鐵路路基填筑質(zhì)量及沉降控制技術(shù)研究

徐 馳

中鐵十九局第二工程有限公司,遼寧 遼陽 111000

0 引言

隨著我國鐵路總建設(shè)里程的逐步增加,鐵路路基工程施工質(zhì)量越來越受到重視;國鐵集團(tuán)的“安全質(zhì)量紅線十條”中對(duì)鐵路路基填料與填筑質(zhì)量、檢測(cè)、旁站等施工流程做了嚴(yán)格規(guī)定。同時(shí),鐵路路基的填筑質(zhì)量控制措施被眾多研究機(jī)構(gòu)所重視。中國鐵道科學(xué)研究院對(duì)不同含水率下級(jí)配填料進(jìn)行外荷加載試驗(yàn),確定了最優(yōu)的振動(dòng)方法[1];智能填料設(shè)備也在高速鐵路的路基填筑施工過程中被廣泛應(yīng)用,取得了較好的質(zhì)量控制效果[2];鐵路路基填料在外部環(huán)境下的劣化影響機(jī)制用于施工質(zhì)量控制也得到了一定的應(yīng)用[3]。鐵路路基填筑質(zhì)量對(duì)鐵路工程運(yùn)營的安全性有著重要影響。如果施工質(zhì)量不合格,可能會(huì)引起路基下沉、變形或開裂等問題,不僅會(huì)影響鐵路的運(yùn)行安全,還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)問題和維修成本增加。本文以某鐵路工程路基填筑為案例,分析了路基填料的質(zhì)量控制,通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析確定了填料的最佳松鋪厚度、機(jī)械振動(dòng)方法,并進(jìn)行了沉降觀測(cè),得出了沉降變形規(guī)律,保證了鐵路路基的施工質(zhì)量,為類似鐵路路基工程提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

該鐵路工程位于江蘇地區(qū),為剝蝕丘陵地貌,地勢(shì)起伏、植被較發(fā)育。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)勘察調(diào)繪揭示,表層為第四系殘坡積層Qel+dl粉質(zhì)黏土,褐黃色、黃褐色,局部夾少量礫石,硬塑,厚約 0.5～5.0 m。下伏基巖為鈣質(zhì)頁巖,全風(fēng)化呈砂土狀,局部夾少量強(qiáng)風(fēng)化碎塊,厚約 0.7～5.0 m;強(qiáng)風(fēng)化多呈塊狀,厚1.6～11 m;弱風(fēng)化,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較完整,巖體呈青灰色、深灰色,全～弱風(fēng)化,其中全風(fēng)化呈砂土狀,局部夾少量強(qiáng)風(fēng)化碎塊,厚約0～2.3 m;強(qiáng)風(fēng)化巖體多呈塊狀,層厚0.7～8.5 m;弱風(fēng)化巖體,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較完整。巖層產(chǎn)狀為340°∠50°。巖體主要有2組節(jié)理,以張節(jié)理為主,產(chǎn)狀為240°∠64°,多呈密閉狀。

路堤基床表層厚0.4 m,采用級(jí)配碎石填筑,基床底層厚2.3 m,采用A、B組填料填筑,基床以下路堤采用A、B、C1、C2組填料填筑。基床表層填筑前填筑預(yù)壓土,A、B組填料采用該項(xiàng)目碎石場(chǎng)自產(chǎn)碎石配制。基床各部位施工壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)需滿足《高速鐵路路基工程施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)要求。路基基床表層及底層的底部均為向兩側(cè)傾斜 4%的橫向排水坡,路基面形狀為梯形。

2 分層填筑試驗(yàn)

為確定在基床填料填筑過程中不同壓實(shí)機(jī)械、不同填料的施工方法及工藝參數(shù),據(jù)填料種類確定路基填筑機(jī)械配置和壓實(shí)工藝,包括確定機(jī)械碾壓行走速度、碾壓方式、碾壓遍數(shù)、適宜的松鋪厚度等[4]。

