路基填料渗透仪的开发与路基填料渗透性的影响因素

刘其琛

铁三院（天津）检测科技有限公司 天津 300143

引言

路基是高铁的主要结构物，路基在自然环境条件下，受雨雪天气影响会引起干湿循环变化，水分的迁移会引起路基发生不同程度的变形，从而影响路基的平顺性，所以路基填料的渗透性能对路基的影响是非常之大的。

铁路行业填料组别多为改良土、A、B组填料、级配碎石等，当路基出现病害时取得原状样比较困难。目前，国内研究路基填料的渗透试验还没有成熟的仪器以及方法。路基施工往往关注的是压实后的强度指标，但是现有铁路及国家规范标准中针对填料压实后的渗透试验研究很少[1]。

贾莉浩对沪昆专线路基填料进行了表面振动压实试验，得到粗颗粒土表面振动击实特征，深入分析了影响粗频粒土可压实特性的主要因素[2]。范生波在武广高铁现场，进行了无砗轨道动应力响应测试，分析了不同列车时速对轨道结构振动速度、加速度等特性的影响[3]。

1 路基填料渗透仪研制

铁路行业规范中渗透试验有常水头法和变水头法，常用的仪器有70型和南55型。70型渗透仪适用于砂及含少量砾石的无黏性土，试样是以扰动土样分层压实制成；南55型渗透仪适用于细粒土。

对于路基填料，应根据设计需要，做好土石的调配方案，确定分层层数以及每一层的压实系数、每层含水率等问题。但是70型和南55型无法满足模拟路基施工条件来完成渗透试验的要求。

针对高铁路基填料渗透试验，研制了一款渗透仪器，获取了实用新型专利，可以模拟路基填料施工分层压实以及不同压实度。

1.1 渗透仪的组成以及特点

本渗透仪采用供水瓶、渗透容器以及制样压头组成。制样压头可用于模拟填料施工现场的分层压实。制作最后一层试样的压头可用来加强仪器的密实性，防止试验时水的渗出。

由于此仪器集制件、测试于一体，无须取出试样，即可直接进行渗透试验。解决了试样取出后对其造成扰动的风险，模拟施工压实度，可使试样最大限度地遵循设计需要。

1.2 试验方法

选取具有代表性的风干试样，如果试样中有黏结的团粒，使用木碾将其充分撵散，使用蒸馏水将试样搅拌均匀，这样可以令试样的颗粒完全分离。根据试样类别使用相对应的分析筛进行筛分，筛分结束以后，各级筛上的试样以及最下方盘底的试样质量之和，与筛分钱试样总质量相差不能大于总质量的1%。

由于路基填料粒径较大，为了配合要求的压实度，精确计算所采用的填料质量，筛分后的试样需使用表面振动压实试验装置求得试验的最大干密度值。

最大干密度应按下式计算：

式中，ρdmax为最大干密度（g/cm3），计算精确至0.01 g/cm3； md为烘干试样质量（g）； V为振毕密实试样体积（cm3）。

在渗透容器底部放上滤纸，将经过筛分试验的路基填料均匀加入到所述渗透容器内，采用静压法，模拟铁路路基现场施工，按照特定压实度，使用压头，将试样分三层在渗透仪容器内压实。

制样完成后，把试件连同渗透容器放入真空缸中进行抽气，真空度接近一个大气压后再持续抽气1~2h，这是为了加速试样饱和，可以缩短试验时间。

测定水温，向供水瓶中持续加蒸馏水。调整供水瓶中的水头，持续供水以保持水头差，多余的水由溢水孔流出，加入供水瓶的水流速度不应大于溢水孔流出水的速度。

使用量杯置于渗透容器出水孔处接水，在接水的同时开始计时，天平上称出特定时间内接取的水的质量。

新开发渗透仪是在明确路基填料以后，在模拟与施工压实度一致的条件下，使用常水头法，利用试样厚度、截面积、以及某时间间隔内流过试样的总水量等参数，根据达西定律求出渗透系数[4]，即在压力水头差的作用下，测定给定时间通过试样的水量，求出渗流量，最后依据式（2）（3）计算出渗透系数。

