京九铁路路基填筑粉土工程特性试验研究

2014-12-25任成进李志刚刘运桥

铁道建筑 2014年3期

任成进，李志刚，刘运桥

(济南铁路局工务处，山东济南 250001)

济南铁路局管内京九铁路大部分地区穿越鲁西南黄泛平原区，由于受线路所处特殊的地理、地质环境和修建时的设计标准、施工质量等影响，采用沿线广泛分布的粉土填筑路基，雨季病害严重，经常危及行车安全，严重时中断行车。铁路第6次大提速后，京九线最高速度达到160 km/h，列车的高速运行对路基的质量提出了更高的要求。为此，对京九线路基填筑粉土的工程特性进行了研究，为根治路基病害提供依据。

1 粉土的基本性质

1.1 基本物理、化学性质

试验用土取自京九铁路曲线改造后废弃路段的路基填土，里程K381+000—K594+434，位于山东聊城、菏泽一带。该地区粉土的化学成分中硅(Si)、铝(Al)含量高，其次为铁(Fe)、钾(K)、钠(Na)，其余化学成分不足10%。粉土的物质组成主要是原生矿物砂、粉粒，次生黏土矿物含量较少，具有弱可塑性、低黏结性、高分散性等特点。试验得出粉土的基本物理性质指标如表1，根据《铁路路基设计规范》(TB 10001—2005)属于低液限粉土。

1.2 粒度组成分析

对不同取土地点土样的成分及级配进行分析，颗粒分析曲线如图1所示。

表1 粉土基本物理性质指标

图1 粉土颗粒分析曲线

从图1可看出，京九线粉土的粒径分布曲线极不均匀。其中0.075～0.005 mm的粉粒含量平均超过75%，粒径d＜0.005 mn的黏粒含量平均不到10%，d＞0.075 mn的粗砂粒含量平均不到15%，不均匀系数1.8～2.8，全部颗粒粒径＜0.25 mm。由于粉土颗粒粒径分布存在严重不足，因而造成其成型困难，压实系数难以达到要求，也难以形成反滤结构体系，使得冲刷、冲蚀现象严重。

1.3 化学成分分析

为查明粉土的化学成分和含盐量，判断粉土的水理特性是否与其含盐量有关，分别在梁山、阳谷、聊城按盐渍土取土规则取土样11组进行化学成分分析，结果如表2所示。根据试验计算结果，最大含盐量为0.221%，最小含盐量为 0.049%，平均含盐量为0.121%，说明试样均为非盐渍土，因而盐渍土的溶蚀作用不是产生粉土路基病害的主要原因。

表2 土壤化学成分 %

1.4 击实性质

在进行粉土的室内击实试验过程中发现，当含水率较小时，粉土易从击实筒溅出，试件松散、起皮，无法击实;而当含水率超过17%以后，试件中的孔隙水会从击实筒底部溢出，且试件出现“弹簧”现象，工程上俗称“弹簧土”、“橡皮土”，无法进行试件的击实。击实曲线如图2所示。

图2 击实曲线

由图2可知，粉土的最优含水率并不像黏性土那样在塑限附近，而是远小于塑限，且击实曲线偏离饱和曲线较远。这说明即使粉土达到最大干密度，土体孔隙比仍然较大，饱和度较低，与饱和含水率相差较大。图2中击实曲线呈不对称形状，在最优含水率左侧，曲线呈平缓状上升，超过最优含水率后，干密度随含水率的增加迅速下降，表现出压实对水较强的敏感性。

由于粉土含有较多的粉粒，颗粒间接触基本属于粉粒的接触，颗粒基本结构为单粒体形式，压实时，土粒之间的孔隙不能完全被填充，易形成“搭积木”式的构架，颗粒之间被薄层气体填充，导致难以压实。计算表明，粉土在最大干密度时空气体积率为8%，大于一般土体4%左右的最小空气体积率。这说明即使粉土路基压实系数达到100%，仍有相当大的孔隙。在行车荷载下，路基容易产生大量的残余变形，且压实后的路基由于毛细管发育，在路堤浸水的情况下，极易吸水、聚冰、冻胀、翻浆。这与现场调查的结果是一致的。

通过改变每层的击数来增加击实功，以分析能否通过增加压实功提高粉土的干密度，减小粉土的空气率，从而增加土的密实度，减小路基的压缩变形。在4种不同击实功下进行击实试验，试验结果如表3所示，击实曲线如图3所示。

表3 不同击实功的试验结果

图3 不同击实功下粉土的击实曲线

由表3及图3可知，击实功K值越大，土的最大干密度ρdmax越大，最佳含水率wopt越小。由击实曲线与饱和曲线的关系可以看到:K增加，并不能使击实曲线明显趋近饱和曲线。

由试验数据计算土体的相关指标，结果见表4。由表4可知:随着击实功K的增加，最大干密度ρdmax递增，最佳含水率wopt递减，土的孔隙比e递减，饱和度Sr递减，空气率Va递增。一般而言，击实的作用在于减少土颗粒间孔隙的体积，降低孔隙气体体积，提高土的密实度。但由表4可知，随击实功增加该类土e变小，说明孔隙体积Vv减小，而Vv=Va+Vw(Vw为孔隙水体积)，Va不仅没减小反而增大，说明Vv的减小是由于Vw的减小所致，因而引起Sr的变小。对于黏性土和级配良好的土，随击实功增加，土中颗粒嵌挤，气体被排出，e变小，Va也变小，Sr增大，土变得更密实和稳定。而对于粉土Vv的变小是因孔隙中的水排出，土中的Va变大，Sr降低。这说明该类土球形堆积结构的特点使得Va增大。击实功只能排出孔隙中的部分水，而不能减小空气率Va、提高饱和度Sr和改变毛细管径。因而压实后的路基孔隙发育，水稳定性差。行车振动作用还可引起颗粒的错位与排列，表现出变形的不均匀性与强度的不稳定性。这进一步证明了该类土靠提高击实功不能改变它的水稳性和控制工后不均匀变形的发生，同时说明单纯提高击实功来提高土的密实度不是经济有效的方法。

表4 相关指标计算结果

1.5 压缩性质

粉土压缩试验数据表明，压实系数＞0.85的粉土仍属于中压缩性土体，提高其压实系数对土体的压缩性能改善不很明显。压实系数对e－p曲线的影响见图4，可见压实系数从0.85提高到0.95，压缩模量ES1－2只增加约2 MPa。这进一步说明粉土难于压实，且增加压实功对于提高土体的密实度和刚度也不明显。相比较而言，粉土对水的敏感性较强，压实系数为0.95的粉土，最优含水率从12%增加到18%时，压缩模量ES1－2仅下降约3 MPa，见图5。这说明压实粉土遇水则其刚度明显下降，且产生过大的残余累积变形。