路基填料滲透儀的開(kāi)發(fā)與路基填料滲透性的影響因素

劉其琛

鐵三院（天津）檢測(cè)科技有限公司 天津 300143

引言

路基是高鐵的主要結(jié)構(gòu)物，路基在自然環(huán)境條件下，受雨雪天氣影響會(huì)引起干濕循環(huán)變化，水分的遷移會(huì)引起路基發(fā)生不同程度的變形，從而影響路基的平順性，所以路基填料的滲透性能對(duì)路基的影響是非常之大的。

鐵路行業(yè)填料組別多為改良土、A、B組填料、級(jí)配碎石等，當(dāng)路基出現(xiàn)病害時(shí)取得原狀樣比較困難。目前，國(guó)內(nèi)研究路基填料的滲透試驗(yàn)還沒(méi)有成熟的儀器以及方法。路基施工往往關(guān)注的是壓實(shí)后的強(qiáng)度指標(biāo)，但是現(xiàn)有鐵路及國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)填料壓實(shí)后的滲透試驗(yàn)研究很少[1]。

賈莉浩對(duì)滬昆專線路基填料進(jìn)行了表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)，得到粗顆粒土表面振動(dòng)擊實(shí)特征，深入分析了影響粗頻粒土可壓實(shí)特性的主要因素[2]。范生波在武廣高鐵現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行了無(wú)硨軌道動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)測(cè)試，分析了不同列車時(shí)速對(duì)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度、加速度等特性的影響[3]。

1 路基填料滲透儀研制

鐵路行業(yè)規(guī)范中滲透試驗(yàn)有常水頭法和變水頭法，常用的儀器有70型和南55型。70型滲透儀適用于砂及含少量礫石的無(wú)黏性土，試樣是以擾動(dòng)土樣分層壓實(shí)制成；南55型滲透儀適用于細(xì)粒土。

對(duì)于路基填料，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)需要，做好土石的調(diào)配方案，確定分層層數(shù)以及每一層的壓實(shí)系數(shù)、每層含水率等問(wèn)題。但是70型和南55型無(wú)法滿足模擬路基施工條件來(lái)完成滲透試驗(yàn)的要求。

針對(duì)高鐵路基填料滲透試驗(yàn)，研制了一款滲透儀器，獲取了實(shí)用新型專利，可以模擬路基填料施工分層壓實(shí)以及不同壓實(shí)度。

1.1 滲透儀的組成以及特點(diǎn)

本滲透儀采用供水瓶、滲透容器以及制樣壓頭組成。制樣壓頭可用于模擬填料施工現(xiàn)場(chǎng)的分層壓實(shí)。制作最后一層試樣的壓頭可用來(lái)加強(qiáng)儀器的密實(shí)性，防止試驗(yàn)時(shí)水的滲出。

由于此儀器集制件、測(cè)試于一體，無(wú)須取出試樣，即可直接進(jìn)行滲透試驗(yàn)。解決了試樣取出后對(duì)其造成擾動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，模擬施工壓實(shí)度，可使試樣最大限度地遵循設(shè)計(jì)需要。

1.2 試驗(yàn)方法

選取具有代表性的風(fēng)干試樣，如果試樣中有黏結(jié)的團(tuán)粒，使用木碾將其充分?jǐn)f散，使用蒸餾水將試樣攪拌均勻，這樣可以令試樣的顆粒完全分離。根據(jù)試樣類別使用相對(duì)應(yīng)的分析篩進(jìn)行篩分，篩分結(jié)束以后，各級(jí)篩上的試樣以及最下方盤(pán)底的試樣質(zhì)量之和，與篩分錢試樣總質(zhì)量相差不能大于總質(zhì)量的1%。

由于路基填料粒徑較大，為了配合要求的壓實(shí)度，精確計(jì)算所采用的填料質(zhì)量，篩分后的試樣需使用表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)裝置求得試驗(yàn)的最大干密度值。

最大干密度應(yīng)按下式計(jì)算：

式中，ρdmax為最大干密度（g/cm3），計(jì)算精確至0.01 g/cm3； md為烘干試樣質(zhì)量（g）； V為振畢密實(shí)試樣體積（cm3）。

在滲透容器底部放上濾紙，將經(jīng)過(guò)篩分試驗(yàn)的路基填料均勻加入到所述滲透容器內(nèi)，采用靜壓法，模擬鐵路路基現(xiàn)場(chǎng)施工，按照特定壓實(shí)度，使用壓頭，將試樣分三層在滲透儀容器內(nèi)壓實(shí)。

制樣完成后，把試件連同滲透容器放入真空缸中進(jìn)行抽氣，真空度接近一個(gè)大氣壓后再持續(xù)抽氣1~2h，這是為了加速試樣飽和，可以縮短試驗(yàn)時(shí)間。

測(cè)定水溫，向供水瓶中持續(xù)加蒸餾水。調(diào)整供水瓶中的水頭，持續(xù)供水以保持水頭差，多余的水由溢水孔流出，加入供水瓶的水流速度不應(yīng)大于溢水孔流出水的速度。

使用量杯置于滲透容器出水孔處接水，在接水的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，天平上稱出特定時(shí)間內(nèi)接取的水的質(zhì)量。

