浩吉鐵路泥質板巖全風化物路基填料試驗研究

徐彩風

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

浩吉鐵路是世界上一次性建設規模最大的重載鐵路，北起內蒙古浩勒報吉，南至江西吉安，線路全長1814.5 km，設計運量2億t/年。岳陽至吉安段穿行于連云山、九嶺山、贛西丘陵等低山丘陵區，設計長度433.4 km。沿線元古界泥質板巖、板巖、千枚巖等軟質巖分布廣泛，由于該類軟質巖地質年代久遠，風化強烈，路塹挖方中泥質板巖全風化物體量大。若能將其用于路基填筑，則可解決大方量棄土及取土問題，減小對當地生態環境的破壞。

隨著國內外鐵路和公路等基礎交通工程的大量修建，極大促進了路基工程的發展，各國學者對路基填料的工程性質[1-4]、改良措施[5-7]、應用范圍[8-9]的研究也更加全面和深入。張晉東等[10]針對西北地區廣泛分布的泥巖，結合寶蘭客專上莊隧道工程，通過X射線和掃描電鏡測定了該泥巖礦物和化學成分，結合物理、水理性質試驗，研究了黃土地層泥巖軟化過程中的變化規律；葉朝良等[11-12]以我國西南山區公路、鐵路建設中出現的炭質泥巖，依托貴廣高鐵某車站路基沉降治理工程，研究了該炭質泥巖的工程力學性質，以及在浸水前后動荷載作用下的變形特性；MARK等[13]以風化軟質千枚巖填料為研究對象，對其礦物成分、物理化學性質和強度特性開展了試驗研究，并進行化學改良，通過對比認為改良后軟巖填料的力學性能得到了顯著增強；商擁輝等[14-15]針對浩吉重載鐵路三荊段沿線分布的膨脹土，通過建立三維數值模型，分析了不同荷載條件下水泥改良膨脹土路基的動力特性，并對路基長期動力穩定性進行了評估；肖慶一等[16]為解決云南紅黏土作為路基填料所面臨的收縮開裂問題，研究了不同摻配比下石灰改良土的工程特性，得出在紅黏土中摻加8%的石灰，能滿足公路工程對路基填料的技術要求；卿啟湘[17]采用模型試驗和數值分析相結合的方法，對軟巖填筑的路堤在循環荷載作用下的變形機理進行了探討，認為路堤填筑質量符合規范要求，軟巖填料可用于鐵路路基填筑。

綜上所述，為提高軟質巖棄方填料利用率，國內相關工程技術人員進行了大量研究與工程實踐，取得了一定成果，但泥質板巖全風化物用于重載鐵路路基填筑尚鮮見報道。大量棄土必然帶來環水保問題，山區棄土處理不當極易造成滑坡、泥石流等次生地質災害[18]。為解決上述問題，依托浩吉重載鐵路工程建設，對泥質板巖全風化物及其改良土填料的基本工程性質及改良措施進行研究；探討用于重載鐵路路基填筑的可行性，為鐵路路基的設計和施工提供參考。

1 泥質板巖全風化物填料分組

本次試驗所用全風化泥質板巖土樣取自湖南省瀏陽東站進站段深路塹工點，填料物理性質按文獻[19]的相關規定進行測試。顆粒密度ρs由量瓶法測得，粒徑組成采用篩析法及密度計法聯合測定，根據篩分法和密度計法的試驗結果，繪制土樣顆粒大小分布曲線，如圖1所示。

圖1 顆粒大小分布曲線

由圖1可知，土樣中5 mm以上粒徑含量不足1.0%，0.075～5 mm粒徑約占14.3%，0.005～0.075 mm粒徑約占81.9%，0.002～0.005 mm粒徑約占2.9%，0.002 mm以下粒徑含量幾乎為零，可見全風化泥質板巖填料以粉粒為主。最大干密度ρdamx和最優含水率wopt采用Z2重型擊實試驗得到；液限wL和塑限wp采用液塑限聯合測定儀測得。綜上可得土樣的基本物理指標如表1所示。

表1 土樣基本物理指標

由表1可知，全風化泥質板巖填料的10 mm液限為41.4%，大于40%；塑性指數Ip為12.2，位于10～17之間，根據文獻[20]可知全風化物為高液限粉質黏土，屬于D2組填料，用于重載鐵路路基填筑時應采取改良或加固措施。

2 化學改良試驗研究

化學改良是通過摻入一定比例的活性改良劑，使其與土體發生化學反應，從而達到改良土體物理力學性能的效果。試驗采用的改良劑為普通硅酸鹽水泥和生石灰，水泥摻配比為3.0%，3.5%和4.0%，石灰摻配比為3.5%，4.5%和6.5%。

2.1 無側限抗壓強度試驗

不同壓實系數下無側限抗壓強度是評價改良土填料性能的力學指標，通過研究不同摻配比、養護齡期、壓實系數等因素對改良土強度的影響，根據路基不同部位實際需要選擇改良土填料最佳摻配比與壓實系數。在進行無側限抗壓強度試驗之前，先通過擊實試驗獲得不同摻配比下，水泥和石灰改良土填料的最優含水率wopt和最大干密度ρdmax，試驗結果如表2所示。

表2 水泥和石灰改良土最優含水率和最大干密度

根據擊實試驗獲得的擊實參數，按最優含水狀態制作試樣，進行不同摻配比(水泥摻配比為3.0%，3.5%，4.0%，石灰摻配比為3.5%，4.5%，6.5%)、不同壓實系數(0.90，0.92和0.95)和不同養護齡期(1 d，7 d，28 d)條件下，水泥和石灰改良土的無側限抗壓強度試驗，試驗方案如表3所示。

