包西鐵路榆林地區(qū)風(fēng)積沙填料物理改良研究

胡三喜

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司地質(zhì)路基處,西安 710043)

1 工程地質(zhì)概況

包西鐵路DK173+000～DK255+624.92段線路途經(jīng)毛烏素沙漠邊緣,其中大保當(dāng)至榆林段為陜北黃土高原風(fēng)積沙覆蓋區(qū),風(fēng)沙分布廣泛,大部分為風(fēng)積沙覆蓋,地面呈波狀起伏之梁窩狀沙丘地貌,局部為新月形沙丘及沙丘鏈,相對(duì)高差5～15 m,風(fēng)積沙層厚1～15 m,植被覆蓋率15%～40%,局部地段為裸露之黃土梁峁和沖湖積灘地；榆林至魚河峁段為片狀風(fēng)積沙覆蓋區(qū),表層多有片狀風(fēng)積沙分布,系毛烏素沙地南侵部分,積沙較薄,一般1～10 m,植被覆蓋率大于40%。

線路主要以路基形式通過風(fēng)積沙地區(qū),挖方邊坡高度1～13 m,長(zhǎng)約20 km,填方邊坡高度3～6 m,長(zhǎng)約55 km；涉及風(fēng)積沙的挖方56.14萬m3、填方176.79萬m3。 路基填料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何利用挖棄的風(fēng)積沙、減少取土量,避免在風(fēng)沙地區(qū)長(zhǎng)遠(yuǎn)距離取土,以降低工程投資、減少施工對(duì)周邊環(huán)境的破壞。DK173+000～DK255+624.92段地質(zhì)概況如下。

(1)DK173+000～DK180+000段地層巖性由上到下依次為：

①細(xì)砂(Q4al4)：分布于地表。淺黃色,厚度0.5～2 m。稍密,潮濕-飽和,Ⅰ級(jí)松土,σ0=120 kPa。

②細(xì)砂(Q4al4)：分布于第四系全新統(tǒng)沖積細(xì)沙之下。灰黃色-青灰色為主,厚度5～20 m。5 m以上稍密,以下中密,潮濕-飽和,Ⅰ級(jí)松土,σ0=120～150 kPa。

③細(xì)砂(Q3al4)：分布于上更新統(tǒng)沖積細(xì)沙層之下。淺灰色-深黃色為主,厚度5～15 m。中密,潮濕-飽和,Ⅰ級(jí)松土,σ0=150～200 kPa。

④黏質(zhì)黃土(Q2eol3):主要分布于沖積細(xì)沙層之下,厚度5～20 m。棕褐色,土質(zhì)較均一,局部含少量砂礓石,堅(jiān)硬,Ⅲ級(jí)硬土,σ0=150～200 kPa。

(2)DK185+320.78～DK204+000段地層巖性由上到下依次為：

①細(xì)砂(Q4eol4)：分布于地表。淺黃色-深黃色,厚度10～20 m。稍密-中密,稍濕-潮濕,Ⅱ級(jí)普通土,σ0=100～150 kPa。

②砂質(zhì)黃土(Q2eol3)：下伏于風(fēng)積細(xì)沙層之下,黃白色-淺黃色,厚度5～15 m。土質(zhì)不均一,可見孔隙,局部含少量砂礓石。硬塑,Ⅱ級(jí)普通土,σ0=150～180 kPa。

