严寒地区铁路液化地基上粉煤灰填筑技术

保国斌

摘要：通过对粉煤灰的物理化学及土力学特性进行研究，发现粉煤灰的高液限及毛细吸水现象对地下地上水丰富的铁路路基可能产生病害，本文采取上下封闭、两侧包边的隔水断面填筑结构形式，将粉煤灰毛细吸水现象对路基质量的不利影响消除；同时介绍了严寒、液化地基上粉煤灰铁路路堤填筑方法、施工工艺以及控制要点，对同类工程有借鉴意义。

Abstract： Through studying the physicochemical characteristic and soil mechanics characteristic of coal ash， it is founded that the high liquid limit and capillary water absorption of coal ash may cause disease to the railway foundation with rich ground or underground water. This paper adopts water exclusion section structure to remove the adverse effect of the capillary water absorption of coal ash on foundation quality. It also introduces the coal ash railway foundation filling method in severe cold area and liquefied foundation and the construction technology and control points， which can provide reference for similar projects.

关键词：严寒地区；液化土地基；路堤结构设计；粉煤灰；控制要点

Key words： severe cold area；liquefied soil foundation；embankment structure design；coal ash；control points

中图分类号：U416.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）08-0143-03

0 引言

粉煤灰是热电厂煤粉燃烧排放的废料，在填料性质方面具有颗粒轻、强度高、压缩性小、有一定的水硬性、容易板结等优点，它是一种典型的轻质材料，对地基的附加应力小，可适用于地基承载力较低的软土地区。火渤铁路路基工程，通过对粉煤灰的物理化学性能和工程力学特性进行研究，对粉煤灰路基基床以下芯体填筑采取上下粘土阻隔，两侧AB组土包边封闭的方法，消除了粉煤灰毛细吸水对铁路路基可能产生的病害，开创了在东北地区严寒条件下，在液化地基上采用粉煤灰进行冬期填筑施工的先例。

1 工程概况

火渤铁路位于辽宁省盘锦市境内，工程沿线经过区域为辽河平原，地势平坦，80%线路穿越水稻田，沿线路基填料缺乏。经多次工艺试验验证，决定采用粉煤灰代替基床以下部分C组土，即基床以下路堤中间芯体填料采用C组土即粉煤灰填筑，两侧2m宽范围内采用AB组土或粉土包边，包边土与芯体同步填筑。

2 粉煤灰的物理化学及土力学特性

火渤铁路填筑的粉煤灰源于热电厂的干排灰，由环保公司收集入仓，再经加水搅拌调湿到压实工艺的最佳含水量范围后，运至路基填筑段落。

2.1 粉煤灰的颗粒分析及液限

粉煤灰的土力学特性介于粉砂和粉土之间，液限大于40%，定名均为高液限粉土。粉煤灰由微珠玻璃体组成，化学成份和物理性能都不同于高液限粉（粘）土，因此，不能将高液限粉（粘）土标准来指导粉煤灰施工，粉煤灰土应根据它的特性进行设计施工。

2.2 粉煤灰的最佳含水量和最大干密度

粉煤灰的最佳含水量范围比较宽，利于填土施工；最大干密度小于粘性土近一半，对减轻液化土路基的自身荷载、减小路基工后沉降大有好处。

2.3 粉煤灰的无侧限抗压强度

石灰石除硫法回收的粉煤灰无侧限抗压强度3天龄期增长43%，氨法除硫粉回收的粉煤灰无侧限抗压强度3天龄期增长38%。

2.4 粉煤灰的自硬性能

粉煤灰的主要矿物成份为硅酸盐玻璃体，伴有少量石英、莫来石、赤铁矿、磁铁矿、及微量游离氧化钙。粉煤灰遇水后，微量游离氧化钙、玻璃体内的钾、钠、铝氧化物及硫酸盐等成份溶解于水，形成水化硅酸钙、硫酸钙、氧化钙结晶，早期具有一定的力学性能。压实的粉煤灰经水化反应能生成水化硅酸钙、铝酸钙、硫酸钙，水化物的生成又进一步发展了粉煤灰的这种力学性能。因此粉煤灰不同于一般粘性土，粉煤灰路基结构性能随龄期的增长不断提高。

