秦沈鐵路路基填料試驗(yàn)研究

秦沈鐵路路基填料試驗(yàn)研究

1成立秦沈線“東部填料”案全（長(zhǎng)404.64公里）秦沈鐵路是中國(guó)第一條開放速度超過(guò)160公里、建設(shè)速度達(dá)到200公里的客運(yùn)線路。這是中國(guó)鐵路建設(shè)水平的一個(gè)里程碑。秦沈線成敗的關(guān)鍵在于路基工程,除了采用碎石樁、擠密砂樁、旋噴樁等各種工藝對(duì)軟基進(jìn)行加固,基床表層和過(guò)渡段采用級(jí)配碎石填筑外,路基填料的試驗(yàn)、選擇和填筑檢測(cè)成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。中鐵一局中標(biāo)承建秦沈線東部A—19、A—20標(biāo)段施工,通過(guò)調(diào)查和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),A—19標(biāo)段土場(chǎng)填料均為力學(xué)性能較差的粉黏土,分布于遼河及蒲河流域,A—20標(biāo)段土場(chǎng)填料大部分為顆粒均勻潔凈的細(xì)砂,分布于線路北側(cè)沙丘及渾河流域,這種粉黏土和細(xì)砂經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn),其K30值及細(xì)砂孔隙率均達(dá)不到《秦沈線鐵路路基施工技術(shù)細(xì)則》要求(下簡(jiǎn)稱“細(xì)則”)。此問(wèn)題引起了鐵道部工程管理中心,秦沈工程總指揮部和鐵三院的高度重視,決定由三院和一局共同成立秦沈線“東部填料試驗(yàn)組”,會(huì)同現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理再次對(duì)粉黏土、細(xì)砂進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)模擬填筑試驗(yàn),鐵道部工程管理中心組織秦沈總指、鐵科院、鐵三院領(lǐng)導(dǎo)及專家多次開會(huì)研究并親臨現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。專家們經(jīng)多次審議認(rèn)為:東部的粉黏土和細(xì)砂同西部同類填料其力學(xué)性質(zhì)差別較大應(yīng)予以改良。經(jīng)過(guò)專家對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的多次認(rèn)真分析和論證,最后確定細(xì)砂采用50%細(xì)砂摻50%圓礫改良,粉黏土采用路基本體摻20%、基床底層摻25%中粗砂改良,這兩項(xiàng)科研成果得到了認(rèn)可(列為鐵道部科研項(xiàng)目)并付諸實(shí)施,解決了秦沈線東部填料的一大難題,得到了鐵道部工程管理中心、秦沈總指的高度評(píng)價(jià)。2細(xì)砂改進(jìn)試驗(yàn)2.1%19.0mm顆粒質(zhì)量顆粒分析:小于0.1mm顆粒占總質(zhì)量1.4%～19.0%大于0.1mm顆粒占總質(zhì)量81.0%～98.6%(其中0.10～0.25占62.6%～71.4%)2.2輪后的連珠振動(dòng)從室外填筑試驗(yàn)看,碾壓中可看到砂在輪后有明顯的雍積現(xiàn)象,碾壓過(guò)后表面可看到有高于碾壓平面垂直于前進(jìn)方向的棱痕和裂紋,采用振動(dòng)方式尤為明顯。2.3城市河道壓實(shí)后填料的力學(xué)性質(zhì)(1)從室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)看,由于其不均勻系數(shù),曲率系數(shù)Cc≠1～3,黏粒含量<5.1%,結(jié)合顆粒分析數(shù)值可知該砂為沒(méi)有黏性,顆粒均勻級(jí)配不良的填料。填料的壓實(shí),是借助于壓路機(jī)的靜壓或振動(dòng)碾壓對(duì)填料產(chǎn)生一種壓實(shí)力和剪應(yīng)力,從而克服填料顆粒之間原有的凝聚力和摩擦力使其顆粒重新排列;一些相對(duì)軟弱的顆粒被破碎,棱角被磨掉;小顆粒填入大顆粒中的孔隙將孔隙中的水分和氣體擠出;黏性顆粒充分發(fā)揮凝聚作用,從而使孔隙盡可能減小。碾壓后填料的力學(xué)性質(zhì)的反映,主要與組成填料顆粒間的摩擦作用、大小顆粒的嵌鎖作用和黏結(jié)作用有關(guān)。