城际铁路黄土填料路基压实响应与力学特征研究

张照龙 蒋应军 沙红卫 董鑫 张政 张伟

（1.陕西西韩城际铁路有限公司，西安710054；2.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安710064；3.陕西西法（北线）城际铁路有限公司，西安710065；4.陕西铁路集团有限公司，西安710199）

黄土广泛分布在我国西北、东北、华中和华东部分地区。在铁路工程建设中，常采用黄土作为路基填料。黄土填料路基的压实通常采用振动碾压法。大量工程实践表明，黄土填料路基振动压实后，路基的塑性变形、渗透系数等物理力学特性均有明显改善。研究黄土填料路基的压实响应特性与力学特性，对于提高路基的稳定性、保证施工质量有着重要意义［1-3］。

在黄土填料的压实响应特征方面，国内学者从黄土路基压实的技术，影响因素、机理等方面进行了深入研究。文献［4-6］通过黄土路基室内试验模型，研究了振幅、振动频率、碾压速度与碾压次数对黄土填料压实系数的影响，确定了黄土路基最佳振动压实作业参数，即：振幅1.6 mm、频率30～32 Hz、碾压速度1.12～1.30 km/h、振动碾压次数不宜超过7遍。文献［7］研究了黄土松铺厚度、碾压次数与压实效果的关系，提出了针对不同松铺厚度的适宜碾压次数推荐值及黄土大吨位压实工艺控制参数。在铁路路基填料的力学特征方面，文献［8］通过室内模型试验，研究了9种路基填料在不同压实系数下地基系数K30和动态变形模量Evd的相关关系，证明了细粒土的K30与Evd存在较好的相关关系。文献［9］通过现场试验研究了7种路基填料Evd与压实系数之间的相关关系，结果表明粗粒土、细粒土的Evd与压实系数存在很好的相关性，并建立了不同填料Evd检测路基压实质量标准。

综上所述，现阶段对于黄土填料路基压实响应特征与力学特征的研究大部分还停留在室内模拟试验阶段，其结果缺乏现场的研究支撑。本文依托陕西新建城际铁路西安至法门寺北线工程，现场深入研究黄土路基填料的压实响应特征与力学特征，为黄土路基填料的工程应用及施工质量控制提供依据。

1 研究方案

1.1 黄土物理特性

黄土填料取自西法城际铁路北线DK32+200，其属于黏质黄土，呈褐黄色，以黏粒为主、粉粒次之，土质不均匀，结构疏松，软塑-硬塑、硬塑为主，湿陷性等级Ⅱ级。

根据TB 1001—2016《铁路路基设计规范》对填料组别分类的要求，其塑性指数Ip≥10，液限ωL＜40，该黄土填料为低液限黏土，属于C3组填料。通过击实试验确定的最佳含水率为14%，最大干密度为1.894 g/cm3。黄土填料物理性质见表1。

表1 黄土填料基本物理性质

1.2 试验方案

填筑工艺试验段长度约为60 m，底部宽约8 m。试验段地点为西法北线DK32+200取土场。

1）路基黄土填料压实响应研究方案

压路机：选用振动压路机为柳工22 t单钢轮振动压路机和中大39 t单钢轮振动压路机。

碾压方式：拟采用2种碾压方案，见表2。方案rq为传统碾压方式；方案qq为改进后的碾压方式。

表2 碾压方式方案

不同松铺厚度下的最大可压实水平研究：选用22 t振动压路机时，松铺厚度拟为30，35，40 cm；选用39 t振动压路机时，松铺厚度拟为45，55 cm。

压实系数检测：碾压过程中每静压1遍或振动碾压2遍测定压实系数1次。由于振动压实土体时上层土体比中下层土体要密实，为检测路基整层的平均压实系数，检测时灌砂坑的深度为碾压后实际压实厚度。鉴于灌砂法检测压实系数耗时较长，因而通过碾压前后的高程差初步评价压实效果，以提高碾压效率，减少压实度检测次数。

2）压实黄土路基力学特征

分别在压实系数K≈0.90，0.93，0.95段落上检测K30（碾压完成后4 h内），距离K30检测点位不超过30 cm范围内选择不少于5个点位检测Evd、并用灌砂法检测该点压实系数。研究压实系数对压实黄土K30和Evd的影响，并建立K30-Evd之间关系。

地基系数K30检测：使用地基系数K30测试仪在路基顶面进行静压平板载荷试验，刚性荷载板的直径为30 cm，采用单循环逐级加载的方式，以0.04 MPa的增量进行加载，在每级荷载作用稳定下，读取相对应的沉降量和荷载强度值，总沉降量大于1.25 mm时，本次试验结束，计算式为

式中：P为沉降量对应的荷载强度值，MPa；S为沉降量，m。

动态变形模量Evd检测：使用动态变形模量测试仪通过自由下落的落锤进行冲击路基面，并测定路基土在冲击荷载作用下产生的沉陷值，从而计算路基土体的动态变形模量Evd，计算式为

