高速鐵路路基粗顆粒土填料物理改良試驗(yàn)分析

楊西鋒

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

高速鐵路路基填料設(shè)計(jì)盡可能使用優(yōu)質(zhì)填料，是學(xué)術(shù)界和工程界的普遍共識(shí)。所謂優(yōu)質(zhì)填料，可以理解為包括現(xiàn)行《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10001—2005)第5章中所規(guī)定的A或B組天然填料以及人工干預(yù)條件下的改良土。但實(shí)際情況是，幾乎所有鐵路線路附近，優(yōu)質(zhì)的天然填料都比較匱乏。同時(shí)存在的問題是，即使是優(yōu)質(zhì)的A或B組天然填料在高速鐵路路基中使用時(shí)，也會(huì)因?yàn)榇嬖谝恍┤毕荻荒軡M足現(xiàn)行規(guī)范對路基填筑密實(shí)度的要求。這就需要通過人工改良的方法克服現(xiàn)有填料的不足，提高填料質(zhì)量，滿足規(guī)范要求。

填料改良分為化學(xué)改良和物理改良2種方式，無論哪種改良方式，改良后的填料在應(yīng)用于高速鐵路路基時(shí)，都必須滿足以下4個(gè)方面最基本的要求：

(1)滿足現(xiàn)行規(guī)范各項(xiàng)要求；

(2)具有足夠的強(qiáng)度，在列車荷載和路基自重荷載作用下能夠保持長期的穩(wěn)定；

(3)壓縮性小，且路基本體的壓密沉降能較快完成；

(4)在外界環(huán)境的不利因素下(水、溫度等)性能保持長期穩(wěn)定。

結(jié)合哈大客運(yùn)專線某段路基工程對B組細(xì)圓礫土所開展的物理改良試驗(yàn)，著重介紹針對粗顆粒土實(shí)施物理改良的起因、過程及結(jié)果，提出粗顆粒土物理改良適用條件。同時(shí)，結(jié)合以往及現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范有關(guān)規(guī)定，討論規(guī)范條文推進(jìn)過程，對現(xiàn)行路基填料分級提出改進(jìn)建議。

1 概述

哈大客運(yùn)專線是我國在東北嚴(yán)寒深季節(jié)凍土區(qū)自行設(shè)計(jì)、建造的第一條無砟軌道客運(yùn)專線，沈陽至哈爾濱段南起遼寧省省會(huì)沈陽市，途徑鐵嶺，吉林省四平市、長春市、松原市，終止黑龍江省會(huì)哈爾濱，線路全長465.446 km，其中路基長102.918 km。路基工程經(jīng)過的地貌單元有沖洪積平原、低山緩丘和剝蝕平原微丘區(qū)。涉及地層巖性有粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)黃土、砂礫石土、泥巖夾砂巖、安山巖。沿線地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。

填料物理改良試驗(yàn)段位于遼寧省開原市八寶鎮(zhèn)和金溝子鎮(zhèn)，哈大客運(yùn)專線TJ-2標(biāo)D1K499+005.85～ D1K520+546.6段，路基總長度為11.979 km，均以填方形式通過，填方高度5～7.0 m，路基共需要A或B組填料1 086 009 m3。設(shè)計(jì)填料均取自D1K508+100右側(cè)4.1 km開原市清河左岸河灘取土場，為細(xì)圓礫土，屬B組填料。依據(jù)《新建時(shí)速300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定(上、下)》(鐵建設(shè)[2007]47號(hào))，滿足規(guī)范要求。

該段路基2008年5月開工之初，施工單位進(jìn)行場地預(yù)填筑試驗(yàn)，取設(shè)計(jì)取土場填料按施工規(guī)范技術(shù)要求分層填筑碾壓后，對各項(xiàng)壓實(shí)度控制指標(biāo)進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)Evd不能滿足基床底層壓實(shí)度要求。改進(jìn)施工工藝反復(fù)試驗(yàn)后，依然不能滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際情況，遂考慮對設(shè)計(jì)天然填料實(shí)施物理改良。

2 天然填料物理改良試驗(yàn)