2.5 粉煤灰的毛细吸水现象和水稳性

粉煤灰的毛细吸水现象比较发达，不利于粉煤灰填筑体的稳定及防止冻胀。毛细水的上升高度与压实度和水硬性有关，即随着水硬后强度和压实度的提高而毛细吸水现象下降。

粉煤灰的软化系数为0.4，也就是饱水后无侧限抗压强度损失60%左右。主要是粉煤灰粘性差，遇水后其地基系数K30大幅下降。因此粉煤灰填筑时宜用粘土将其与地下地上水相隔离。

2.6 粉煤灰的冻敏性

施工气温在-10℃以下时，粉煤灰表面不宜洒水。由于粉煤灰明水产生大量冰晶而影响压实效果和工程质量，因此，填筑用的粉煤灰需全部在厂内将含水量调整到最佳范围内。

2.7 粉煤灰与粉（粘）土的区别

路堤基床以下填料通常采用粉（粘）土，粉煤灰与粉（粘）土特性对比见表1。

粉煤灰虽然液限较高，但塑性指数小，没有粘性。填料的的抗变形能力好，只要土体含水量没有超过塑限含水量，压实的地基系数K30仍很大，随着龄期的增长，土体产生板结，地基系数K30增大。综合分析，粉煤灰在做好上下封闭、两侧包边、克服毛细吸水现象后也是一种优良的填料，相比填筑工艺基本相同的粉（粘）土、细砂、粉砂等土工性能具有优势。

3 液化土路基段粉煤灰填筑的路堤结构设计说明

路堤结构形式由于粉煤灰粘结力小，渗透系数大，毛细现象严重，且有一定的淋溶作用等特性，在路堤结构设计时需考虑采取一定的防护措施对粉煤灰层予以隔离。路基梯形结构采取上下封闭、两侧包边的结构形式，阻断地下地上水对粉煤灰渗透破坏。原地面填筑50cm厚粘土或粉土阻断地下水、地表水往上渗透，路基基床以下路堤中间芯体填料采用C组土即粉煤灰填筑，两侧2m宽范围内采用AB组土或粉土包边处理，基床以下顶部填筑30cm厚粘土或粉土进行封顶处理，再进行基床部分填筑。填筑过程中粉煤灰作为芯体与包边土同步按工艺层层摊平碾压密实，并加强防水措施。高填方（H≥8m）两侧边坡2.5m范围内按设计要求每填层60cm铺设单向土工格栅进行路基加固，确保路基结构稳定。路基全部填筑完成后形成一个封闭稳定受力结构，达到路基验标要求。粉煤灰填筑结构示意图如图1。

4 粉煤灰填料施工特点

火渤铁路路堤基床以下中间芯体采用粉煤灰，与传统铁路路堤填料相比较，具有以下特点：

4.1 节省取土场、减少占用土地。铁路路基填料合理利用工业废料粉煤灰，既能够节省取土场，又减少占用土地。

4.2 粉煤灰的自硬性能有利于提高路基的稳定性，使粉煤灰填料的最佳含水量范围变大，更利于施工。粉煤灰自硬性能产生较大的力学性能，提高了K30值，现场实测粉煤灰的地基系数最高可达200kPa，远大于粘土路基的强度。

4.3 粉煤灰具有质量轻、压缩性小、路堤建成后沉降量小；最大干密度小，相比粘性土减少了约一半的荷载，对软土地基上的高填方路基填筑十分有利。

4.4 可进行冬季施工。相对粘土路基施工，不怕冻，在严寒地区施工，仍能填筑压实和正常检测，有利于加快施工进度。

4.5 通过对粉煤灰液化地基段的路堤填筑结构优化处理，有效地防止了粉煤灰路堤由于毛细现象产生的路基病害。

5 施工工艺及控制要点

5.1 施工工艺

粉煤灰路堤填筑施工工艺基本与填土路堤施工相似，仅增加了包边土和设置下封上盖等工序。工序主要包括基底处理，粉煤灰调湿储运，填筑摊铺，碾压，试验检测等。试验检测能否满足验标要求主要取决于粉煤灰的摊铺厚度、含水量控制、压实机械种类和碾压遍数，因此在正式施工前，应先做工艺性试验路段，以便取得施工工艺参数，指导施工。

