包西铁路榆林地区风积沙填料物理改良研究

胡三喜

(中铁第一勘察设计院集团有限公司地质路基处,西安 710043)

1 工程地质概况

包西铁路DK173+000～DK255+624.92段线路途经毛乌素沙漠边缘,其中大保当至榆林段为陕北黄土高原风积沙覆盖区,风沙分布广泛,大部分为风积沙覆盖,地面呈波状起伏之梁窝状沙丘地貌,局部为新月形沙丘及沙丘链,相对高差5～15 m,风积沙层厚1～15 m,植被覆盖率15%～40%,局部地段为裸露之黄土梁峁和冲湖积滩地；榆林至鱼河峁段为片状风积沙覆盖区,表层多有片状风积沙分布,系毛乌素沙地南侵部分,积沙较薄,一般1～10 m,植被覆盖率大于40%。

线路主要以路基形式通过风积沙地区,挖方边坡高度1～13 m,长约20 km,填方边坡高度3～6 m,长约55 km；涉及风积沙的挖方56.14万m3、填方176.79万m3。 路基填料设计的关键在于如何利用挖弃的风积沙、减少取土量,避免在风沙地区长远距离取土,以降低工程投资、减少施工对周边环境的破坏。DK173+000～DK255+624.92段地质概况如下。

(1)DK173+000～DK180+000段地层岩性由上到下依次为：

①细砂(Q4al4)：分布于地表。浅黄色,厚度0.5～2 m。稍密,潮湿-饱和,Ⅰ级松土,σ0=120 kPa。

②细砂(Q4al4)：分布于第四系全新统冲积细沙之下。灰黄色-青灰色为主,厚度5～20 m。5 m以上稍密,以下中密,潮湿-饱和,Ⅰ级松土,σ0=120～150 kPa。

③细砂(Q3al4)：分布于上更新统冲积细沙层之下。浅灰色-深黄色为主,厚度5～15 m。中密,潮湿-饱和,Ⅰ级松土,σ0=150～200 kPa。

④黏质黄土(Q2eol3):主要分布于冲积细沙层之下,厚度5～20 m。棕褐色,土质较均一,局部含少量砂礓石,坚硬,Ⅲ级硬土,σ0=150～200 kPa。

(2)DK185+320.78～DK204+000段地层岩性由上到下依次为：

①细砂(Q4eol4)：分布于地表。浅黄色-深黄色,厚度10～20 m。稍密-中密,稍湿-潮湿,Ⅱ级普通土,σ0=100～150 kPa。

②砂质黄土(Q2eol3)：下伏于风积细沙层之下,黄白色-浅黄色,厚度5～15 m。土质不均一,可见孔隙,局部含少量砂礓石。硬塑,Ⅱ级普通土,σ0=150～180 kPa。

(3)DK220+000～DK232+000段地层岩性由上到下依次为：

①人工填筑粉细砂(Q4ml4)：分布于既有路基,以细砂为主,稍湿,中密,Ⅱ级普通土；

②细砂(Q4eol4)：分布于地表。浅黄色,颗粒均匀,沙质纯净,稍湿-潮湿,稍密,Ⅱ级普通土,σ0=100 kPa。

③细砂(Q3al4)：灰黄色,颗粒均匀,潮湿-饱和,中密,Ⅰ级松土,σ0=150 kPa。

(4)DK235+807.14～IDK251+624.92段地层岩性由上到下依次为：

①人工填筑粉细砂(Q4ml4)：分布于既有路基,成分以细砂为主,稍湿,中密,Ⅱ级普通土。

②细砂(Q3al4)：分布于地表,厚度大于10 m。淡黄色,颗粒均匀,沙质纯净,稍湿-潮湿,稍密,Ⅱ级普通土,σ0=100 kPa。

2 风积沙填料物理改良试验研究与施工

2.1 风积沙填料试验研究

风积沙填料试验段选在DK226+120～DK226+350段，主要考虑该段的风积沙填料为均匀、级配不良风积沙,属于C组填料,且该试验段临近210国道,交通便利。

(1)DK226+120～DK226+350段(长230 m)填料性质：为均匀、级配不良风积沙,属于C组填料。其不均匀系数Cu为1.85,曲率系数Cc为0.90。风积沙天然含水率6.5%,最大干密度1.82 g/cm3, 最佳含水率11.5%,液限含水率17%,塑性指数15.8。