2.1 設(shè)計(jì)取土場天然填料級配情況

為取得改良基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，首先對設(shè)計(jì)取土場的天然填料進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，獲得其級配情況。在設(shè)計(jì)取土場隨機(jī)選取3個(gè)取樣點(diǎn)，分別在深度3.0 m和4.0 m各取一個(gè)土樣，總共合成為6組試樣進(jìn)行室內(nèi)篩分試驗(yàn)，將各組試樣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行平均，見表1。

表1 天然填料顆粒分析結(jié)果

根據(jù)各組試樣試驗(yàn)結(jié)果：天然填料中，2 mm以上顆粒質(zhì)量百分率在26%～65%，不均勻系數(shù)15.092～49.587，曲率系數(shù)0.064～4.354，級配不良。根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10001—2005)第5章中所規(guī)定，判定該取土場土質(zhì)類別為級配不良的細(xì)圓礫土，屬B組填料。

2.2 物理改良預(yù)設(shè)計(jì)

采用天然填料填筑的路基在壓實(shí)后其Evd不能滿足設(shè)計(jì)要求，通過分析天然填料的土工試驗(yàn)結(jié)果可以得出， 其原因在于天然填料級配不良。因此，物理改良的目的就是通過人工干預(yù)的方法，改善天然填料的級配，使之達(dá)到良好級別，變?yōu)锳組填料。繪制天然填料的級配曲線與級配良好的細(xì)圓礫土(A組填料)級配標(biāo)準(zhǔn)曲線對比，見圖1。

圖1 天然填料與標(biāo)準(zhǔn)A組填料級配曲線對比

由圖1可以看出，天然填料的級配曲線與標(biāo)準(zhǔn)A組填料級配曲線相比存在不小的差距，尤其直徑20、10、5、1 mm篩上的顆粒含量相差較大。繪制天然填料5 mm以上、0.075～5、0.075 mm以下3個(gè)粒徑范圍內(nèi)各自質(zhì)量百分比餅圖，見圖2。

圖2 天然填料顆粒組成

由圖2可以看出，直徑0.075～5 mm的顆粒含量過大是造成天然填料級配不良的主要因素。因此，要達(dá)到改善填料級配的目的，一是可以通過篩選的辦法剔除掉過多的直徑0.075～5 mm范圍內(nèi)的顆粒，另外還可以通過摻入一定量大于5 mm和小于0.075 mm的顆粒來實(shí)現(xiàn)。

通過理論計(jì)算可知，去除掉大約70% 直徑0.075～5 mm范圍內(nèi)的顆粒，可以使天然填料的級配曲線位于A組填料范疇內(nèi)。故另取代表性試樣進(jìn)行分離，把直徑0.075～5 mm之間的顆粒去掉70%后，再把篩余料進(jìn)行重新組合篩分，組合后的重新篩分結(jié)果見表2，同時(shí)繪制顆粒級配曲線見圖3。

表2 調(diào)整后的填料顆粒分析結(jié)果

圖3 天然填料與標(biāo)準(zhǔn)A組填料級配曲線對比

由表2和圖3可以看出，調(diào)整后的天然填料其級配情況為：0.075 mm以下顆粒含量為1.4%，0.075～5 mm之間的顆粒含量為34.6%，5 mm以上顆粒含量為64%。不均勻系數(shù)Cu=54.813，曲率Cc=1.824，已變?yōu)榧壟淞己玫募?xì)圓礫土，屬A組填料。繪制上述3個(gè)粒徑范圍內(nèi)調(diào)整后的填料各自質(zhì)量百分比餅圖，見圖4。

圖4 調(diào)整后填料顆粒組成

如果按照上述比例采取剔除的方法對填料進(jìn)行物理改良，則天然填料利用率只有約53%。這樣一方面造成填料大量浪費(fèi)，不利于環(huán)境保護(hù)，同時(shí)取土場儲(chǔ)量也無法滿足要求，另一方面利用人工篩選剔除其中部分級別顆粒土的做法在實(shí)際施工過程中也不太現(xiàn)實(shí)。因此，參照圖4所示的填料粒徑比例，在原天然填料中摻入一定比例其他粒徑填料，從而達(dá)到填料物理改良的目的，成為比較現(xiàn)實(shí)和可行的辦法。

