高速鐵路路基粗顆粒土填料物理改良試驗分析

楊西鋒

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

高速鐵路路基填料設計盡可能使用優質填料，是學術界和工程界的普遍共識。所謂優質填料，可以理解為包括現行《鐵路路基設計規范》(TB 10001—2005)第5章中所規定的A或B組天然填料以及人工干預條件下的改良土。但實際情況是，幾乎所有鐵路線路附近，優質的天然填料都比較匱乏。同時存在的問題是，即使是優質的A或B組天然填料在高速鐵路路基中使用時，也會因為存在一些缺陷而不能滿足現行規范對路基填筑密實度的要求。這就需要通過人工改良的方法克服現有填料的不足，提高填料質量，滿足規范要求。

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

(1)滿足現行規范各項要求；

(2)具有足夠的強度，在列車荷載和路基自重荷載作用下能夠保持長期的穩定；

(3)壓縮性小，且路基本體的壓密沉降能較快完成；

(4)在外界環境的不利因素下(水、溫度等)性能保持長期穩定。

結合哈大客運專線某段路基工程對B組細圓礫土所開展的物理改良試驗，著重介紹針對粗顆粒土實施物理改良的起因、過程及結果，提出粗顆粒土物理改良適用條件。同時，結合以往及現行設計規范有關規定，討論規范條文推進過程，對現行路基填料分級提出改進建議。

1 概述

哈大客運專線是我國在東北嚴寒深季節凍土區自行設計、建造的第一條無砟軌道客運專線，沈陽至哈爾濱段南起遼寧省省會沈陽市，途徑鐵嶺，吉林省四平市、長春市、松原市，終止黑龍江省會哈爾濱，線路全長465.446 km，其中路基長102.918 km。路基工程經過的地貌單元有沖洪積平原、低山緩丘和剝蝕平原微丘區。涉及地層巖性有粉質黏土、黏質黃土、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。

填料物理改良試驗段位于遼寧省開原市八寶鎮和金溝子鎮，哈大客運專線TJ-2標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。設計填料均取自D1K508+100右側4.1 km開原市清河左岸河灘取土場，為細圓礫土，屬B組填料。依據《新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定(上、下)》(鐵建設[2007]47號)，滿足規范要求。

該段路基2008年5月開工之初，施工單位進行場地預填筑試驗，取設計取土場填料按施工規范技術要求分層填筑碾壓后，對各項壓實度控制指標進行檢測，發現Evd不能滿足基床底層壓實度要求。改進施工工藝反復試驗后，依然不能滿足設計要求。根據施工現場實際情況，遂考慮對設計天然填料實施物理改良。

2 天然填料物理改良試驗

2.1 設計取土場天然填料級配情況

為取得改良基礎數據，首先對設計取土場的天然填料進行室內土工試驗，獲得其級配情況。在設計取土場隨機選取3個取樣點，分別在深度3.0 m和4.0 m各取一個土樣，總共合成為6組試樣進行室內篩分試驗，將各組試樣試驗結果進行平均，見表1。

表1 天然填料顆粒分析結果

根據各組試樣試驗結果：天然填料中，2 mm以上顆粒質量百分率在26%～65%，不均勻系數15.092～49.587，曲率系數0.064～4.354，級配不良。根據《鐵路路基設計規范》(TB 10001—2005)第5章中所規定，判定該取土場土質類別為級配不良的細圓礫土，屬B組填料。

2.2 物理改良預設計

采用天然填料填筑的路基在壓實后其Evd不能滿足設計要求，通過分析天然填料的土工試驗結果可以得出， 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的方法，改善天然填料的級配，使之達到良好級別，變為A組填料。繪制天然填料的級配曲線與級配良好的細圓礫土(A組填料)級配標準曲線對比，見圖1。

圖1 天然填料與標準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準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個粒徑范圍內各自質量百分比餅圖，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的顆粒來實現。

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

表2 調整后的填料顆粒分析結果

圖3 天然填料與標準A組填料級配曲線對比

由表2和圖3可以看出，調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Cu=54.813，曲率Cc=1.824，已變為級配良好的細圓礫土，屬A組填料。繪制上述3個粒徑范圍內調整后的填料各自質量百分比餅圖，見圖4。

