高速铁路路基粗颗粒土填料物理改良试验分析

2013-01-16杨西锋

铁道标准设计 2013年12期

杨西锋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

高速铁路路基填料设计尽可能使用优质填料，是学术界和工程界的普遍共识。所谓优质填料，可以理解为包括现行《铁路路基设计规范》(TB 10001—2005)第5章中所规定的A或B组天然填料以及人工干预条件下的改良土。但实际情况是，几乎所有铁路线路附近，优质的天然填料都比较匮乏。同时存在的问题是，即使是优质的A或B组天然填料在高速铁路路基中使用时，也会因为存在一些缺陷而不能满足现行规范对路基填筑密实度的要求。这就需要通过人工改良的方法克服现有填料的不足，提高填料质量，满足规范要求。

填料改良分为化学改良和物理改良2种方式，无论哪种改良方式，改良后的填料在应用于高速铁路路基时，都必须满足以下4个方面最基本的要求：

(1)满足现行规范各项要求；

(2)具有足够的强度，在列车荷载和路基自重荷载作用下能够保持长期的稳定；

(3)压缩性小，且路基本体的压密沉降能较快完成；

(4)在外界环境的不利因素下(水、温度等)性能保持长期稳定。

结合哈大客运专线某段路基工程对B组细圆砾土所开展的物理改良试验，着重介绍针对粗颗粒土实施物理改良的起因、过程及结果，提出粗颗粒土物理改良适用条件。同时，结合以往及现行设计规范有关规定，讨论规范条文推进过程，对现行路基填料分级提出改进建议。

1 概述

哈大客运专线是我国在东北严寒深季节冻土区自行设计、建造的第一条无砟轨道客运专线，沈阳至哈尔滨段南起辽宁省省会沈阳市，途径铁岭，吉林省四平市、长春市、松原市，终止黑龙江省会哈尔滨，线路全长465.446 km，其中路基长102.918 km。路基工程经过的地貌单元有冲洪积平原、低山缓丘和剥蚀平原微丘区。涉及地层岩性有粉质黏土、黏质黄土、砂砾石土、泥岩夹砂岩、安山岩。沿线地下水主要为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。

填料物理改良试验段位于辽宁省开原市八宝镇和金沟子镇，哈大客运专线TJ-2标D1K499+005.85～ D1K520+546.6段，路基总长度为11.979 km，均以填方形式通过，填方高度5～7.0 m，路基共需要A或B组填料1 086 009 m3。设计填料均取自D1K508+100右侧4.1 km开原市清河左岸河滩取土场，为细圆砾土，属B组填料。依据《新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定(上、下)》(铁建设[2007]47号)，满足规范要求。

该段路基2008年5月开工之初，施工单位进行场地预填筑试验，取设计取土场填料按施工规范技术要求分层填筑碾压后，对各项压实度控制指标进行检测，发现Evd不能满足基床底层压实度要求。改进施工工艺反复试验后，依然不能满足设计要求。根据施工现场实际情况，遂考虑对设计天然填料实施物理改良。

2 天然填料物理改良试验

2.1 设计取土场天然填料级配情况

为取得改良基础数据，首先对设计取土场的天然填料进行室内土工试验，获得其级配情况。在设计取土场随机选取3个取样点，分别在深度3.0 m和4.0 m各取一个土样，总共合成为6组试样进行室内筛分试验，将各组试样试验结果进行平均，见表1。

表1 天然填料颗粒分析结果

根据各组试样试验结果：天然填料中，2 mm以上颗粒质量百分率在26%～65%，不均匀系数15.092～49.587，曲率系数0.064～4.354，级配不良。根据《铁路路基设计规范》(TB 10001—2005)第5章中所规定，判定该取土场土质类别为级配不良的细圆砾土，属B组填料。

2.2 物理改良预设计

采用天然填料填筑的路基在压实后其Evd不能满足设计要求，通过分析天然填料的土工试验结果可以得出，其原因在于天然填料级配不良。因此，物理改良的目的就是通过人工干预的方法，改善天然填料的级配，使之达到良好级别，变为A组填料。绘制天然填料的级配曲线与级配良好的细圆砾土(A组填料)级配标准曲线对比，见图1。