根據(jù)調(diào)整后的填料粒徑組成，設(shè)計(jì)出以下4種不同的摻配方案對原天然填料進(jìn)行物理改良，對改良后的填料分別進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)和現(xiàn)場填筑試驗(yàn)，滿足各項(xiàng)要求后確定最終施工摻配方案。

方案1：在原天然填料中摻加7%砂黏土。摻配后顆粒密度2.61 g/cm3，最大干密度2.13 g/cm3，最佳含水量5.1%。大于5 mm的顆粒含量為45%，土樣最大顆粒粒徑為40 mm，0.075 mm以下細(xì)顆粒含量7.1%，不均勻系數(shù)47.83，曲率系數(shù)2.664，級配良好，填料等級為A組。

方案2：在原天然填料中摻加30%的5～40 mm卵石。摻配后顆粒密度2.65 g/cm3，最大干密度2.09 g/cm3，最佳含水量4.3%。大于5 mm的顆粒含量為70%，土樣最大顆粒粒徑為60，0.075 mm以下細(xì)顆粒含量1.2%，不均勻系數(shù)21.870，曲率系數(shù)3.175，級配不好，填料等級為B組。

方案3：在原天然填料中摻加30%的5～40 mm卵石和7%的砂黏土。摻配后顆粒密度2.63 g/cm3，最大干密度2.15 g/cm3，最佳含水量5.2%。大于5 mm的顆粒含量為63%，土樣最大顆粒粒徑為40，0.075 mm以下細(xì)顆粒含量7.2%，不均勻系數(shù)65.134，曲率系數(shù)2.442，級配良好，填料等級為A組。

方案4：在原天然填料中摻加25%的5～40 mm卵石和7%的砂黏土。摻配后顆粒密度2.61 g/cm3，最大干密度2.13 g/cm3，最佳含水量4.9%。大于5 mm的顆粒含量為57%，土樣最大顆粒粒徑為40，0.075 mm以下細(xì)顆粒含量7.8%，不均勻系數(shù)69.84，曲率系數(shù)2.871，級配良好，填料等級為A組。

2.3 物理改良后現(xiàn)場填筑試驗(yàn)

2.3.1 填筑試驗(yàn)準(zhǔn)備工作

(1)試驗(yàn)場地選擇

在施工場地外選擇一塊平整場地，其平面尺寸為60 m×60 m，作為路基場外填筑試驗(yàn)段，場地基底采用推土機(jī)平整處理后，壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)，延時(shí)24 h后，經(jīng)檢測Evd與Ev2指標(biāo)滿足壓實(shí)度要求。

(2)施工機(jī)械組合(表3)

表3 填筑試驗(yàn)施工機(jī)械配置

(3)主要試驗(yàn)檢測儀器配置

Evd檢測儀1套、Ev2檢測儀1套、K30檢測儀1套、灌水法檢測儀1套。

(4)檢測項(xiàng)目及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)(表4)

表4 基床底層填料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)(粗礫土)

注：以上數(shù)據(jù)為哈大客運(yùn)專線設(shè)計(jì)時(shí)執(zhí)行規(guī)范《新建時(shí)速300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定(上、下)》(鐵建設(shè)[2007]47號(hào))規(guī)定數(shù)值。

2.3.2 填筑試驗(yàn)結(jié)果

(1)填筑施工工藝及檢測方案

現(xiàn)場松鋪厚度按35 cm控制，推土機(jī)攤鋪，平地機(jī)整平，檢測含水量后開始碾壓。碾壓順序?yàn)橄褥o壓1遍，弱振2遍，強(qiáng)振3遍，最后靜壓1遍收光，測量壓實(shí)厚度為30 cm。然后檢測各項(xiàng)指標(biāo)(每個(gè)指標(biāo)檢測6個(gè)點(diǎn))，不滿足要求后重新強(qiáng)振2遍，靜壓1遍，再度檢測。如依然不滿足，則繼續(xù)碾壓至11遍最后檢測，如不滿足則放棄該方案。

考慮到填料對Evd指標(biāo)最為敏感，為減少工作量，每次首先檢測Evd指標(biāo)，再檢測Ev2，均符合要求后再檢測K30、孔隙率。如Evd不符合要求，則放棄其他檢測項(xiàng)目。