做好试验记录后，按照下式计算试样的渗透系数：

式中，PmT为水温为T℃时试样的渗透系数，单位为厘米每秒（cm/s）；G为在t秒内的渗水量，单位为立方厘米（cm3）；L为渗径，等于试样的高度，单位为厘米（cm），A为试样横断面面积，单位为平方厘米（cm2）； H为常水头高度，即供水瓶溢水孔距试样顶面的垂直距离，单位为厘米（cm）； t为接取一次渗水量的时间，单位为秒（s）； Pm为水温为10℃时试样的渗透系数，单位为厘米每秒（cm/s）；为水的动力黏滞系数。

2 路基填料渗透性的主要影响因素

在分析总结前人对路基填料渗透性能研究成果的基础上， 利用自制的路基填料渗透仪，通过室内试验，分别研究压实度、温度以及粗粒土的含量等因素对路基填料渗透性的影响， 找出这些因素与路基填料渗透系数之间的关系。

2.1 压实度的影响

选取5组填料，将每组分为2-3份，在相同级配条件下，分别以92%、95%、100%的压实度进行之间并进行渗透试验，实验结果见表1，除k-3以外，k-1、k-2、k-4、k-5从压实度95%到100%的渗透系数均有较大降低，可见压实度的变化对于渗透系数的影响较大。渗透系数随着压实度的增大而降低，这是因为压实度变大，孔隙比变小，从而阻断了部分渗流通道，使渗透系数变小。

表1 压实度-渗透系数测试结果

2.2 温度的影响

选取两组填料T-1、T-2，将每组分为7份，压实度为95%，在相同级配条件下，分别以（室内水温），7℃、10℃、16℃、20℃、25℃、29℃、32℃的温度下进行渗透测试，实验结果见表2。

表2 填料T-1、T-2温度-渗透系数测试结果

（续表）

由表2可以看出，在压实度以及级配相同的情况下，填料的渗透系数和温度没有表现出明显规律。

2.3 粗粒土含量的影响

依据我国铁路行业规范规定[5]，粒径大于0.075mm并且小于60mm的填料定名为粗粒。为了研究粗粒土的对渗透系数的影响，将压实度控制位95%，制备了粗粒含量7.3%～90.2%的试样进行渗透试验，实验结果如图2。

在图1中可以看出，在压实度一致的情况下，当粗粒含量25.7%以下时，渗透系数随粗粒含量变化不大，试样渗透性大小主要取决于细粒土。当粗粒含量达到52.3%时，粗粒土的存在加大了试样的孔隙比，使得渗透系数增大。当粗粒含量大于55.7%时，在制件压实过程中，细颗粒土很好地填补了粗粒土的间隙，不透水的粗粒土阻挡了渗水路径，故而令渗透系数有所降低。当粗粒含量大于70.3%以后，粗粒土的间隙逐渐增大，而此时细粒土填补粗粒土间隙的效果降低，渗透系数又开始增大。当粗料含量超过84.2%时，试样的孔隙增大明显，因而渗透系数突然增大。

图1 粗料含量——渗透系数关系图（压实度95%）

3 结束语

新开发的渗透仪可对不同组别的路基填料就进行渗透试验，解决了常规渗透仪尺寸与填料粒径不符的缺点。配合三个制样压头，可以充分模拟路基填料施工时的分层压实以及不同的压实度。使用静压法可直接在渗透仪中进行对试样进行制作，完成制件后无须取出，减少了对试样的扰动，并且可使试样最大限度地遵循设计需要。

压实度、温度以及粗粒土含量均为路基填料渗透性能的影响因素。其中温度和路基填料的渗透性之间没有表现出明显规律。在路基施工时可利用压实度以及粗颗粒含量对其渗透性能起到控制作用。