(2)风积沙试验结果

检测结果显示压实系数K值为0.80～0.85,不满足规范要求的0.9；地基系数K30值为37.6～62.4 MPa/m,亦不能满足规范要求的基床底层K30为100 MPa/m、路堤本体K30为80 MPa/m[1]。具体数值见表1。

表1 风积沙填筑试验结果

2.2 风积沙填料物理改良试验研究

风积沙填料物理改良试验段选在DK223+450～DK223+630段。风积沙填料设计选用掺粉土进行物理改良,物理改良试验按风积沙:粉土(体积比)为：1∶0.5、1∶1.0、1∶1.5、1∶2.0 4种掺量同步进行。

(1)物理改良风积沙填料试验目的

①确定最佳掺配比例[2]；

②确定适宜的松铺系数；

③确定合适的碾压遍数和碾压速度。

(2)试验所需设备[3]

具体见表2、表3。

(3)物理改良风积沙填料土工试验

表2 试验和测量设备

表3 机械设备

由表4及图1～图4可以看出。

①含水率随着粉土掺量的增大而增大,即随着粉土掺量的增加施工洒水量越少。

②塑性指数随着粉土掺量的增大而减小,即随着粉土掺量的增加,物理改良风积沙填料的可塑状态的范围就越小[4],使得施工过程更易于控制。

③最大干密度随着粉土掺量的增大而增大；最优含水量随着粉土掺量的增大而减小。

表4 物理改良风积沙填料土工试验

图1 土工击实(一)

图2 土工击实(二)

图3 土工击实(三)

图4 土工击实(四)

(4)不同掺配比例下碾压遍数与压实度、地基系数K30的关系

图5～图12分别为风积沙土掺配比1∶0.5、1∶1.0、1∶1.5、1∶2.0第1层土的试验数据,图13～图16分别为风积沙土掺配比1∶1.5、1∶2.0第3层土的试验数据。

图5 碾压遍数与压实度关系

图6 碾压遍数与地基系数K30的关系

图7 碾压遍数与压实度关系

图8 碾压遍数与地基系数K30的关系

图9 碾压遍数与压实度关系

图10 碾压遍数与地基系数K30的关系

图11 碾压遍数与压实度关系

图12 碾压遍数与地基系数K30的关系

图13 碾压遍数与压实度关系

图14 碾压遍数与地基系数K30的关系

图15 碾压遍数与压实度关系

图16 碾压遍数与地基系数K30的关系

由图5～图16可以看出。

①在同一碾压遍数的情况下,压实度随着粉土掺

量的增大而增大,即碾压遍数为6遍,在掺配比为1∶0.5时,物理改良风积沙填料的压实度为0.61；掺配比为1∶2.0时,物理改良风积沙填料的压实度为0.93。

②在同一碾压遍数的情况下,地基系数K30随着粉土掺量的增大而增大,即碾压遍数为6遍,在掺配比为1∶0.5时,物理改良风积沙填料的地基系数K30为46.5；掺配比为1∶2.0时,物理改良风积沙填料的地基系数K30为107.3。

③在同一碾压遍数和同一掺配比的情况下,地基系数K30随着碾压层数的增加而增大。即掺配比1∶2.0,碾压遍数为6遍时,第1层地基系数K30为107.3 MPa/m；第3层地基系数K30为113.3。

④在同一碾压遍数和同一掺配比的情况下,压实度随着碾压层数的增加而增大,即掺配比为1∶2.0,碾压遍数为6遍时,第1层压实度为0.93；第3层压实度为0.94。

(5)不同掺配比下松铺系数的确定

表5 第1层风积沙掺配比1∶1.5松铺系数

表6 第3层风积沙掺配比1∶1.5松铺系数

表7 第1层风积沙掺配比1∶2.0松铺系数

表8 第3层风积沙掺配比1∶2.0松铺系数

由表5～表8可以得到以下结论：

①风积沙掺配比1∶1.5、松铺厚度为0.40 m时,压实厚度为0.35 m；

②风积沙掺配比1∶2.0、松铺厚度为0.35 m时,压实厚度为0.30 m；

③松铺厚度随着粉土掺量的增大而减小[5]。

(6) 物理改良风积沙填料试验结果

通过对以上试验结果数据比对分析,物理改良风积沙试验表明：风积沙掺配比为1∶1.5的混合用22 t压路机以2.5～3.0 km/h,碾压遍数为6遍、松铺系数1.15,可以做全标段路堤填筑指导施工。风积沙掺配比1∶2.0,用22 t压路机以2.0～2.5 km/h, 碾压遍数为6遍,松铺系数1.21可以做全标段基床底层填筑指导施工[6]。

