秦沈铁路路基填料试验研究

秦沈铁路路基填料试验研究

1成立秦沈线“东部填料”案全（长404.64公里）秦沈铁路是中国第一条开放速度超过160公里、建设速度达到200公里的客运线路。这是中国铁路建设水平的一个里程碑。秦沈线成败的关键在于路基工程,除了采用碎石桩、挤密砂桩、旋喷桩等各种工艺对软基进行加固,基床表层和过渡段采用级配碎石填筑外,路基填料的试验、选择和填筑检测成为一个关键问题。中铁一局中标承建秦沈线东部A—19、A—20标段施工,通过调查和试验发现,A—19标段土场填料均为力学性能较差的粉黏土,分布于辽河及蒲河流域,A—20标段土场填料大部分为颗粒均匀洁净的细砂,分布于线路北侧沙丘及浑河流域,这种粉黏土和细砂经现场填筑试验,其K30值及细砂孔隙率均达不到《秦沈线铁路路基施工技术细则》要求(下简称“细则”)。此问题引起了铁道部工程管理中心,秦沈工程总指挥部和铁三院的高度重视,决定由三院和一局共同成立秦沈线“东部填料试验组”,会同现场监理再次对粉黏土、细砂进行了长达4个月的室内和现场模拟填筑试验,铁道部工程管理中心组织秦沈总指、铁科院、铁三院领导及专家多次开会研究并亲临现场指导。专家们经多次审议认为:东部的粉黏土和细砂同西部同类填料其力学性质差别较大应予以改良。经过专家对试验结果的多次认真分析和论证,最后确定细砂采用50%细砂掺50%圆砾改良,粉黏土采用路基本体掺20%、基床底层掺25%中粗砂改良,这两项科研成果得到了认可(列为铁道部科研项目)并付诸实施,解决了秦沈线东部填料的一大难题,得到了铁道部工程管理中心、秦沈总指的高度评价。2细砂改进试验2.1%19.0mm颗粒质量颗粒分析:小于0.1mm颗粒占总质量1.4%～19.0%大于0.1mm颗粒占总质量81.0%～98.6%(其中0.10～0.25占62.6%～71.4%)2.2轮后的连珠振动从室外填筑试验看,碾压中可看到砂在轮后有明显的雍积现象,碾压过后表面可看到有高于碾压平面垂直于前进方向的棱痕和裂纹,采用振动方式尤为明显。2.3城市河道压实后填料的力学性质(1)从室内试验指标看,由于其不均匀系数,曲率系数Cc≠1～3,黏粒含量<5.1%,结合颗粒分析数值可知该砂为没有黏性,颗粒均匀级配不良的填料。填料的压实,是借助于压路机的静压或振动碾压对填料产生一种压实力和剪应力,从而克服填料颗粒之间原有的凝聚力和摩擦力使其颗粒重新排列;一些相对软弱的颗粒被破碎,棱角被磨掉;小颗粒填入大颗粒中的孔隙将孔隙中的水分和气体挤出;黏性颗粒充分发挥凝聚作用,从而使孔隙尽可能减小。碾压后填料的力学性质的反映,主要与组成填料颗粒间的摩擦作用、大小颗粒的嵌锁作用和黏结作用有关。(2)由于这种细砂是经过洁净的河水多年反复冲刷形成的,因而其小于0.005mm的黏性颗粒和其它细颗粒均被冲走,形成了坚硬,表面光滑,近于圆形,颗粒均匀的状态,从而使我们知道由于这种细砂的特性,碾压中不存在其坚硬圆滑的颗粒被粉碎,大小颗粒的嵌锁和黏性颗粒的黏结作用,所反映的仅是在碾压外力作用下部分颗粒间的相互势能减小,互相靠近,进行基本有序的排列,其孔隙率不可能象其它粗粒土经碾压后有一个较大幅度的减小。因而碾压后孔隙率达不到“细则”要求。(3)由于光滑的颗粒间缺少嵌锁和摩阻力,因而表层颗粒极易随压路机一起振动,同时当压轮离开地面某点的瞬间,该点的压实力消失,但由于相邻颗粒的传递作用,机械碾压对填料的剪应力仍可在瞬间通过前方颗粒传递过来,它远远大于砂颗粒间内聚力,因而失去压应力的颗粒随着碾轮不断前进,在轮后壅积,也形成棱痕和裂纹,同样造成表面的不密实。由于上述原因造成的表层疏松,也使测试的K30值达不到“细则”要求。3试验的改进3.1方案对比及结果(1)83%细砂掺粉煤灰15%,水泥2%(2)80%细砂掺粉煤灰15%,白灰5%(3)细砂掺圆砾(各种比例)(4)80%细砂掺20%粉黏土(5)细砂掺砾砂(各种比例)(6)细砂掺水泥(3%、4%、8%)经反复试验,其中(1)、(2)、(3)三种方案K30值可达到“细则”要求,但仅有(3)方案中50%细砂掺50%圆砾孔隙率和K30值均可满足要求,再经反复优化后采用并实施。3.2压实孔隙率的测定由于室外填筑用适宜工艺,并采用自重15t以上的振动压路机碾压6遍以上,压实功能超过了实验室击实仪击实功能,因此现场碾压后实测孔隙率n可小于20%,可同时满足“细则”对路基本体和基床底层填筑的技术要求。3.350%细砂与50%圆砾石改善结合主要施工工艺3.3.1细砂比掺加、掺合将无法用路拌机拌和的圆砾和细砂分别运至平整的掺配场地,分开堆放。