重载铁路填料含水率控制研究

夏 龙

中铁二局第四工程有限公司 四川 成都610000

一、引言

蒙华铁路是国家“北煤南运”重要的战略通道，是纳入国家“十三五”的重大项目。线路全长1813公里，是世界上一次性建成并投产的里程最长的重载铁路，线路一次跨越长江黄河、由北向南穿越沙漠、高原、丘陵、平原，地质条件非常复杂，技术难度大，质量要求高。而路基工程作为重载铁路的重要组成部分，承受着重载列车所有荷载，路基工程的质量对线路的安全运营起着至关重要的作用。

压实系数K、孔隙率、地基系数K30是评定铁路路基压实质量的重要指标，如何保证检测指标合格一直是路基施工阶段的永恒主题，而指标的影响因素中除填料质量、碾压参数外最重要的因素当数含水率，现场施工过程中的重要环节即填料含水率的控制。

二、路基压实的意义

重载铁路路基在施工中通过对填料的挖、运、填等工序，土料原始天然结构破坏，呈松散状态、为使路基具有足够的强度和稳定性，必须进行人为压实使其呈密实状态。通过采用压实机具进行压实时，使三相土体中的土颗粒密度不断靠拢、小颗粒填充于大颗粒之间的空隙中，使土颗粒间隙里的空气不断排除土体外，土颗粒间隙里的空气不断被排出土体外，土颗粒间空隙不断减小，单位体积内的土颗粒和水分质量不断提高，由于土颗粒的不断靠拢、重新排列成新的密实结构，土的内摩擦力和粘聚力大大增加，从而提高了土体强度。由于土体空隙减少，外界水分子进入土体的通道被堵塞，阻力增加，土体的抗渗透性提高，可以在一定程度上防止雨季发生坍塌、崩解，冬季气温带来的冻胀等病害[1]。

三、压实质量的影响因素

通过试验研究总结，路基压实质量的好坏受到方方面面的影响，对于不同性质的土，影响压实的因素主要分为自身因素和外部条件两个方面。自身因素主要指填料质量(如颗粒级配等)和含水率，外部条件主要指碾压参数(如碾压遍数、压路机吨位等)，现场施工时往往着重抓填料质量和控制现场碾压参数，而忽略了含水率指标。

铁路上采用《铁路工程土工试验规程》(TB10102)的要求进行击实，根据室内标准击实试验，试验土样在标准击实功作用下，土样干密度随着含水率增大而增大，经过一个峰值点后，干密度随着含水率增大而减小，干密度-含水率曲线图总体呈现出抛物线趋势。

试验结果表明，在击实曲线中存在一个峰值点(即最佳含水率)最佳含水率，此时对应的土样空隙最小、最密实，即是最大干密度，此时是理论上填料能达到最佳压实状态。

图1 填料击实曲线图

因此，填料含水率是影响压实质量的重要因素，现场压实控制时主要围绕含水率是否处于最佳含水率范围开展工作。

四、含水率控制范围研究

在现场施工过程中，现场填料的天然含水率与室内最佳含水率往往差别较大，所以路基现场填筑前最重要的一个环节就是填料含水率检测控制，湖南地区处于高降雨量地区，每年平均有两个持续时间较长雨季，填料的天然含水率较北方普遍偏大，针对这种情况，在填料摊铺碾压前应进行晾晒，对天然含水率较小的情况，进行洒水增加含水率后碾压。

至于含水率控制在最佳含水率附近哪个范围合适，《铁路路基工程施工质量验收标准》(TB10414)中要求施工含水量应控制在最优含水量的-3%～+2%范围以内。而在实际施工过程中，要控制在此范围要求是极其困难的，特别是对本工程所在地区，填料含水普标偏高且填料含水量变化很大。如若照本宣科，必然会对工期及施工成本造成很大影响。

针对此课题，我们在现场根据工程情况选取了DK1536+600、DK1547+600段两段路基作为填料含水率控制范围试验段，首先通过室内标准试验对常见的几种填料进行对比分析理论范围。