5.2 施工控制要点

5.2.1 基底处理

液化地基段，基底为碎石垫层，其上填筑50cm粘土或粉土垫层。为保证包边料宽度及路基边缘压实质量，路基两侧超填50cm宽。底部找平、上部路基面施做4%人字排水坡。

5.2.2 粉煤灰备料

粉煤灰来源于热电厂，出厂前进行含水量调控后，在堆放场内闷料，当含水量控制在29%～36%时运至施工填筑段。

5.2.3 填筑摊铺

包边土与路基中间芯体粉煤灰同时填筑、同时压实。包边时，为保证边坡宽度及压实质量，包边土横断面两侧即内外边线各加宽50cm填筑，内外边线测量控制保证包边宽度。路基填筑时为控制松铺厚度的准确性，在路基上用石灰绘制网格计算控制，工艺性试验验证粉煤灰填筑最佳松铺厚度为55cm，松铺系数为1.396。包边土与中间芯体粉煤灰填料边线人工清料，防止混料。

5.2.4 含水量控制

根据粉煤灰土自身易风吹粉化、易脱水的特性，新进来的粉煤灰摊铺平整后含水量在29%～36%之间时应立即安排碾压，防止水份蒸发。当粉煤灰最佳含水率控制在29%～36%之间时，压实系数及地基系数K30值根据合适的碾压遍数可满足验标要求。当含水率≥37%时，则容易液化翻浆，应当采用旋耕犁进行翻晒降水；当含水率≤28%时，粉煤灰呈松散状态，无法压实，采用洒水车进行喷洒后闷料12小时，含水率达到要求后，才能进入碾压工序。

5.2.5 碾压

采用25t重型振动压路机碾压，本着先轻后重的原则，碾压工艺为：静压1遍+弱振2遍+强振4遍+收光1遍，共计碾压8遍。压实顺序按照先两侧包边土，后中间粉煤灰进行碾压。

5.2.6 压实质量检测

对于基床以下路堤中间芯体粉煤灰土填料，压实质量采用压实系数和地基系数K30进行控制；对于包边粉土填料，压实质量采用压实系数和地基系数K30控制；包边AB组填料，压实质量采用孔隙率和地基系数K30控制。粉煤灰土压实质量检测时应注意清除表层约10cm松散土层后整平方可进行检测。

6 结束语

严寒地区铁路液化地基上采用粉煤灰填筑基床以下路堤，第一，解决了火渤铁路盘锦地段填料不足的问题，减少了取土、节省了土地资源，用于路基填料易于压实，有利于路基施工质量控制；第二，合理利用工业废料粉煤灰，根据粉煤灰物理化学及土力学特性，经现场多次工艺性试验验证，采取基床以下路堤两侧包边、上下封底盖顶的施工方法及施工工艺，能满足验标及规范要求，并确定了施工工艺参数；第三，粉煤灰填筑过程及路基成型后，对路基沉降进行长期及跨年度跟踪观测，沉降数据分析后结论满足要求；第四，火渤铁路粉煤灰冬季施工60万方，占填筑总方量的30%，比较常规填料冬季备土及后期翻晒碾压施工，有效缩短工期3个月，减少机械台班74万元，经开春冻融后复检，路基质量完全满足路基工程质量要求，有效保证阶段工期的实行。火渤铁路采用粉煤灰填筑路基，拓宽了铁路路基填料种类，利用工业废料有很好的指导推广作用，同时为严寒地区或寒冷季节利用粉煤灰填筑铁路路基提供了很好的参考依据，社会效益和经济效益显著。

参考文献：

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