施工時候的級配標準。

圖2 國外施工填料級配與我國規范級配曲線對比圖

4 各種填料混合比例設計

由于實際施工中由破碎后的舊道砟或者新料往往很難直接滿足施工級配的要求，所以往往要采用兩種或兩種以上的填料配合起來使用。級配設計的內容就是通過一定的方法，確定混合料中各規格填料的用量比例。設計方法主要有試算法與圖解法兩種，其原理在參考文獻[4] 中有詳細介紹。

假設混合料由A、B、C三種填料組成，每種填料所占比例為α、β、γ，α+β+γ＝100%；各種填料的篩分結果為ai、bi、ci，其中i為篩孔尺寸，ai、bi、ci分別為 A、B、C 三種填料通過篩孔i的質量百分比。則混合料D中通過各篩孔i的質量百分比應為：

根據上述原理，在提前做好各種物料篩分試驗的前提下，按照級配中值為最優級配的思想和前述的試算法，在EXCEL中利用SUMPRODUCT函數，使合成級配逐步逼近最優級配。

以某工務段現場施工為例，按照就近取材原則所取得的河砂篩分實驗如表3所示：

表3 現場施工所用新料（河砂）的篩分實驗結果

河砂級配中篩孔尺寸為10 mm的通過質量為98.9%，即粒徑大于10 mm的粗骨料幾乎全來自于破碎后的舊道砟，表1中所推薦的三號級配中值中，10 mm粒徑通過質量百分比為60%，即分計篩余為40%，根據試算法的理論，設計破碎后的舊道砟所占比例為75%，河砂比例為15%，因為規范級配中值里的最小粒徑0.075mm所占的百分比大于河砂中同粒徑的比例，因此根據就近取得的材料中，配10%的圩石粉來充當細骨料粘合。該圩石粉中，通過0.25mm篩孔的質量百分比為100%，通過0.075mm篩孔的質量百分比為50%。因此，初步設計各填料比例為舊道砟：河砂：圩石粉＝75：15：10。

由于破碎后的舊道砟比例可以控制與調整，因此，為使合成級配最接近于最優級配，建議使用破碎后的舊道砟級配為表4所示。

表4 建議破碎后的舊道砟最優級配

按照舊道砟最優級配進行設計，合成級配一行使用SUMPRODUCT函數，通過反復調試，則最終合成級配為表5所示：

表5 混合料的合成級配

混合料的合成級配與規范規定的三號級配中值級配曲線對比圖如圖3所示。

圖3 混合料的合成級配與規范規定的三號級配中值級配曲線對比圖

由表5可知，合成的混合料的級配與規范規定的三號級配中值非常接近，其標準差只有9.38，從圖3中也可以看出，兩條級配曲線幾乎重合。

5 填料回填效果檢測

將以上級配用于現場施工回填料后，用輕型觸探儀進行動力觸探試驗和用輕型落錘儀進行Evd測試，均達到鐵路路基承載力的要求標準，并且進行了一年的跟蹤觀察，路基承載力良好，并且無再生病害發生。

6 結論

(1)新型路基處理方法能快速高效地整治路基翻漿冒泥病害，由于其本身的作業特點，對其回填填料的級配進行研究是非常重要的。

(2)由于我國現場施工時就近所取的新料無法達到國外同類路基處理車成功經驗的填料標準，因此，根據級配曲線，選取國內《規范》規定的三號砂礫石級配作為回填填料的標準。

(3)根據就近取得的新料的級配，在試算法基礎上，設計舊道砟破碎后的最佳級配以及混合料中各填料的比例，以國內規范的三號級配中值為最優級配，經過反復調試，得出最佳配合比。

(4)對回填的混合料進行路基承載力相關檢測并長期跟蹤，證明所設計的回填填料配合比可以滿足路基承載力的要求。