对比试验采用所在项目现场取土5种有代表性的填料，其中A 组填料两种：级配好的含土细圆砾，级配好的含土细角砾。B组料两种：级配不好的粗角砾，级配不好的细角砾。C组料一种：低液限粉质黏土。填料划分标准参照《铁路路基设计规范》TB10001-2005，室内对比试验采用标准击实试验。

表1 不同填料标准击实试验数据对比

干密度g/c m3 2.04 2.15 2.20 2.17 2.10 4.5 6.5 8.4 10.5 12.5 B组(级配不好的细角砾)含水率%4颗粒密度g/c m3 2.70孔隙率%24 20 19 20 22干密度g/c m3 1.67 1.72 1.75 1.71 1.61 8.4 10.4 12.3 14.7 16.4 C组(低液限粉质粘土)含水率%5最大干密度g/c m3 1.75压实系数K 0.95 0.98 1.00 0.98 0.92

表2 正线基床表层压实标准

表3 正线基床底层压实标准

通过室内标准击实试验检测数据对比(表1)发现，不同填料含水率与干密度的影响程度各不相同，但5种代表性土样经标准击实功在最优含水率+4%～-4%范围内，推算孔隙率、压实系数K都能满足设计指标。另外从表中发现存在规律，含水率小于最优含水率时，干密度较含水率大于最优含水率时的干密度变化更大，即在击实曲线上，左侧曲线比右侧更陡。在此基础上大胆推测，+4%～-4%的范围也适用于现场含水率控制，甚至范围更大。

现场DK1536+600、DK1547+600两段路基均采用静压1次+弱振1次+强振4次+弱振1次+静压1次的压实组合，保证压实功率相同，对用于机床以下路堤、基床底层、基床表层的压实情况分别进行检测，其中基床底层表层采用孔隙率加K30双指标控制，基床以下路堤采取压实系数K控制。

表4 现场检测数据表

干密度g/c m3 1.59；1.61；1.63 1.66；1.68；1.67 1.70；1.68；1.71 1.65；1.61；1.63 1.65；1.62；1.60基床以下路堤C组(低液限粉质黏土)含水率%7.1；7.8；8.5 9.2；9.3；10.5 11.4；12.1；13.3 13.7；14.6；15.2 15.8；16.3；17.5压实系数K 0.91；0.92；0.93 0.95；0.96；0.95 0.97；0.96；0.98 0.94；0.92；0.93 0.94；0.93；0.91

通过对比表4现场检测数据对比归纳，对该5种填料在最佳含水率+4%～-4%的范围内通过规范的压实工艺，实体各项指标都可以满足设计要求。其中对于基床底层，基床以下路堤，设计要求较表层更低，含水率范围可扩大至+5%～-5%范围进行控制，原因主要是随着时间推移，现今硬件水平，管理水平较之前有很大提升，路基现场填筑机械压实功率更大，现场填筑工艺更先进，所以对于含水率范围有更大的缓冲余地。

在路基填筑过程中，虽经验证可放大含水率范围，但必须严格控制路基填筑工艺流程，结合路基试验段的工艺成果，碾压次数必须严格落实。

对于填料含水率超过+5%～-5%范围的情况，应有相应处理措施，洒水或晾晒，另外注意运输时，填筑的时间分配，也可保证含水率能够满足压实需求。

五、结论

通过实际检测对比，含水率是路基压实过程中一项重要指标，在现场施工时，必须对该项指标进行全过程监控，鉴于目前铁路验收标准提出的含水率范围+2%～-3%可以做适当放宽，其中对基床表层填料含水率控制在+4%～-4%范围内，对基床底层和基床以下路堤控制在+5%～-5%范围，辅以严格的路基压实工艺，保证足够的压实功，这样既能保证各项指标符合设计要求，同时减少经济成本，增加效益，更切合节能减排的大趋势。