(2)由于這種細(xì)砂是經(jīng)過(guò)潔凈的河水多年反復(fù)沖刷形成的,因而其小于0.005mm的黏性顆粒和其它細(xì)顆粒均被沖走,形成了堅(jiān)硬,表面光滑,近于圓形,顆粒均勻的狀態(tài),從而使我們知道由于這種細(xì)砂的特性,碾壓中不存在其堅(jiān)硬圓滑的顆粒被粉碎,大小顆粒的嵌鎖和黏性顆粒的黏結(jié)作用,所反映的僅是在碾壓外力作用下部分顆粒間的相互勢(shì)能減小,互相靠近,進(jìn)行基本有序的排列,其孔隙率不可能象其它粗粒土經(jīng)碾壓后有一個(gè)較大幅度的減小。因而碾壓后孔隙率達(dá)不到“細(xì)則”要求。(3)由于光滑的顆粒間缺少嵌鎖和摩阻力,因而表層顆粒極易隨壓路機(jī)一起振動(dòng),同時(shí)當(dāng)壓輪離開地面某點(diǎn)的瞬間,該點(diǎn)的壓實(shí)力消失,但由于相鄰顆粒的傳遞作用,機(jī)械碾壓對(duì)填料的剪應(yīng)力仍可在瞬間通過(guò)前方顆粒傳遞過(guò)來(lái),它遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于砂顆粒間內(nèi)聚力,因而失去壓應(yīng)力的顆粒隨著碾輪不斷前進(jìn),在輪后壅積,也形成棱痕和裂紋,同樣造成表面的不密實(shí)。由于上述原因造成的表層疏松,也使測(cè)試的K30值達(dá)不到“細(xì)則”要求。3試驗(yàn)的改進(jìn)3.1方案對(duì)比及結(jié)果(1)83%細(xì)砂摻粉煤灰15%,水泥2%(2)80%細(xì)砂摻粉煤灰15%,白灰5%(3)細(xì)砂摻圓礫(各種比例)(4)80%細(xì)砂摻20%粉黏土(5)細(xì)砂摻礫砂(各種比例)(6)細(xì)砂摻水泥(3%、4%、8%)經(jīng)反復(fù)試驗(yàn),其中(1)、(2)、(3)三種方案K30值可達(dá)到“細(xì)則”要求,但僅有(3)方案中50%細(xì)砂摻50%圓礫孔隙率和K30值均可滿足要求,再經(jīng)反復(fù)優(yōu)化后采用并實(shí)施。3.2壓實(shí)孔隙率的測(cè)定由于室外填筑用適宜工藝,并采用自重15t以上的振動(dòng)壓路機(jī)碾壓6遍以上,壓實(shí)功能超過(guò)了實(shí)驗(yàn)室擊實(shí)儀擊實(shí)功能,因此現(xiàn)場(chǎng)碾壓后實(shí)測(cè)孔隙率n可小于20%,可同時(shí)滿足“細(xì)則”對(duì)路基本體和基床底層填筑的技術(shù)要求。3.350%細(xì)砂與50%圓礫石改善結(jié)合主要施工工藝3.3.1細(xì)砂比摻加、摻合將無(wú)法用路拌機(jī)拌和的圓礫和細(xì)砂分別運(yùn)至平整的摻配場(chǎng)地,分開堆放。然后用挖掘機(jī)或裝載機(jī)按換算后的細(xì)砂比圓礫為1.2:1.0的體積比進(jìn)行摻配,反復(fù)拌合,拌好一小堆后,再拌下一堆,確保拌和均勻。按照計(jì)算的數(shù)量和間隔用自卸車將拌和好的填料合理均勻地倒在填筑區(qū)段。3.3.2填料含水率用推土機(jī)初平至層厚40cm。根據(jù)含水情況或翻耕晾曬或?yàn)⑺固盍虾咏罴押?。因?xì)砂摻圓礫失水快,用核子密度儀檢測(cè),高于最佳含水率3%時(shí),即可用平地機(jī)精平,做出路拱。3.3.3在壓力階段精平后迅速碾壓,細(xì)砂摻圓礫不能強(qiáng)振,碾壓工藝為從兩側(cè)往中間,先慢后快,先靜壓2遍,再弱振2遍,最后靜壓2～4遍。3.3.4路基填筑基床基礎(chǔ)資料用K30車檢測(cè)K30值,用核子密度儀或灌水法檢測(cè)干密度后計(jì)算該粗粒土的孔隙率n值,自檢互檢合格后,每三層90cm左右,再請(qǐng)監(jiān)理專檢并簽認(rèn)。為了保證路基邊坡的密實(shí),按照規(guī)范要求,路基填筑兩側(cè)加寬40cm以上?；驳讓犹钔旰?刷邊坡預(yù)留15cm,用邊坡夯拍機(jī)夯實(shí)。目前,我局管段改良土施工已經(jīng)完成(其中細(xì)砂改良197.7萬(wàn)m3,粉黏土改良286.7萬(wàn)3),各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)地基系數(shù)K30值、壓實(shí)系數(shù)K值、孔隙率n值驗(yàn)收合格率為100%,路基質(zhì)量得到了鐵道部各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的好評(píng)。