图1 天然填料与标准A组填料级配曲线对比

由图1可以看出，天然填料的级配曲线与标准A组填料级配曲线相比存在不小的差距，尤其直径20、10、5、1 mm筛上的颗粒含量相差较大。绘制天然填料5 mm以上、0.075～5、0.075 mm以下3个粒径范围内各自质量百分比饼图，见图2。

图2 天然填料颗粒组成

由图2可以看出，直径0.075～5 mm的颗粒含量过大是造成天然填料级配不良的主要因素。因此，要达到改善填料级配的目的，一是可以通过筛选的办法剔除掉过多的直径0.075～5 mm范围内的颗粒，另外还可以通过掺入一定量大于5 mm和小于0.075 mm的颗粒来实现。

通过理论计算可知，去除掉大约70% 直径0.075～5 mm范围内的颗粒，可以使天然填料的级配曲线位于A组填料范畴内。故另取代表性试样进行分离，把直径0.075～5 mm之间的颗粒去掉70%后，再把筛余料进行重新组合筛分，组合后的重新筛分结果见表2，同时绘制颗粒级配曲线见图3。

表2 调整后的填料颗粒分析结果

图3 天然填料与标准A组填料级配曲线对比

由表2和图3可以看出，调整后的天然填料其级配情况为：0.075 mm以下颗粒含量为1.4%，0.075～5 mm之间的颗粒含量为34.6%，5 mm以上颗粒含量为64%。不均匀系数Cu=54.813，曲率Cc=1.824，已变为级配良好的细圆砾土，属A组填料。绘制上述3个粒径范围内调整后的填料各自质量百分比饼图，见图4。

图4 调整后填料颗粒组成

如果按照上述比例采取剔除的方法对填料进行物理改良，则天然填料利用率只有约53%。这样一方面造成填料大量浪费，不利于环境保护，同时取土场储量也无法满足要求，另一方面利用人工筛选剔除其中部分级别颗粒土的做法在实际施工过程中也不太现实。因此，参照图4所示的填料粒径比例，在原天然填料中掺入一定比例其他粒径填料，从而达到填料物理改良的目的，成为比较现实和可行的办法。

根据调整后的填料粒径组成，设计出以下4种不同的掺配方案对原天然填料进行物理改良，对改良后的填料分别进行室内土工试验和现场填筑试验，满足各项要求后确定最终施工掺配方案。

方案1：在原天然填料中掺加7%砂黏土。掺配后颗粒密度2.61 g/cm3，最大干密度2.13 g/cm3，最佳含水量5.1%。大于5 mm的颗粒含量为45%，土样最大颗粒粒径为40 mm，0.075 mm以下细颗粒含量7.1%，不均匀系数47.83，曲率系数2.664，级配良好，填料等级为A组。

方案2：在原天然填料中掺加30%的5～40 mm卵石。掺配后颗粒密度2.65 g/cm3，最大干密度2.09 g/cm3，最佳含水量4.3%。大于5 mm的颗粒含量为70%，土样最大颗粒粒径为60，0.075 mm以下细颗粒含量1.2%，不均匀系数21.870，曲率系数3.175，级配不好，填料等级为B组。

方案3：在原天然填料中掺加30%的5～40 mm卵石和7%的砂黏土。掺配后颗粒密度2.63 g/cm3，最大干密度2.15 g/cm3，最佳含水量5.2%。大于5 mm的颗粒含量为63%，土样最大颗粒粒径为40，0.075 mm以下细颗粒含量7.2%，不均匀系数65.134，曲率系数2.442，级配良好，填料等级为A组。

方案4：在原天然填料中掺加25%的5～40 mm卵石和7%的砂黏土。掺配后颗粒密度2.61 g/cm3，最大干密度2.13 g/cm3，最佳含水量4.9%。大于5 mm的颗粒含量为57%，土样最大颗粒粒径为40，0.075 mm以下细颗粒含量7.8%，不均匀系数69.84，曲率系数2.871，级配良好，填料等级为A组。

2.3 物理改良后现场填筑试验

2.3.1 填筑试验准备工作

(1)试验场地选择

在施工场地外选择一块平整场地，其平面尺寸为60 m×60 m，作为路基场外填筑试验段，场地基底采用推土机平整处理后，压路机进行压实，延时24 h后，经检测Evd与Ev2指标满足压实度要求。