2.3 风积沙填料物理改良施工工艺

(1)施工前准备

首先对图纸进行审核,然后进行现场核实与设计相符。沿路基两侧征地边界线开挖临时排水沟,保证流水通畅,防止施工便道积水。取土场选用DK223+000右20 m，此取土场为风积沙；DK223+500左1 020 m,此取土场为低液限粉土。取土场均清表30 cm，无杂草等异物,6 m宽施工便道顺畅。施工用水距离试验段约1 km,采用洒水车运输至施工现场,做好施工准备[7]。

(2)路堤填筑工艺流程

①掺拌改良过程为将风积沙置于试验区内摊铺平整,然后按配比将粉土摊铺于风积沙上,用路拌机拌和3遍使填料均匀,然后碾压、检测[8]。

②填筑前清理→基底压实→放样画线→按照土工击实，最优含水率洒水→摊铺刮平[9]。

③压路机横、纵向各3遍碾→静压、振压→检测压实度→检测高程→重复至K30和压实度达到设计标准的1.1倍为止[10]。

3 风积沙填料物理改良的重要意义

(1)技术效益

通过对风积沙填料进行物理改良试验,物理改良按体积比(风积沙：低液限粉土)1∶0.5、1∶1、1∶1.5、1∶2四个掺量同时进行,试验完成后获得了大量宝贵的试验数据,可指导其他段落风积沙填料填筑施工。在技术上新颖、可靠。本设计的成功实施对今后在风沙地区铁路、公路风积沙填料填筑路堤施工提供了宝贵的经验,对今后类似工程具有指导意义。

(2)经济效益

经过与远运取土方案的经济比较,采取风积沙物理改良方案较远运方案可节约投资2 100万元,且减小了后期运营养护维修,其直接和间接的经济效益非常显著。见表9。

(3)环保效益

风积沙地区环境脆弱,风积沙物理改良可以很好的利用挖方弃土,可大大减少取弃土场的设置,有效减少了对周边环境的破坏,对线路沿线生态保护具有非常重要的意义,特别是风积沙物理改良土能大大提高路基边坡的植物成活率,迅速改变铁路周边环境,对建设绿色包西铁路意义重大。

表9 填料设计方案的投资对比

4 结语

包西铁路榆林地区的风积沙填料物理改良设计方案不仅解决了直接用风积沙填料填筑地基系数检测达不到规范要求的难题,且充分的利用了挖方弃土,减少了取弃土,消除了填料远运过程中的扬尘,既保护环境,又节省投资。目前本段路基已经建成通车,工程初验各参验单位一致认为风积沙掺粉土物理改良设计新颖、安全可靠,满足铁路运营安全要求。

参考文献：

[1] 铁道第一勘察设计院.TB10001—2005 铁路路基设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2005.

[2] 铁道第一勘察设计院.TB10001—2005 铁路路基设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2005．

[3] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.TB10102—2010 铁路工程土工试验规程[S].北京：中国铁道出版社,2010.

[4] 刘成宇.土力学[M].北京：中国铁道出版社,2002．

[5] 祝朝旺,刘升传.高速公路高填路基松铺厚度与碾压遍数的优化[J].路基工程,2011(1):19-25.

[6] 吴荣燕.风积沙填料在高等级铁路中的改良应用[J].甘肃科技纵横,2009(3):126-127.

[7] 鲍茂新.使用风积沙作路基填料施工工艺[J].西部探矿工程,2005(2):26-27.

[8] 马海勤.风积沙路基施工工艺探讨[J].科技信息(学术研究),2008(13): 45-47.

[9] 司马霞.风积沙路基施工工艺探讨[J].青海交通科技,2011(5):114-117.

[10] 代冠春.风积沙公路路基填筑施工工艺初探[J].科技风,2010(1):28-30.