城際鐵路黃土填料路基壓實響應與力學特征研究

張照龍 蔣應軍 沙紅衛 董鑫 張政 張偉

（1.陜西西韓城際鐵路有限公司，西安710054；2.長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室，西安710064；3.陜西西法（北線）城際鐵路有限公司，西安710065；4.陜西鐵路集團有限公司，西安710199）

黃土廣泛分布在我國西北、東北、華中和華東部分地區。在鐵路工程建設中，常采用黃土作為路基填料。黃土填料路基的壓實通常采用振動碾壓法。大量工程實踐表明，黃土填料路基振動壓實后，路基的塑性變形、滲透系數等物理力學特性均有明顯改善。研究黃土填料路基的壓實響應特性與力學特性，對于提高路基的穩定性、保證施工質量有著重要意義［1-3］。

在黃土填料的壓實響應特征方面，國內學者從黃土路基壓實的技術，影響因素、機理等方面進行了深入研究。文獻［4-6］通過黃土路基室內試驗模型，研究了振幅、振動頻率、碾壓速度與碾壓次數對黃土填料壓實系數的影響，確定了黃土路基最佳振動壓實作業參數，即：振幅1.6 mm、頻率30～32 Hz、碾壓速度1.12～1.30 km/h、振動碾壓次數不宜超過7遍。文獻［7］研究了黃土松鋪厚度、碾壓次數與壓實效果的關系，提出了針對不同松鋪厚度的適宜碾壓次數推薦值及黃土大噸位壓實工藝控制參數。在鐵路路基填料的力學特征方面，文獻［8］通過室內模型試驗，研究了9種路基填料在不同壓實系數下地基系數K30和動態變形模量Evd的相關關系，證明了細粒土的K30與Evd存在較好的相關關系。文獻［9］通過現場試驗研究了7種路基填料Evd與壓實系數之間的相關關系，結果表明粗粒土、細粒土的Evd與壓實系數存在很好的相關性，并建立了不同填料Evd檢測路基壓實質量標準。

綜上所述，現階段對于黃土填料路基壓實響應特征與力學特征的研究大部分還停留在室內模擬試驗階段，其結果缺乏現場的研究支撐。本文依托陜西新建城際鐵路西安至法門寺北線工程，現場深入研究黃土路基填料的壓實響應特征與力學特征，為黃土路基填料的工程應用及施工質量控制提供依據。

1 研究方案

1.1 黃土物理特性

黃土填料取自西法城際鐵路北線DK32+200，其屬于黏質黃土，呈褐黃色，以黏粒為主、粉粒次之，土質不均勻，結構疏松，軟塑-硬塑、硬塑為主，濕陷性等級Ⅱ級。

根據TB 1001—2016《鐵路路基設計規范》對填料組別分類的要求，其塑性指數Ip≥10，液限ωL＜40，該黃土填料為低液限黏土，屬于C3組填料。通過擊實試驗確定的最佳含水率為14%，最大干密度為1.894 g/cm3。黃土填料物理性質見表1。

表1 黃土填料基本物理性質

1.2 試驗方案

填筑工藝試驗段長度約為60 m，底部寬約8 m。試驗段地點為西法北線DK32+200取土場。

1）路基黃土填料壓實響應研究方案

壓路機：選用振動壓路機為柳工22 t單鋼輪振動壓路機和中大39 t單鋼輪振動壓路機。

碾壓方式：擬采用2種碾壓方案，見表2。方案rq為傳統碾壓方式；方案qq為改進后的碾壓方式。

表2 碾壓方式方案

不同松鋪厚度下的最大可壓實水平研究：選用22 t振動壓路機時，松鋪厚度擬為30，35，40 cm；選用39 t振動壓路機時，松鋪厚度擬為45，55 cm。

壓實系數檢測：碾壓過程中每靜壓1遍或振動碾壓2遍測定壓實系數1次。由于振動壓實土體時上層土體比中下層土體要密實，為檢測路基整層的平均壓實系數，檢測時灌砂坑的深度為碾壓后實際壓實厚度。鑒于灌砂法檢測壓實系數耗時較長，因而通過碾壓前后的高程差初步評價壓實效果，以提高碾壓效率，減少壓實度檢測次數。

2）壓實黃土路基力學特征

分別在壓實系數K≈0.90，0.93，0.95段落上檢測K30（碾壓完成后4 h內），距離K30檢測點位不超過30 cm范圍內選擇不少于5個點位檢測Evd、并用灌砂法檢測該點壓實系數。研究壓實系數對壓實黃土K30和Evd的影響，并建立K30-Evd之間關系。

地基系數K30檢測：使用地基系數K30測試儀在路基頂面進行靜壓平板載荷試驗，剛性荷載板的直徑為30 cm，采用單循環逐級加載的方式，以0.04 MPa的增量進行加載，在每級荷載作用穩定下，讀取相對應的沉降量和荷載強度值，總沉降量大于1.25 mm時，本次試驗結束，計算式為

式中：P為沉降量對應的荷載強度值，MPa；S為沉降量，m。

動態變形模量Evd檢測：使用動態變形模量測試儀通過自由下落的落錘進行沖擊路基面，并測定路基土在沖擊荷載作用下產生的沉陷值，從而計算路基土體的動態變形模量Evd，計算式為