式中，S1为承载板沉陷值，mm。

2 黄土填料路基压实响应特征分析

2.1 碾压工艺

22 t压路机在不同碾压方式下对黄土路基的压实效果见图1。松铺厚度35 cm，碾压时含水率约为14%。

图1 22 t压路机不同碾压工艺下路基压实效果

由图1中方案rq可知，静压1遍，弱振第2遍时，路基表面变形值基本不再变化，此时压实系数为0.862，压实厚度约33 cm。改为强振后，随着强振遍数增加，黄土路基压实系数继续增大，当强振7遍后，继续碾压路基表面变形值基本不再变化，此时压实系数为0.906，压实厚度约30 cm。

由图1中方案qq可知，静压1遍，随着强振遍数增加，黄土路基压实系数不断增大，当强振8遍后，路基表面变形值基本不再变化，此时压实系数为0.950，压实厚度约29 cm。

因此，建议采用静压1遍，强振8遍，静压收面1遍的碾压工艺。

2.2 不同松铺厚度下的最大可压实水平

22 t和39 t压路机下碾压次数与压实系数的关系见图2。按方案qq方式碾压，碾压时含水率约14%。

图2 不同压路机碾压次数与压实系数的关系

由图2（a）可知：松铺厚度约30 cm，22 t压路机静压1遍，强振6遍，黄土路基达到最大可压实水平，压实系数0.956，压实厚度约25 cm；松铺厚度约35 cm，22 t压路机静压1遍，强振8遍，黄土路基达到最大可压实水平，压实系数0.953，压实厚度约30 cm；松铺厚度约40 cm，22 t压路机静压1遍，强振8遍，黄土路基达到最大可压实水平，压实系数0.913，压实厚度约35 cm。

由图2（b）可知，松铺厚度约45 cm，39 t压路机静压1遍，强振7遍，黄土路基达到最大可压实水平，压实系数0.955，压实厚度35 cm；松铺厚度约55 cm，39 t压路机静压1遍，强振6遍，黄土路基达到最大可压实水平，压实系数0.915，压实厚度40 cm。

随着机械制造水平的不断进步，压路机逐渐向大吨位、大激振力方向发展，且在实际工程中的应用也越来越多［10-11］，与之相对的是大吨位压路机的成本问题。施工现场所用中大39 t压路机的租赁费用是柳工22 t压路机的10倍，油耗约为3倍。使用1台大吨位压路机的成本相当于使用3～4台传统吨位压路机的成本。由图2可知，要满足TB 1001—2016《铁路路基设计规范》规定的压实系数K≥0.90的要求，当松铺厚度约40 cm时，22 t压路机静压1遍，强振6遍即可；当松铺厚度约55 cm时，39 t压路机静压1遍，强振4遍即可。鉴于在施工效率方面39 t大吨位压路机与22 t等常规振动压路机相比并无明显优势，因此推荐选用传统吨位压路机作为主要的压实设备。在需大厚度压实的特殊路段，大吨位压路机的应用前景较为广阔［12-14］。

3 黄土填料路基压实力学特征分析

路基压实质量采用物理和力学的双指标控制，物理指标统一采用压实系数K；力学指标一般为地基系数K30和动态变形模量Evd。K30表示土体表面在平面压力作用下产生的可压缩性的大小。Evd为路基中某点的动应力与动应变之比，由于其操作简便，可以作为K30试验的补充手段。

3.1 压实系数与地基系数、动态变形模量的关系

黄土填料路基K与K30、Evd的相关关系见图3。碾压时含水率约14%。

图3 黄土填料路基K与K30、Evd的相关关系

由图3（a）可知，K与K30呈线性关系，相关系数R＝0.97。当压实系数为0.90时，根据拟合公式，K30＝116 MPa/m。

由图3（b）可知，K与Evd呈线性关系，相关系数R＝0.96。当压实系数为0.90时，根据拟合公式，Evd＝43 MPa。

3.2 动态变形模量与地基系数的关系

黄土填料路基Evd与K30的关系见图4，碾压时含水率约14%。

图4 K30与Evd的关系

由图4可知，K30与Evd呈线性关系，相关系数R＝0.96。Evd可以很好地反应路基真实的压实情况。在黄土填料路基的施工中，为节约检测时间，提高效率，完全可以以Evd为主要力学控制指标控制路基的压实质量，同时检测20%左右的K，K30作为校验［15］。由于Evd的检测有很大的离散性，在检测时应取多个测点，使用格拉布斯法取代表值作为最终的结果。根据拟合公式，当K＝0.90时，Evd＝42.5 MPa；当K30＝90 MPa/m时，Evd＝40.6 MPa。推荐的Evd的压实标准值为45 MPa。

4 结论

1）压实黄土路基选用静压1遍后直接强振的振碾方式具有较好的压实效果。

2）使用2种吨位压路机研究了黄土路基在不同松铺厚度下的现场最大可压实水平。结果表明：当现场含水率为最佳含水率时，使用22 t压路机静压1遍，强振7遍，黄土路基达到最大可压实水平，松铺厚度约30 cm，压实系数0.956；松铺厚度约35 cm，压实系数0.953；松铺厚度约40 cm，压实系数0.913。使用39 t压路机静压1遍，强振6遍，黄土路基达到最大可压实水平，松铺厚度约45 cm，压实系数0.955；松铺厚度约55 cm，压实系数0.915。

3）黄土填料路基的Evd与K30，K呈良好的相关关系，可以选用Evd对黄土路基的压实质量进行快速检测，其压实标准值为45 MPa。