表3 無側限抗壓強度試驗方案

無側限抗壓強度試樣采用靜力壓樣法制作，試樣尺寸為φ50 mm×H50 mm，試樣養護溫度為20 ℃，相對濕度為95%，采用應變控制式無側限壓縮儀進行試驗，試驗過程如圖2所示。

圖2 無側限抗壓強度試驗

試驗得到水泥和石灰改良土試樣的無側限抗壓強度，匯總如表4所示。

表4 改良土無側限抗壓強度試驗結果匯總

2.2 無側限抗壓強度變化規律分析

根據試驗數據，繪制不同壓實系數條件下，無側限抗壓強度與摻配比的關系曲線，如圖3所示。

圖3 改良土試樣無側限抗壓強度試驗關系曲線

由圖3可知，摻配比的變化對改良土無側限抗壓強度有顯著影響，摻配比增加1.0%，強度增長20%～30%。在同一摻配比和壓實系數下，無側限抗壓強度隨養護齡期的延長，強度逐漸增大；水泥和石灰改良土1 d，7 d與28 d齡期無側限抗壓強度比的平均值分別為81.3%，95.3%和70.4%，90.4%。說明水泥改良土在早期即可獲得較高強度，而石灰改良土早期強度上升則相對較慢。相同摻配比的水泥改良土無側限抗壓強度顯著高于石灰改良土。

3 改良土重載鐵路路基填料適宜性評價

無側限抗壓強度是衡量改良土填料工程性質的重要指標，在鐵路路基工程中得到了廣泛運用。現行規范對重載鐵路路基基床表層的填料要求為級配碎石或A1組礫石類土，化學改良土不適用；基床底層與基床以下路堤允許采用化學改良土，填料壓實控制標準如表5所示[21]。表5中括號內數值為嚴寒地區化學改良土考慮凍融循環作用所需強度值。

表5 重載鐵路化學改良土填料的壓實控制標準

由表5可知，采用化學改良土填料填筑基床以下路堤時，壓實系數應≮0.92，7 d無側限抗壓強度≮300 kPa。根據試驗結果，摻配比為3.0%，3.5%和4.0%的水泥改良土，對應的7 d無側限抗壓強度分別為375.6，422.4，446.6 kPa；摻配比為3.5%，4.5%和6.5%的石灰改良土，對應的7 d無側限抗壓強度分別為225.6，272.4，344.4 kPa。因此，摻配比為3.0%的水泥改良土和6.5%的石灰改良土可滿足規范強度要求。

當采用化學改良土填料填筑基床底層時，壓實系數應≮0.95，7 d無側限抗壓強度≮350 kPa。根據試驗結果，摻配比為3.0%，3.5%和4.0%的水泥改良土，對應的7 d無側限抗壓強度分別為451.8，465.4，505.3 kPa；摻配比為3.5%，4.5%和6.5%的石灰改良土，對應的7 d無側限抗壓強度分別為231.6，297.1，394.5 kPa。因此，摻配比為3.0%的水泥改良土和6.5%的石灰改良土可滿足規范強度要求。

綜上所述，摻配比為3.0%的水泥改良土和6.5%的石灰改良土，可滿足重載鐵路路基基床底層與基床以下路堤的填筑要求。相同需求的改良土，水泥摻量不足生石灰一半，考慮工程成本，水泥改良土填料經濟效益更顯著。考慮現場施工拌和的損耗和安全儲備，建議增加0.5%的水泥摻配比，選取3.5%作為水泥改良土填料的最佳摻配比，用于現場路基的填筑施工。

4 水泥改良土工程應用情況

通過查閱相關期刊文獻，對于軟質巖填料在鐵路路基中的應用，已有研究大多以高速鐵路和公路為主[22-27]，在重載鐵路路基中的應用，目前國內外尚無成熟經驗可供參考。對全風化泥質板巖和水泥改良土填料的基本工程性質及改良措施進行了系統研究，認為采用摻配比為3.5%的水泥改良后，可用于重載鐵路路基基床底層和基床以下路堤的填筑，并在浩吉鐵路岳陽至吉安段路基施工中進行了實際應用，累計使用泥質板巖全風化物水泥改良土填料166.7萬m3。從2019年9月28日浩吉重載鐵路正式開通至今，已安全運營2年多，未見異常。

5 研究結論

浩吉鐵路岳陽至吉安段沿線元古界泥質板巖、板巖、千枚巖等軟質巖分布廣泛，路塹挖方中泥質板巖全風化物體量大。選取湖南省瀏陽東站進站段深路塹工點泥質板巖全風化物，通過系列的室內土工試驗，系統研究了其用作重載鐵路路基填料的適用性，提出了相應的改良措施，得到以下結論。

(1)泥質板巖全風化物顆粒組成以粉粒為主，粒徑17 mm和粒徑10 mm液限分別為46.5%和41.4%，塑限為29.2%，塑性指數為12.2，為高液限粉質黏土，屬于D2組填料，用于重載鐵路路基填筑時，應進行加固或改良。

(2)摻配比為3.0%的水泥改良土和6.5%的石灰改良土可滿足重載鐵路基床底層與基床以下路堤部位的填筑要求。考慮施工安全儲備和工程成本，建議選取摻配比為3.5%的水泥改良土填料用于現場路基填筑。

(3)浩吉鐵路岳陽至吉安段路基施工階段累計使用166.7萬m3泥質板巖全風化物水泥改良土填料，解決了大方量棄土及取土問題，取得了顯著的經濟和環水保效益。

值得一提的是，沿線不同段落泥質板巖成分差異較大，其全風化物及化學改良土的填料性能均應通過試驗確定。