4細(xì)砂填筑可能也是可能改良方案無(wú)疑是成功的,但當(dāng)我們今后遇到該類細(xì)砂附近沒(méi)有可供摻配的卵石、碎石怎么辦?難道該類細(xì)砂確無(wú)直接填筑的可能嗎?筆者認(rèn)為對(duì)有關(guān)問(wèn)題認(rèn)真地進(jìn)行再思索,再商榷是很有必要的。4.1砂體下沉量的測(cè)量K30是從日本引進(jìn)的,它是用30cm直徑的承壓板對(duì)填筑后的填料施壓,當(dāng)承壓板受力后在填料中下沉量1.25mm時(shí)的單位壓力除以1.25mm即為K30值。主要用以檢驗(yàn)填料經(jīng)碾壓后的密實(shí)度,判定路基的承載力,它的測(cè)試深度是K30板直徑的2～3倍,即60～90cm,認(rèn)真分析可以看出保證K30測(cè)試準(zhǔn)確的前提是:(1)被測(cè)土體從零表面到60～90cm深度的壓實(shí)程度基本相同。(2)1.25mm的下沉量,可以代表該60～90cm高的土體受到一個(gè)從表層向下傳遞的壓強(qiáng)時(shí)該土體的總壓縮量。而砂恰恰由于表層的疏松狀態(tài),大大有異于下層砂體的緊密情況,受到K30板向下的壓力時(shí),它首先反映出的是板下松散砂顆粒間距離的減少和緊密過(guò)程。松散表層的厚度大大超過(guò)1.25mm,所以受到一個(gè)不大的力,松散顆粒間的剪力迅速被克服,下層較緊密層砂的承截能力尚未及“表現(xiàn)”出來(lái),其下沉已達(dá)到1.25mm,(見圖1)。該K30值僅僅反映了或者說(shuō)主要反映了表面這層疏松的砂的狀況,并未全面正確反映這60～90cm砂體的實(shí)際密實(shí)狀況。這樣測(cè)得的K30值,和其它方法測(cè)得的有關(guān)數(shù)據(jù)也是相互矛盾的,從前表2看,碾壓后它的相對(duì)密度達(dá)到0.76～0.85,按土工學(xué)觀點(diǎn),砂類上密實(shí)程度劃分,相對(duì)密度≥0.67應(yīng)屬“密實(shí)”。因?yàn)樯暗南鄬?duì)密度的測(cè)試方法無(wú)論用核子密度儀或灌水法測(cè)出它的實(shí)際干密度,都是代表它從零表面到30cm左右深度的干密度的平均值,客觀地反映了該砂碾壓后密實(shí)度的真實(shí)情況。在實(shí)際施工中,隨著砂的層層填筑和碾壓,下層表面疏松的砂被上層砂迅速壓實(shí),承載力則急劇上升,表4是細(xì)砂填筑90cm高后從90cm高處往下用靜力觸探儀測(cè)試的數(shù)值。這些數(shù)值說(shuō)明細(xì)砂填筑路基其承載力完全可以滿足高速速列車動(dòng)荷載100kPa的要求,因此,僅用K30來(lái)測(cè)試顆粒均勻的細(xì)砂,其值帶有明顯的“虛假”性,是不適宜使用的。4.2細(xì)砂的作用和優(yōu)點(diǎn)“細(xì)則”上規(guī)定粗粒土應(yīng)有孔隙率要求(基床底層≤20%,本體≤25%),目的是使一般的粗粒上通過(guò)碾壓后,使得小顆粒填充到大顆粒孔隙,使水和空氣從孔隙中盡可能被擠出,達(dá)到盡可能密實(shí),從而使得力學(xué)性質(zhì)得以改善,防止以后產(chǎn)生下沉等病害,滿足火車高速運(yùn)行的要求。而該細(xì)砂正如前面所論述那樣,沒(méi)有軟弱顆?？煞鬯?也沒(méi)有小顆粒可填充,僅僅是原本部分顆粒從無(wú)序到有序地排列,所以當(dāng)碾壓結(jié)束,其孔隙可以基本上說(shuō)是不可壓縮的,即基本上不存在細(xì)粒土那樣的工后沉降問(wèn)題。有工后沉降的細(xì)粒土尚且無(wú)孔隙率要求,所以一種孔隙率對(duì)其力學(xué)性質(zhì)基本無(wú)影響,無(wú)工后沉降,完全可以滿足高速鐵路要求的較特殊填料,是否可以考慮,放寬甚至取消孔隙率的限制,而用其它可行的檢測(cè)指標(biāo)來(lái)代替呢?4.3無(wú)砂袋填充邊坡細(xì)砂直接填筑,由于上面是一層基本不滲水,孔隙率≤15%的級(jí)配碎石,上部問(wèn)題不大,關(guān)鍵是邊坡由于細(xì)砂抗剪力小,受振動(dòng)或雨水的沖刷、滲透,容易滑坡坍塌,防護(hù)較困難,可采用:(1)根據(jù)高度,路基兩邊填筑一定寬度(1.0～2.0m)的改良土約束(有條件可用細(xì)粒土);(2)用混凝土網(wǎng)格狀砌塊(中間種草),或草皮砌塊