石英二长岩全风化物作为高铁填料的试验研究

陈仕奇

我国目前正在进行高速铁路网的建设,高速列车的安全和平稳运行必须有一个高平顺性和稳定性的轨下基础,路基作为轨道结构的基础形式之一,必须具有强度高、刚度大、稳定性和耐久性好,能抵抗各种自然因素的影响,这就对路基特别是基床填料的工程性质提出了很高的要求,基床表层要求采用级配碎石,基床底层要求采用A,B组填料或改良土[1]。因此,填料工程性质及改良方法已成为工程技术人员及学者关注的技术问题[2-5]。本文通过对镇江一带分布的石英二长岩全风化物物理改良前后的室内物理、力学试验及现场填筑试验,对其作为填料的工程性质进行了系统的研究。

1 试验方案

根据石英二长岩全风化物为粗粒料的特点,室内进行了矿物成分分析、颗粒分析、击实及承载比试验;根据石英二长岩全风化物工程性质受浸水影响明显的不足,进行了石英二长岩全风化物改良试验。试验采用掺入粗粒料的物理改良方法,并对掺入比的影响进行了考虑[6]。

2 试验结果分析

2.1 石英二长岩全风化物的物理、力学性质

1)矿物成分分析。矿物成分是影响填料物理、力学性质的重要因素之一,表1为石英二长岩全风化物矿物成分分析结果。

表1 石英二长岩全风化物矿物成分

试验资料表明,石英二长岩全风化物矿物成分以石英及长石为主,其次是蒙脱石及高岭土等黏土矿物,蒙脱石含量超过7%,表明其具有一定亲水性。

根据矿物成分分析结果,进行了石英二长岩全风化物的膨胀性试验,其自由膨胀率为9%左右,表明其膨胀性不明显。

2)颗粒分析试验。图1为石英二长岩全风化物颗粒分析级配曲线,从颗粒分析试验结果看,风化物为粗砂,细粒含量为3.9%,不均匀系数为6.6,曲率系数为 0.7,级配不良。从颗粒分析试验资料,石英二长岩全风化物为B组填料[7]。

3)石英二长岩全风化物的击实试验。图2为石英二长岩全风化物的击实曲线,最优含水量为 10.3%,最大干密度为1.98 g/cm3。击实曲线表明,含水量在6.6%～13.5%范围内,石英二长岩全风化物的干密度变化在0.06 g/cm3以内,范围很小。如果取 Kh=0.95,对应干密度为 1.88 g/cm3,表明风化物可压实含水量范围较大。

4)石英二长岩全风化物的承载比试验。表2为石英二长岩全风化物CBR试验结果,为了了解浸水作用对其力学性质的影响,对比做了不浸水条件的CBR试验。试验结果表明,当Kh取0.95～1.0时,CBR值在7.8%～20.8%之间,参照高速公路标准[8],当压实系数为0.95时,试验值不符合上路床填料要求。

表2 石英二长岩全风化物CBR试验结果

CBR强度值随压实系数提高而增加,提高压实度能显著改善石英二长岩全风化物的力学性能。

试验结果还表明,水对石英二长岩全风化物的CBR值有显著的影响,对应压实系数为0.95时,浸水后的强度值仅为未浸水强度的44%,这可能与其矿物成分中含有较多的蒙脱石及高岭土等黏土矿物有关。随着压实系数的增加,其影响趋弱。

2.2 物理改良石英二长岩全风化物的物理、力学性质

1)颗粒分析试验。改良前后的石英二长岩全风化物颗粒组成试验结果见表3。

表3 石英二长岩全风化物改良前后颗粒组成试验结果

从颗粒分析试验结果看,掺入粗粒料后,风化物从粗砂变为砾砂,级配良好,颗粒级配有了明显的改善。仅从颗粒分析试验结果分析,物理改良石英二长岩全风化物达到A组填料要求。

2)击实试验。改良石英二长岩全风化物击实试验结果见表4。

表4 石英二长岩全风化物改良后击实指标

石英二长岩全风化物掺入粗粒料后,最优含水量随掺入比的增加而减少,最大干密度随掺入比的增加略有增加。

3)承载比试验。石英二长岩全风化物改良后承载比试验结果见表5(压实系数Kh=0.95)。

表5 改良石英二长岩全风化物承载比试验结果 %

从表5可看出,石英二长岩全风化物掺入粗粒料改良后CBR值比改良前明显提高,当掺入量在10%时,CBR值提高2倍以上,与石英二长岩全风化物未改良前非浸水条件下相当。掺入比在10%～25%之间时,强度值随掺入量增长近似成线性关系。

2.3 石英二长岩全风化物填筑试验

为了验证室内试验成果,进行了现场填筑试验。采用YZ20型压路机碾压,压实厚度按20 cm～30 cm控制,含水率在 wopt-2～wopt+4之间,压实完成后进行了地基系数K30、动态变形模量Evd及孔隙率n等项目的平行检测,检测结果见表6。检测结果表明,虽然风化物级配不良,但采用特重型压路机进行碾压,其可压实性良好。路基填筑层力学指标K30平均值达200.9 MPa/m,远大于 130 MPa/m;动态变形模量在46 MPa～102 MPa之间,平均值为69.5 MPa;孔隙率检测值在20.95%～26.48%之间,平均值为24.2%。检测结果全部满足高速铁路基床底层的压实要求[1]。

表6 风化物直接填筑压实质量检测结果

现场也同时进行了粗粒料掺入比在15%～20%的物理改良石英二长岩全风化物的填筑试验,压实质量检测结果全部满足高速铁路基床底层的要求。

3 结语

1)石英二长岩全风化物矿物成分中含有近25%的蒙脱石及高龄石等黏土矿物,其中蒙脱石含量超过7%,表明其具有一定亲水性。2)击实试验表明,石英二长岩全风化物可压实含水量范围较宽,这对现场填筑施工控制有利。3)石英二长岩全风化物的力学性质受浸水影响明显,不宜直接用作高速铁路路基基床底层填料;在非浸水条件下,则具有较好的力学性质及良好的可压实性,可用于非浸水条件下高速铁路路基基床以下部分路堤填料。4)石英二长岩全风化物掺入粗粒料改良后,颗粒级配得到明显改善,CBR强度值得到显著提高,压实质量满足要求,改良效果明显,可用作高速铁路基床底层填料。

[1]铁建设〔2007〕47号,新建时速300 km～350 km客运专线铁路设计暂行规定[S].

[2]侯江波,王永和.全风化花岗岩石灰改良土室内试验分析[J].西部交通科技,2009(2)：76-80.

[3]倪 军.高速铁路路基改良填料的工程特性试验研究[J].石家庄铁道学院学报,2000,14(14)：11-13.

[4]杨广庆,管振祥.高速铁路路基改良填料的试验研究[J].岩土工程学报,2001,23(6)：682-685.

[5]尤 灏.影响石灰改良下蜀黏土工程性质的几个因素分析[J].土工基础,2007,21(1)：29-31,40.

[6]李时亮,杜 越.路堤填料工程性质和填筑施工工艺及质量检验方法研究报告[R].铁道第四勘察设计院,2005.

[7]J447-2005,铁路路基设计规范[S].

[8]JTJ 013-95,公路路基设计规范[S].