基床底層填筑松鋪厚度按不大于40 cm控制試驗(yàn)(第1層松鋪厚度35 cm,第2層松鋪厚度 38 cm,第3層松鋪厚度40 cm),在攤鋪完成后,通過挖探檢測(cè)松鋪厚度。采用22 t振動(dòng)壓路機(jī)在靜壓1遍、弱振1遍后,然后開始強(qiáng)振,自第1遍強(qiáng)振起每碾壓1遍檢測(cè)1次壓實(shí)度及對(duì)應(yīng)的含水量,由壓實(shí)度檢測(cè)原始記錄分析計(jì)算可得出5、6、7遍碾壓分別對(duì)應(yīng)的壓實(shí)系數(shù)及含水量檢測(cè)平均值,填料含水率統(tǒng)計(jì)過程中取1#～5#共計(jì)5個(gè)測(cè)點(diǎn),試驗(yàn)結(jié)果如表1、2所示。

表1 分層碾壓試驗(yàn)結(jié)果

表2 填料含水率 單位：%

在試驗(yàn)段遵循先輕后重、先穩(wěn)后振、先低后高、先慢后快以及輪跡重疊的原則,自第5遍起每碾壓1遍測(cè)量1次測(cè)試點(diǎn)高程,并記錄、計(jì)算松鋪系數(shù),碾壓第5、6、7遍后對(duì)應(yīng)的壓實(shí)厚度平均值和松鋪系數(shù)平均值如表3所示。

表3 壓實(shí)厚度及松鋪系數(shù)平均值 單位：cm

根據(jù)表1～3可以得出以下結(jié)論：當(dāng)填料碾壓時(shí)的含水量接近最佳含水量時(shí),壓實(shí)系數(shù)會(huì)隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加而增大;隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加,當(dāng)壓實(shí)系數(shù)達(dá)到一定程度時(shí),其數(shù)值將基本趨于穩(wěn)定。從表3可看出,松鋪厚度38 cm,碾壓6遍是較為合理的,含水率在3.6%～4.5%范圍內(nèi)均可以有效壓實(shí)。松鋪厚度38 cm、壓實(shí)6遍時(shí)松鋪系數(shù)最佳,且能滿足壓實(shí)厚度不大于30 cm,此時(shí)松鋪系數(shù)為1.27。

3 路基沉降觀測(cè)

為了控制和保證鐵路路基的施工質(zhì)量,確保完成后的路基沉降滿足設(shè)計(jì)要求,通過連續(xù)、正確、完整、系統(tǒng)的觀測(cè)和分析,預(yù)測(cè)沉降趨勢(shì),本節(jié)對(duì)路基沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。研究路基段共設(shè)置4處沉降觀測(cè)斷面,每處觀測(cè)斷面包括1層沉降板和5處沉降觀測(cè)樁頭,5處沉降觀測(cè)樁頭3處位于基床上表面,2處位于下基床表面,沉降板需在填筑過程中隨填筑高度依次增加,并注意保護(hù)沉降板的線形,觀測(cè)頻率為1次/d,監(jiān)測(cè)斷面如圖1所示[5]。

圖1 沉降監(jiān)測(cè)斷面

根據(jù)《鐵路工程沉降變形觀測(cè)評(píng)估技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求,進(jìn)行沉降變形評(píng)估,路基沉降變形應(yīng)符合下列規(guī)定：填筑完成沉降不宜超過 15 mm,過渡段不同結(jié)構(gòu)物間的預(yù)測(cè)工后差異沉降不應(yīng)大于5 mm。在根據(jù)上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷的同時(shí),結(jié)合本工程的工程地質(zhì)、構(gòu)筑物布置等特點(diǎn)的實(shí)際情況等綜合分析,判定沉降變化趨勢(shì)及觀測(cè)異常點(diǎn)。