式中，S1為承載板沉陷值，mm。

2 黃土填料路基壓實響應特征分析

2.1 碾壓工藝

22 t壓路機在不同碾壓方式下對黃土路基的壓實效果見圖1。松鋪厚度35 cm，碾壓時含水率約為14%。

圖1 22 t壓路機不同碾壓工藝下路基壓實效果

由圖1中方案rq可知，靜壓1遍，弱振第2遍時，路基表面變形值基本不再變化，此時壓實系數為0.862，壓實厚度約33 cm。改為強振后，隨著強振遍數增加，黃土路基壓實系數繼續增大，當強振7遍后，繼續碾壓路基表面變形值基本不再變化，此時壓實系數為0.906，壓實厚度約30 cm。

由圖1中方案qq可知，靜壓1遍，隨著強振遍數增加，黃土路基壓實系數不斷增大，當強振8遍后，路基表面變形值基本不再變化，此時壓實系數為0.950，壓實厚度約29 cm。

因此，建議采用靜壓1遍，強振8遍，靜壓收面1遍的碾壓工藝。

2.2 不同松鋪厚度下的最大可壓實水平

22 t和39 t壓路機下碾壓次數與壓實系數的關系見圖2。按方案qq方式碾壓，碾壓時含水率約14%。

圖2 不同壓路機碾壓次數與壓實系數的關系

由圖2（a）可知：松鋪厚度約30 cm，22 t壓路機靜壓1遍，強振6遍，黃土路基達到最大可壓實水平，壓實系數0.956，壓實厚度約25 cm；松鋪厚度約35 cm，22 t壓路機靜壓1遍，強振8遍，黃土路基達到最大可壓實水平，壓實系數0.953，壓實厚度約30 cm；松鋪厚度約40 cm，22 t壓路機靜壓1遍，強振8遍，黃土路基達到最大可壓實水平，壓實系數0.913，壓實厚度約35 cm。

由圖2（b）可知，松鋪厚度約45 cm，39 t壓路機靜壓1遍，強振7遍，黃土路基達到最大可壓實水平，壓實系數0.955，壓實厚度35 cm；松鋪厚度約55 cm，39 t壓路機靜壓1遍，強振6遍，黃土路基達到最大可壓實水平，壓實系數0.915，壓實厚度40 cm。

隨著機械制造水平的不斷進步，壓路機逐漸向大噸位、大激振力方向發展，且在實際工程中的應用也越來越多［10-11］，與之相對的是大噸位壓路機的成本問題。施工現場所用中大39 t壓路機的租賃費用是柳工22 t壓路機的10倍，油耗約為3倍。使用1臺大噸位壓路機的成本相當于使用3～4臺傳統噸位壓路機的成本。由圖2可知，要滿足TB 1001—2016《鐵路路基設計規范》規定的壓實系數K≥0.90的要求，當松鋪厚度約40 cm時，22 t壓路機靜壓1遍，強振6遍即可；當松鋪厚度約55 cm時，39 t壓路機靜壓1遍，強振4遍即可。鑒于在施工效率方面39 t大噸位壓路機與22 t等常規振動壓路機相比并無明顯優勢，因此推薦選用傳統噸位壓路機作為主要的壓實設備。在需大厚度壓實的特殊路段，大噸位壓路機的應用前景較為廣闊［12-14］。

3 黃土填料路基壓實力學特征分析

路基壓實質量采用物理和力學的雙指標控制，物理指標統一采用壓實系數K；力學指標一般為地基系數K30和動態變形模量Evd。K30表示土體表面在平面壓力作用下產生的可壓縮性的大小。Evd為路基中某點的動應力與動應變之比，由于其操作簡便，可以作為K30試驗的補充手段。

3.1 壓實系數與地基系數、動態變形模量的關系

黃土填料路基K與K30、Evd的相關關系見圖3。碾壓時含水率約14%。

圖3 黃土填料路基K與K30、Evd的相關關系

由圖3（a）可知，K與K30呈線性關系，相關系數R＝0.97。當壓實系數為0.90時，根據擬合公式，K30＝116 MPa/m。

由圖3（b）可知，K與Evd呈線性關系，相關系數R＝0.96。當壓實系數為0.90時，根據擬合公式，Evd＝43 MPa。

3.2 動態變形模量與地基系數的關系

黃土填料路基Evd與K30的關系見圖4，碾壓時含水率約14%。

圖4 K30與Evd的關系

由圖4可知，K30與Evd呈線性關系，相關系數R＝0.96。Evd可以很好地反應路基真實的壓實情況。在黃土填料路基的施工中，為節約檢測時間，提高效率，完全可以以Evd為主要力學控制指標控制路基的壓實質量，同時檢測20%左右的K，K30作為校驗［15］。由于Evd的檢測有很大的離散性，在檢測時應取多個測點，使用格拉布斯法取代表值作為最終的結果。根據擬合公式，當K＝0.90時，Evd＝42.5 MPa；當K30＝90 MPa/m時，Evd＝40.6 MPa。推薦的Evd的壓實標準值為45 MPa。

4 結論

1）壓實黃土路基選用靜壓1遍后直接強振的振碾方式具有較好的壓實效果。

2）使用2種噸位壓路機研究了黃土路基在不同松鋪厚度下的現場最大可壓實水平。結果表明：當現場含水率為最佳含水率時，使用22 t壓路機靜壓1遍，強振7遍，黃土路基達到最大可壓實水平，松鋪厚度約30 cm，壓實系數0.956；松鋪厚度約35 cm，壓實系數0.953；松鋪厚度約40 cm，壓實系數0.913。使用39 t壓路機靜壓1遍，強振6遍，黃土路基達到最大可壓實水平，松鋪厚度約45 cm，壓實系數0.955；松鋪厚度約55 cm，壓實系數0.915。

3）黃土填料路基的Evd與K30，K呈良好的相關關系，可以選用Evd對黃土路基的壓實質量進行快速檢測，其壓實標準值為45 MPa。