(2)填筑試驗(yàn)檢測結(jié)果

依據(jù)上述施工工藝及檢測方案，分別對原天然填料、方案1～方案4物理改良后填料進(jìn)行現(xiàn)場填筑試驗(yàn)，試驗(yàn)檢測結(jié)果見表5。

由表5可以看出，方案3各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)均滿足要求，因此可以依照此摻配比例對原天然填料進(jìn)行物理改良。

表5 各填料填筑試驗(yàn)后檢測值

注：表中數(shù)據(jù)為6個(gè)檢測點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)的平均值。

3 結(jié)論

(1)將上述方案3摻配成的填料進(jìn)行室內(nèi)篩分試驗(yàn)得出：5 mm以上粗顆粒含量為63%，0.075～5 mm的顆粒含量為29.8%，0.075 mm以下的細(xì)顆粒含量為7.2%，結(jié)合原天然填料的篩分結(jié)果，通過計(jì)算可知需在原天然填料中摻入粗圓礫31%，砂黏土5.9%。各種顆粒含量詳情見表6。

表6 實(shí)際摻配比例

由表6可知，施工現(xiàn)場應(yīng)按照原天然填料∶摻粗圓礫∶摻砂黏土=63.1∶31∶5.9(1∶0.49∶0.09)比例進(jìn)行實(shí)際摻配。

(2)最佳含水量5.2%，顆粒密度2.63 g/cm3，最大干密度2.15 g/cm3。

(3)施工工藝：松鋪厚度為35 cm，壓實(shí)厚度28～30 cm，壓實(shí)系數(shù)1.2。碾壓方法為：靜壓1遍+弱振2遍+強(qiáng)振3遍+靜壓1遍共7遍的方法進(jìn)行。

(4)鑒于場外試驗(yàn)有一定的局限性，在實(shí)際施工中可根據(jù)此參數(shù)和實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4 結(jié)語

將哈大客運(yùn)專線設(shè)計(jì)時(shí)執(zhí)行的規(guī)范《新建時(shí)速300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定(上、下)》(鐵建設(shè)[2007]47號(hào)，以下簡稱“舊規(guī)范”)與現(xiàn)行高速設(shè)計(jì)規(guī)范《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB 10020—2009，以下簡稱“新規(guī)范”)關(guān)于無砟軌道路基基床底層采用粗顆粒土填料時(shí)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)列表對比，見表7。

由表7可以看出，新規(guī)范取消了對孔隙率<28%的要求，重新使用地基系數(shù)K30孔隙率和壓實(shí)系數(shù)同時(shí)對路基壓實(shí)度的檢驗(yàn)，二者任取其一即可。

新規(guī)范不再強(qiáng)制使用Ev2指標(biāo)，指出可以選擇使用K30或Ev2。從本質(zhì)上，無論是二次變形模量Ev2還是地基系數(shù)K30，都屬于靜態(tài)力學(xué)檢測指標(biāo)，都是通過平板載荷試驗(yàn)檢測的，二者存在很多共同之處。但Ev2指標(biāo)對于K30不具備替代性，因此建議在大量現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出K30與Ev2相匹配的控制指標(biāo)，使用K30完全代替Ev2檢測，且逐層檢測，這樣可以更好地提高路基質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。新規(guī)范將Evd指標(biāo)由35 MPa提高至40 MPa，顯示對填料動(dòng)態(tài)性能的重視，相應(yīng)對填料要求更高。如前文討論，相對優(yōu)質(zhì)的B組填料依然不能滿足動(dòng)態(tài)變形模量的要求。新規(guī)范吸取了秦沈客運(yùn)專線的經(jīng)驗(yàn)，在6.4.1條增加“A、B組填料粒徑級配應(yīng)符合壓實(shí)性能要求”的限制，但在設(shè)計(jì)階段實(shí)際操作起來比較困難。因此建議鐵路填料分級在應(yīng)用于高速鐵路時(shí)能夠更加細(xì)化，在進(jìn)一步試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，建立起填料動(dòng)態(tài)指標(biāo)和Cu、Cc之間的聯(lián)系，這樣一方面能便于實(shí)際操作，另一方面也能更有效地進(jìn)行工程投資控制。

表7 新舊規(guī)范無砟軌道路基基床底層壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)對比(粗顆粒土)

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