路基在自重及外部荷載作用下的沉降是一個(gè)持續(xù)的過程。影響沉降的主要因素包括路基材料的性質(zhì)和狀態(tài),如土體密度、含水量、粒徑分布等。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù),典型的沉降變化情況如圖2所示。在開始的7周時(shí)間內(nèi),沉降發(fā)生并不明顯,并受到過往車載的作用下,沉降量會(huì)出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)情況。在第8～14周會(huì)出現(xiàn)較為明顯的沉降特征,這是由于填料土體間顆粒間隙逐漸被壓縮造成的。第14周后,沉降基本保持不變,填筑后的路基已經(jīng)趨于穩(wěn)定,路基沉降均控制在15 mm規(guī)范要求范圍內(nèi)。

圖2 沉降隨時(shí)間變化規(guī)律

路基沉降監(jiān)測(cè)的5處斷面的4個(gè)測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定后沉降情況如圖3所示。在所得結(jié)果中,可以得到以下結(jié)論：每處監(jiān)測(cè)斷面的4個(gè)點(diǎn)沉降值大小基本接近,中部的沉降值通常會(huì)大于兩側(cè)的沉降值。此類情況是由于中部路基的碾壓振動(dòng)效果較差,在后期受自重影響逐漸沉降造成的。同時(shí),相同類型的監(jiān)測(cè)樁在不同監(jiān)測(cè)斷面的沉降值會(huì)有較大的差別,這是由于施工隊(duì)伍在不同區(qū)域進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)碾壓等壓實(shí)過程中作業(yè)習(xí)慣差異波動(dòng)造成的,在施工作業(yè)中需要嚴(yán)格施工隊(duì)伍作業(yè)習(xí)慣管理,保證填料的壓實(shí)度。

圖3 路基沉降觀測(cè)統(tǒng)計(jì)

4 技術(shù)控制措施

在控制沉降過程中,首先要對(duì)填料進(jìn)行控制,填料控制包括土的密度、含水率、比重、粒徑和滲透性等指標(biāo)的控制,以確保路基的穩(wěn)定性和耐久性。同時(shí)要保證填料的壓實(shí)控制,通過擊實(shí)、K30、Evd等對(duì)材料進(jìn)行壓實(shí)控制,確保路基的密實(shí)度達(dá)到規(guī)定的要求,防止因壓實(shí)度不足而引發(fā)的質(zhì)量問題。

路基填筑前須保證前期清場(chǎng)要求：如路基原地面清表必須徹底,不得有草皮、腐植土、樹根等;清表后必須平整,清表寬度必須在路基坡腳樁1 m以外,經(jīng)壓實(shí)后原地面;路基填方材料應(yīng)有一定的強(qiáng)度,填方材料最大粒徑不超過10 cm,經(jīng)野外取土試驗(yàn)確定,路基填料最小強(qiáng)度和最大粒徑應(yīng)符合要求,要嚴(yán)格控制路基填料粒徑,嚴(yán)禁超粒徑石塊運(yùn)到工地后再用人工解小。

5 結(jié)論

1)在路基填筑過程中松鋪厚度38 cm、碾壓6遍較為合理,含水率在3.6%～4.5%均可以有效壓實(shí)。松鋪厚度38 cm、壓實(shí) 6 遍時(shí)松鋪系數(shù)最佳,且能滿足壓實(shí)厚度不大于 30 cm,此時(shí)松鋪系數(shù)為1.27。

2)路基填筑后在第 8～14周會(huì)出現(xiàn)較為明顯的沉降特征,第 14周后,沉降基本保持不變,填筑后的路基已經(jīng)趨于穩(wěn)定,路基沉降均控制在15 mm 規(guī)范要求范圍內(nèi)。中部的沉降值通常會(huì)大于兩側(cè)的沉降值,是由于中部路基的碾壓振動(dòng)效果較差造成的。

3)在控制沉降過程中,加強(qiáng)對(duì)填料進(jìn)行控制保證填料的壓實(shí)控制。通過擊實(shí)、K30、Evd參數(shù)測(cè)定等對(duì)材料進(jìn)行壓實(shí)控制,確保路基密實(shí)度達(dá)到規(guī)定要求,并保證路基填料粒徑滿足要求。