新開(kāi)發(fā)滲透儀是在明確路基填料以后，在模擬與施工壓實(shí)度一致的條件下，使用常水頭法，利用試樣厚度、截面積、以及某時(shí)間間隔內(nèi)流過(guò)試樣的總水量等參數(shù)，根據(jù)達(dá)西定律求出滲透系數(shù)[4]，即在壓力水頭差的作用下，測(cè)定給定時(shí)間通過(guò)試樣的水量，求出滲流量，最后依據(jù)式（2）（3）計(jì)算出滲透系數(shù)。

做好試驗(yàn)記錄后，按照下式計(jì)算試樣的滲透系數(shù)：

式中，PmT為水溫為T(mén)℃時(shí)試樣的滲透系數(shù)，單位為厘米每秒（cm/s）；G為在t秒內(nèi)的滲水量，單位為立方厘米（cm3）；L為滲徑，等于試樣的高度，單位為厘米（cm），A為試樣橫斷面面積，單位為平方厘米（cm2）； H為常水頭高度，即供水瓶溢水孔距試樣頂面的垂直距離，單位為厘米（cm）； t為接取一次滲水量的時(shí)間，單位為秒（s）； Pm為水溫為10℃時(shí)試樣的滲透系數(shù)，單位為厘米每秒（cm/s）；為水的動(dòng)力黏滯系數(shù)。

2 路基填料滲透性的主要影響因素

在分析總結(jié)前人對(duì)路基填料滲透性能研究成果的基礎(chǔ)上， 利用自制的路基填料滲透儀，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，分別研究壓實(shí)度、溫度以及粗粒土的含量等因素對(duì)路基填料滲透性的影響， 找出這些因素與路基填料滲透系數(shù)之間的關(guān)系。

2.1 壓實(shí)度的影響

選取5組填料，將每組分為2-3份，在相同級(jí)配條件下，分別以92%、95%、100%的壓實(shí)度進(jìn)行之間并進(jìn)行滲透試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，除k-3以外，k-1、k-2、k-4、k-5從壓實(shí)度95%到100%的滲透系數(shù)均有較大降低，可見(jiàn)壓實(shí)度的變化對(duì)于滲透系數(shù)的影響較大。滲透系數(shù)隨著壓實(shí)度的增大而降低，這是因?yàn)閴簩?shí)度變大，孔隙比變小，從而阻斷了部分滲流通道，使?jié)B透系數(shù)變小。

表1 壓實(shí)度-滲透系數(shù)測(cè)試結(jié)果

2.2 溫度的影響

選取兩組填料T-1、T-2，將每組分為7份，壓實(shí)度為95%，在相同級(jí)配條件下，分別以（室內(nèi)水溫），7℃、10℃、16℃、20℃、25℃、29℃、32℃的溫度下進(jìn)行滲透測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 填料T-1、T-2溫度-滲透系數(shù)測(cè)試結(jié)果

（續(xù)表）

由表2可以看出，在壓實(shí)度以及級(jí)配相同的情況下，填料的滲透系數(shù)和溫度沒(méi)有表現(xiàn)出明顯規(guī)律。

2.3 粗粒土含量的影響

依據(jù)我國(guó)鐵路行業(yè)規(guī)范規(guī)定[5]，粒徑大于0.075mm并且小于60mm的填料定名為粗粒。為了研究粗粒土的對(duì)滲透系數(shù)的影響，將壓實(shí)度控制位95%，制備了粗粒含量7.3%～90.2%的試樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2。

在圖1中可以看出，在壓實(shí)度一致的情況下，當(dāng)粗粒含量25.7%以下時(shí)，滲透系數(shù)隨粗粒含量變化不大，試樣滲透性大小主要取決于細(xì)粒土。當(dāng)粗粒含量達(dá)到52.3%時(shí)，粗粒土的存在加大了試樣的孔隙比，使得滲透系數(shù)增大。當(dāng)粗粒含量大于55.7%時(shí)，在制件壓實(shí)過(guò)程中，細(xì)顆粒土很好地填補(bǔ)了粗粒土的間隙，不透水的粗粒土阻擋了滲水路徑，故而令滲透系數(shù)有所降低。當(dāng)粗粒含量大于70.3%以后，粗粒土的間隙逐漸增大，而此時(shí)細(xì)粒土填補(bǔ)粗粒土間隙的效果降低，滲透系數(shù)又開(kāi)始增大。當(dāng)粗料含量超過(guò)84.2%時(shí)，試樣的孔隙增大明顯，因而滲透系數(shù)突然增大。

圖1 粗料含量——滲透系數(shù)關(guān)系圖（壓實(shí)度95%）

3 結(jié)束語(yǔ)

新開(kāi)發(fā)的滲透儀可對(duì)不同組別的路基填料就進(jìn)行滲透試驗(yàn)，解決了常規(guī)滲透儀尺寸與填料粒徑不符的缺點(diǎn)。配合三個(gè)制樣壓頭，可以充分模擬路基填料施工時(shí)的分層壓實(shí)以及不同的壓實(shí)度。使用靜壓法可直接在滲透儀中進(jìn)行對(duì)試樣進(jìn)行制作，完成制件后無(wú)須取出，減少了對(duì)試樣的擾動(dòng)，并且可使試樣最大限度地遵循設(shè)計(jì)需要。

壓實(shí)度、溫度以及粗粒土含量均為路基填料滲透性能的影響因素。其中溫度和路基填料的滲透性之間沒(méi)有表現(xiàn)出明顯規(guī)律。在路基施工時(shí)可利用壓實(shí)度以及粗顆粒含量對(duì)其滲透性能起到控制作用。