浩吉铁路泥质板岩全风化物路基填料试验研究

2022-02-15徐彩风

铁道标准设计 2022年2期

徐彩风

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

浩吉铁路是世界上一次性建设规模最大的重载铁路，北起内蒙古浩勒报吉，南至江西吉安，线路全长1814.5 km，设计运量2亿t/年。岳阳至吉安段穿行于连云山、九岭山、赣西丘陵等低山丘陵区，设计长度433.4 km。沿线元古界泥质板岩、板岩、千枚岩等软质岩分布广泛，由于该类软质岩地质年代久远，风化强烈，路堑挖方中泥质板岩全风化物体量大。若能将其用于路基填筑，则可解决大方量弃土及取土问题，减小对当地生态环境的破坏。

随着国内外铁路和公路等基础交通工程的大量修建，极大促进了路基工程的发展，各国学者对路基填料的工程性质[1-4]、改良措施[5-7]、应用范围[8-9]的研究也更加全面和深入。张晋东等[10]针对西北地区广泛分布的泥岩，结合宝兰客专上庄隧道工程，通过X射线和扫描电镜测定了该泥岩矿物和化学成分，结合物理、水理性质试验，研究了黄土地层泥岩软化过程中的变化规律；叶朝良等[11-12]以我国西南山区公路、铁路建设中出现的炭质泥岩，依托贵广高铁某车站路基沉降治理工程，研究了该炭质泥岩的工程力学性质，以及在浸水前后动荷载作用下的变形特性；MARK等[13]以风化软质千枚岩填料为研究对象，对其矿物成分、物理化学性质和强度特性开展了试验研究，并进行化学改良，通过对比认为改良后软岩填料的力学性能得到了显著增强；商拥辉等[14-15]针对浩吉重载铁路三荆段沿线分布的膨胀土，通过建立三维数值模型，分析了不同荷载条件下水泥改良膨胀土路基的动力特性，并对路基长期动力稳定性进行了评估；肖庆一等[16]为解决云南红黏土作为路基填料所面临的收缩开裂问题，研究了不同掺配比下石灰改良土的工程特性，得出在红黏土中掺加8%的石灰，能满足公路工程对路基填料的技术要求；卿启湘[17]采用模型试验和数值分析相结合的方法，对软岩填筑的路堤在循环荷载作用下的变形机理进行了探讨，认为路堤填筑质量符合规范要求，软岩填料可用于铁路路基填筑。

综上所述，为提高软质岩弃方填料利用率，国内相关工程技术人员进行了大量研究与工程实践，取得了一定成果，但泥质板岩全风化物用于重载铁路路基填筑尚鲜见报道。大量弃土必然带来环水保问题，山区弃土处理不当极易造成滑坡、泥石流等次生地质灾害[18]。为解决上述问题，依托浩吉重载铁路工程建设，对泥质板岩全风化物及其改良土填料的基本工程性质及改良措施进行研究；探讨用于重载铁路路基填筑的可行性，为铁路路基的设计和施工提供参考。

1 泥质板岩全风化物填料分组

本次试验所用全风化泥质板岩土样取自湖南省浏阳东站进站段深路堑工点，填料物理性质按文献[19]的相关规定进行测试。颗粒密度ρs由量瓶法测得，粒径组成采用筛析法及密度计法联合测定，根据筛分法和密度计法的试验结果，绘制土样颗粒大小分布曲线，如图1所示。

图1 颗粒大小分布曲线

由图1可知，土样中5 mm以上粒径含量不足1.0%，0.075～5 mm粒径约占14.3%，0.005～0.075 mm粒径约占81.9%，0.002～0.005 mm粒径约占2.9%，0.002 mm以下粒径含量几乎为零，可见全风化泥质板岩填料以粉粒为主。最大干密度ρdamx和最优含水率wopt采用Z2重型击实试验得到；液限wL和塑限wp采用液塑限联合测定仪测得。综上可得土样的基本物理指标如表1所示。

表1 土样基本物理指标

由表1可知，全风化泥质板岩填料的10 mm液限为41.4%，大于40%；塑性指数Ip为12.2，位于10～17之间，根据文献[20]可知全风化物为高液限粉质黏土，属于D2组填料，用于重载铁路路基填筑时应采取改良或加固措施。

2 化学改良试验研究

化学改良是通过掺入一定比例的活性改良剂，使其与土体发生化学反应，从而达到改良土体物理力学性能的效果。试验采用的改良剂为普通硅酸盐水泥和生石灰，水泥掺配比为3.0%，3.5%和4.0%，石灰掺配比为3.5%，4.5%和6.5%。