然后用挖掘机或装载机按换算后的细砂比圆砾为1.2:1.0的体积比进行掺配,反复拌合,拌好一小堆后,再拌下一堆,确保拌和均匀。按照计算的数量和间隔用自卸车将拌和好的填料合理均匀地倒在填筑区段。3.3.2填料含水率用推土机初平至层厚40cm。根据含水情况或翻耕晾晒或洒水使填料含水接近最佳含水率。因细砂掺圆砾失水快,用核子密度仪检测,高于最佳含水率3%时,即可用平地机精平,做出路拱。3.3.3在压力阶段精平后迅速碾压,细砂掺圆砾不能强振,碾压工艺为从两侧往中间,先慢后快,先静压2遍,再弱振2遍,最后静压2～4遍。3.3.4路基填筑基床基础资料用K30车检测K30值,用核子密度仪或灌水法检测干密度后计算该粗粒土的孔隙率n值,自检互检合格后,每三层90cm左右,再请监理专检并签认。为了保证路基边坡的密实,按照规范要求,路基填筑两侧加宽40cm以上。基床底层填完后,刷边坡预留15cm,用边坡夯拍机夯实。目前,我局管段改良土施工已经完成(其中细砂改良197.7万m3,粉黏土改良286.7万3),各项技术指标地基系数K30值、压实系数K值、孔隙率n值验收合格率为100%,路基质量得到了铁道部各级领导的好评。4细砂填筑可能也是可能改良方案无疑是成功的,但当我们今后遇到该类细砂附近没有可供掺配的卵石、碎石怎么办?难道该类细砂确无直接填筑的可能吗?笔者认为对有关问题认真地进行再思索,再商榷是很有必要的。4.1砂体下沉量的测量K30是从日本引进的,它是用30cm直径的承压板对填筑后的填料施压,当承压板受力后在填料中下沉量1.25mm时的单位压力除以1.25mm即为K30值。主要用以检验填料经碾压后的密实度,判定路基的承载力,它的测试深度是K30板直径的2～3倍,即60～90cm,认真分析可以看出保证K30测试准确的前提是:(1)被测土体从零表面到60～90cm深度的压实程度基本相同。(2)1.25mm的下沉量,可以代表该60～90cm高的土体受到一个从表层向下传递的压强时该土体的总压缩量。而砂恰恰由于表层的疏松状态,大大有异于下层砂体的紧密情况,受到K30板向下的压力时,它首先反映出的是板下松散砂颗粒间距离的减少和紧密过程。松散表层的厚度大大超过1.25mm,所以受到一个不大的力,松散颗粒间的剪力迅速被克服,下层较紧密层砂的承截能力尚未及“表现”出来,其下沉已达到1.25mm,(见图1)。该K30值仅仅反映了或者说主要反映了表面这层疏松的砂的状况,并未全面正确反映这60～90cm砂体的实际密实状况。这样测得的K30值,和其它方法测得的有关数据也是相互矛盾的,从前表2看,碾压后它的相对密度达到0.76～0.85,按土工学观点,砂类上密实程度划分,相对密度≥0.67应属“密实”。因为砂的相对密度的测试方法无论用核子密度仪或灌水法测出它的实际干密度,都是代表它从零表面到30cm左右深度的干密度的平均值,客观地反映了该砂碾压后密实度的真实情况。在实际施工中,随着砂的层层填筑和碾压,下层表面疏松的砂被上层砂迅速压实,承载力则急剧上升,表4是细砂填筑90cm高后从90cm高处往下用静力触探仪测试的数值。这些数值说明细砂填筑路基其承载力完全可以满足高速速列车动荷载100kPa的要求,因此,仅用K30来测试颗粒均匀的细砂,其值带有明显的“虚假”性,是不适宜使用的。4.2细砂的作用和优点“细则”上规定粗粒土应有孔隙率要求(基床底层≤20%,本体≤25%),目的是使一般的粗粒上通过碾压后,使得小颗粒填充到大颗粒孔隙,使水和空气从孔隙中尽可能被挤出,达到尽可能密实,从而使得力学性质得以改善,防止以后产生下沉等病害,满足火车高速运行的要求。而该细砂正如前面所论述那样,没有软弱颗粒可粉碎,也没有小颗粒可填充,仅仅是原本部分颗粒从无序到有序地排列,所以当碾压结束,其孔隙可以基本上说是不可压缩的,即基本上不存在细粒土那样的工后沉降问题。有工后沉降的细粒土尚且无孔隙率要求,所以一种孔隙率对其力学性质基本无影响,无工后沉降,完全可以满足高速铁路要求的较特殊填料,是否可以考虑,放宽甚至取消孔隙率的限制,而用其它可行的检测指标来代替呢?4.3无砂袋填充边坡细砂直接填筑,由于上面是一层基本不渗水,孔隙率≤15%的级配碎石,上部问题不大,关键是边坡由于细砂抗剪力小,受振动或雨水的冲刷、渗透,容易滑坡坍塌,防护较困难,可采用:(1)根据高度,路基两边填筑一定宽度(1.0～2.0m)的改良土约束(有条件可用细粒土);(2)用混凝土网格状砌块(中间种草),或草皮砌块