圖4 調整后填料顆粒組成

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，不利于環境保護，同時取土場儲量也無法滿足要求，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際施工過程中也不太現實。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，從而達到填料物理改良的目的，成為比較現實和可行的辦法。

根據調整后的填料粒徑組成，設計出以下4種不同的摻配方案對原天然填料進行物理改良，對改良后的填料分別進行室內土工試驗和現場填筑試驗，滿足各項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以下細顆粒含量7.1%，不均勻系數47.83，曲率系數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以下細顆粒含量1.2%，不均勻系數21.870，曲率系數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以下細顆粒含量7.2%，不均勻系數65.134，曲率系數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以下細顆粒含量7.8%，不均勻系數69.84，曲率系數2.871，級配良好，填料等級為A組。

2.3 物理改良后現場填筑試驗

2.3.1 填筑試驗準備工作

(1)試驗場地選擇

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段，場地基底采用推土機平整處理后，壓路機進行壓實，延時24 h后，經檢測Evd與Ev2指標滿足壓實度要求。

(2)施工機械組合(表3)

表3 填筑試驗施工機械配置

(3)主要試驗檢測儀器配置

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)檢測項目及壓實標準(表4)

表4 基床底層填料壓實標準(粗礫土)

注：以上數據為哈大客運專線設計時執行規范《新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定(上、下)》(鐵建設[2007]47號)規定數值。

2.3.2 填筑試驗結果

(1)填筑施工工藝及檢測方案

現場松鋪厚度按35 cm控制，推土機攤鋪，平地機整平，檢測含水量后開始碾壓。碾壓順序為先靜壓1遍，弱振2遍，強振3遍，最后靜壓1遍收光，測量壓實厚度為30 cm。然后檢測各項指標(每個指標檢測6個點)，不滿足要求后重新強振2遍，靜壓1遍，再度檢測。如依然不滿足，則繼續碾壓至11遍最后檢測，如不滿足則放棄該方案。

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

(2)填筑試驗檢測結果

依據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物理改良后填料進行現場填筑試驗，試驗檢測結果見表5。

由表5可以看出，方案3各項監測指標均滿足要求，因此可以依照此摻配比例對原天然填料進行物理改良。

表5 各填料填筑試驗后檢測值

注：表中數據為6個檢測點檢測數據的平均值。

3 結論

(1)將上述方案3摻配成的填料進行室內篩分試驗得出：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以下的細顆粒含量為7.2%，結合原天然填料的篩分結果，通過計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 實際摻配比例

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

(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，壓實厚度28～30 cm，壓實系數1.2。碾壓方法為：靜壓1遍+弱振2遍+強振3遍+靜壓1遍共7遍的方法進行。

(4)鑒于場外試驗有一定的局限性，在實際施工中可根據此參數和實際情況進行適當調整。

4 結語

將哈大客運專線設計時執行的規范《新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定(上、下)》(鐵建設[2007]47號，以下簡稱“舊規范”)與現行高速設計規范《高速鐵路設計規范(試行)》(TB 10020—2009，以下簡稱“新規范”)關于無砟軌道路基基床底層采用粗顆粒土填料時壓實標準列表對比，見表7。

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

新規范不再強制使用Ev2指標，指出可以選擇使用K30或Ev2。從本質上，無論是二次變形模量Ev2還是地基系數K30，都屬于靜態力學檢測指標，都是通過平板載荷試驗檢測的，二者存在很多共同之處。但Ev2指標對于K30不具備替代性，因此建議在大量現場試驗和室內試驗的基礎上，得出K30與Ev2相匹配的控制指標，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量控制標準。新規范將Evd指標由35 MPa提高至40 MPa，顯示對填料動態性能的重視，相應對填料要求更高。如前文討論，相對優質的B組填料依然不能滿足動態變形模量的要求。新規范吸取了秦沈客運專線的經驗，在6.4.1條增加“A、B組填料粒徑級配應符合壓實性能要求”的限制，但在設計階段實際操作起來比較困難。因此建議鐵路填料分級在應用于高速鐵路時能夠更加細化，在進一步試驗研究的基礎上，建立起填料動態指標和Cu、Cc之間的聯系，這樣一方面能便于實際操作，另一方面也能更有效地進行工程投資控制。

表7 新舊規范無砟軌道路基基床底層壓實標準對比(粗顆粒土)

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