2.1 无侧限抗压强度试验

不同压实系数下无侧限抗压强度是评价改良土填料性能的力学指标，通过研究不同掺配比、养护龄期、压实系数等因素对改良土强度的影响，根据路基不同部位实际需要选择改良土填料最佳掺配比与压实系数。在进行无侧限抗压强度试验之前，先通过击实试验获得不同掺配比下，水泥和石灰改良土填料的最优含水率wopt和最大干密度ρdmax，试验结果如表2所示。

表2 水泥和石灰改良土最优含水率和最大干密度

根据击实试验获得的击实参数，按最优含水状态制作试样，进行不同掺配比(水泥掺配比为3.0%，3.5%，4.0%，石灰掺配比为3.5%，4.5%，6.5%)、不同压实系数(0.90，0.92和0.95)和不同养护龄期(1 d，7 d，28 d)条件下，水泥和石灰改良土的无侧限抗压强度试验，试验方案如表3所示。

表3 无侧限抗压强度试验方案

无侧限抗压强度试样采用静力压样法制作，试样尺寸为φ50 mm×H50 mm，试样养护温度为20 ℃，相对湿度为95%，采用应变控制式无侧限压缩仪进行试验，试验过程如图2所示。

图2 无侧限抗压强度试验

试验得到水泥和石灰改良土试样的无侧限抗压强度，汇总如表4所示。

表4 改良土无侧限抗压强度试验结果汇总

2.2 无侧限抗压强度变化规律分析

根据试验数据，绘制不同压实系数条件下，无侧限抗压强度与掺配比的关系曲线，如图3所示。

图3 改良土试样无侧限抗压强度试验关系曲线

由图3可知，掺配比的变化对改良土无侧限抗压强度有显著影响，掺配比增加1.0%，强度增长20%～30%。在同一掺配比和压实系数下，无侧限抗压强度随养护龄期的延长，强度逐渐增大；水泥和石灰改良土1 d，7 d与28 d龄期无侧限抗压强度比的平均值分别为81.3%，95.3%和70.4%，90.4%。说明水泥改良土在早期即可获得较高强度，而石灰改良土早期强度上升则相对较慢。相同掺配比的水泥改良土无侧限抗压强度显著高于石灰改良土。

3 改良土重载铁路路基填料适宜性评价

无侧限抗压强度是衡量改良土填料工程性质的重要指标，在铁路路基工程中得到了广泛运用。现行规范对重载铁路路基基床表层的填料要求为级配碎石或A1组砾石类土，化学改良土不适用；基床底层与基床以下路堤允许采用化学改良土，填料压实控制标准如表5所示[21]。表5中括号内数值为严寒地区化学改良土考虑冻融循环作用所需强度值。

表5 重载铁路化学改良土填料的压实控制标准

由表5可知，采用化学改良土填料填筑基床以下路堤时，压实系数应≮0.92，7 d无侧限抗压强度≮300 kPa。根据试验结果，掺配比为3.0%，3.5%和4.0%的水泥改良土，对应的7 d无侧限抗压强度分别为375.6，422.4，446.6 kPa；掺配比为3.5%，4.5%和6.5%的石灰改良土，对应的7 d无侧限抗压强度分别为225.6，272.4，344.4 kPa。因此，掺配比为3.0%的水泥改良土和6.5%的石灰改良土可满足规范强度要求。

当采用化学改良土填料填筑基床底层时，压实系数应≮0.95，7 d无侧限抗压强度≮350 kPa。根据试验结果，掺配比为3.0%，3.5%和4.0%的水泥改良土，对应的7 d无侧限抗压强度分别为451.8，465.4，505.3 kPa；掺配比为3.5%，4.5%和6.5%的石灰改良土，对应的7 d无侧限抗压强度分别为231.6，297.1，394.5 kPa。因此，掺配比为3.0%的水泥改良土和6.5%的石灰改良土可满足规范强度要求。

综上所述，掺配比为3.0%的水泥改良土和6.5%的石灰改良土，可满足重载铁路路基基床底层与基床以下路堤的填筑要求。相同需求的改良土，水泥掺量不足生石灰一半，考虑工程成本，水泥改良土填料经济效益更显著。考虑现场施工拌和的损耗和安全储备，建议增加0.5%的水泥掺配比，选取3.5%作为水泥改良土填料的最佳掺配比，用于现场路基的填筑施工。

4 水泥改良土工程应用情况

通过查阅相关期刊文献，对于软质岩填料在铁路路基中的应用，已有研究大多以高速铁路和公路为主[22-27]，在重载铁路路基中的应用，目前国内外尚无成熟经验可供参考。对全风化泥质板岩和水泥改良土填料的基本工程性质及改良措施进行了系统研究，认为采用掺配比为3.5%的水泥改良后，可用于重载铁路路基基床底层和基床以下路堤的填筑，并在浩吉铁路岳阳至吉安段路基施工中进行了实际应用，累计使用泥质板岩全风化物水泥改良土填料166.7万m3。从2019年9月28日浩吉重载铁路正式开通至今，已安全运营2年多，未见异常。