(2)施工机械组合(表3)

表3 填筑试验施工机械配置

(3)主要试验检测仪器配置

Evd检测仪1套、Ev2检测仪1套、K30检测仪1套、灌水法检测仪1套。

(4)检测项目及压实标准(表4)

表4 基床底层填料压实标准(粗砾土)

注：以上数据为哈大客运专线设计时执行规范《新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定(上、下)》(铁建设[2007]47号)规定数值。

2.3.2 填筑试验结果

(1)填筑施工工艺及检测方案

现场松铺厚度按35 cm控制，推土机摊铺，平地机整平，检测含水量后开始碾压。碾压顺序为先静压1遍，弱振2遍，强振3遍，最后静压1遍收光，测量压实厚度为30 cm。然后检测各项指标(每个指标检测6个点)，不满足要求后重新强振2遍，静压1遍，再度检测。如依然不满足，则继续碾压至11遍最后检测，如不满足则放弃该方案。

考虑到填料对Evd指标最为敏感，为减少工作量，每次首先检测Evd指标，再检测Ev2，均符合要求后再检测K30、孔隙率。如Evd不符合要求，则放弃其他检测项目。

(2)填筑试验检测结果

依据上述施工工艺及检测方案，分别对原天然填料、方案1～方案4物理改良后填料进行现场填筑试验，试验检测结果见表5。

由表5可以看出，方案3各项监测指标均满足要求，因此可以依照此掺配比例对原天然填料进行物理改良。

表5 各填料填筑试验后检测值

注：表中数据为6个检测点检测数据的平均值。

3 结论

(1)将上述方案3掺配成的填料进行室内筛分试验得出：5 mm以上粗颗粒含量为63%，0.075～5 mm的颗粒含量为29.8%，0.075 mm以下的细颗粒含量为7.2%，结合原天然填料的筛分结果，通过计算可知需在原天然填料中掺入粗圆砾31%，砂黏土5.9%。各种颗粒含量详情见表6。

表6 实际掺配比例

由表6可知，施工现场应按照原天然填料∶掺粗圆砾∶掺砂黏土=63.1∶31∶5.9(1∶0.49∶0.09)比例进行实际掺配。

(2)最佳含水量5.2%，颗粒密度2.63 g/cm3，最大干密度2.15 g/cm3。

(3)施工工艺：松铺厚度为35 cm，压实厚度28～30 cm，压实系数1.2。碾压方法为：静压1遍+弱振2遍+强振3遍+静压1遍共7遍的方法进行。

(4)鉴于场外试验有一定的局限性，在实际施工中可根据此参数和实际情况进行适当调整。

4 结语

将哈大客运专线设计时执行的规范《新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定(上、下)》(铁建设[2007]47号，以下简称“旧规范”)与现行高速设计规范《高速铁路设计规范(试行)》(TB 10020—2009，以下简称“新规范”)关于无砟轨道路基基床底层采用粗颗粒土填料时压实标准列表对比，见表7。

由表7可以看出，新规范取消了对孔隙率<28%的要求，重新使用地基系数K30孔隙率和压实系数同时对路基压实度的检验，二者任取其一即可。

新规范不再强制使用Ev2指标，指出可以选择使用K30或Ev2。从本质上，无论是二次变形模量Ev2还是地基系数K30，都属于静态力学检测指标，都是通过平板载荷试验检测的，二者存在很多共同之处。但Ev2指标对于K30不具备替代性，因此建议在大量现场试验和室内试验的基础上，得出K30与Ev2相匹配的控制指标，使用K30完全代替Ev2检测，且逐层检测，这样可以更好地提高路基质量控制标准。新规范将Evd指标由35 MPa提高至40 MPa，显示对填料动态性能的重视，相应对填料要求更高。如前文讨论，相对优质的B组填料依然不能满足动态变形模量的要求。新规范吸取了秦沈客运专线的经验，在6.4.1条增加“A、B组填料粒径级配应符合压实性能要求”的限制，但在设计阶段实际操作起来比较困难。因此建议铁路填料分级在应用于高速铁路时能够更加细化，在进一步试验研究的基础上，建立起填料动态指标和Cu、Cc之间的联系，这样一方面能便于实际操作，另一方面也能更有效地进行工程投资控制。