(3)DK220+000～DK232+000段地層巖性由上到下依次為：

①人工填筑粉細(xì)砂(Q4ml4)：分布于既有路基,以細(xì)砂為主,稍濕,中密,Ⅱ級(jí)普通土；

②細(xì)砂(Q4eol4)：分布于地表。淺黃色,顆粒均勻,沙質(zhì)純凈,稍濕-潮濕,稍密,Ⅱ級(jí)普通土,σ0=100 kPa。

③細(xì)砂(Q3al4)：灰黃色,顆粒均勻,潮濕-飽和,中密,Ⅰ級(jí)松土,σ0=150 kPa。

(4)DK235+807.14～I(xiàn)DK251+624.92段地層巖性由上到下依次為：

①人工填筑粉細(xì)砂(Q4ml4)：分布于既有路基,成分以細(xì)砂為主,稍濕,中密,Ⅱ級(jí)普通土。

②細(xì)砂(Q3al4)：分布于地表,厚度大于10 m。淡黃色,顆粒均勻,沙質(zhì)純凈,稍濕-潮濕,稍密,Ⅱ級(jí)普通土,σ0=100 kPa。

2 風(fēng)積沙填料物理改良試驗(yàn)研究與施工

2.1 風(fēng)積沙填料試驗(yàn)研究

風(fēng)積沙填料試驗(yàn)段選在DK226+120～DK226+350段，主要考慮該段的風(fēng)積沙填料為均勻、級(jí)配不良風(fēng)積沙,屬于C組填料,且該試驗(yàn)段臨近210國(guó)道,交通便利。

(1)DK226+120～DK226+350段(長(zhǎng)230 m)填料性質(zhì)：為均勻、級(jí)配不良風(fēng)積沙,屬于C組填料。其不均勻系數(shù)Cu為1.85,曲率系數(shù)Cc為0.90。風(fēng)積沙天然含水率6.5%,最大干密度1.82 g/cm3, 最佳含水率11.5%,液限含水率17%,塑性指數(shù)15.8。

(2)風(fēng)積沙試驗(yàn)結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果顯示壓實(shí)系數(shù)K值為0.80～0.85,不滿足規(guī)范要求的0.9；地基系數(shù)K30值為37.6～62.4 MPa/m,亦不能滿足規(guī)范要求的基床底層K30為100 MPa/m、路堤本體K30為80 MPa/m[1]。具體數(shù)值見表1。

表1 風(fēng)積沙填筑試驗(yàn)結(jié)果

2.2 風(fēng)積沙填料物理改良試驗(yàn)研究

風(fēng)積沙填料物理改良試驗(yàn)段選在DK223+450～DK223+630段。風(fēng)積沙填料設(shè)計(jì)選用摻粉土進(jìn)行物理改良,物理改良試驗(yàn)按風(fēng)積沙:粉土(體積比)為：1∶0.5、1∶1.0、1∶1.5、1∶2.0 4種摻量同步進(jìn)行。

(1)物理改良風(fēng)積沙填料試驗(yàn)?zāi)康?/p>

①確定最佳摻配比例[2]；

②確定適宜的松鋪系數(shù)；

③確定合適的碾壓遍數(shù)和碾壓速度。

(2)試驗(yàn)所需設(shè)備[3]

具體見表2、表3。

(3)物理改良風(fēng)積沙填料土工試驗(yàn)

表2 試驗(yàn)和測(cè)量設(shè)備

表3 機(jī)械設(shè)備

由表4及圖1～圖4可以看出。

①含水率隨著粉土摻量的增大而增大,即隨著粉土摻量的增加施工灑水量越少。

②塑性指數(shù)隨著粉土摻量的增大而減小,即隨著粉土摻量的增加,物理改良風(fēng)積沙填料的可塑狀態(tài)的范圍就越小[4],使得施工過程更易于控制。

③最大干密度隨著粉土摻量的增大而增大；最優(yōu)含水量隨著粉土摻量的增大而減小。

表4 物理改良風(fēng)積沙填料土工試驗(yàn)

圖1 土工擊實(shí)(一)

圖2 土工擊實(shí)(二)

圖3 土工擊實(shí)(三)

圖4 土工擊實(shí)(四)

(4)不同摻配比例下碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度、地基系數(shù)K30的關(guān)系

圖5～圖12分別為風(fēng)積沙土摻配比1∶0.5、1∶1.0、1∶1.5、1∶2.0第1層土的試驗(yàn)數(shù)據(jù),圖13～圖16分別為風(fēng)積沙土摻配比1∶1.5、1∶2.0第3層土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖5 碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系

圖6 碾壓遍數(shù)與地基系數(shù)K30的關(guān)系

圖7 碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系

圖8 碾壓遍數(shù)與地基系數(shù)K30的關(guān)系

圖9 碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系

圖10 碾壓遍數(shù)與地基系數(shù)K30的關(guān)系

圖11 碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系

圖12 碾壓遍數(shù)與地基系數(shù)K30的關(guān)系

圖13 碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系

圖14 碾壓遍數(shù)與地基系數(shù)K30的關(guān)系

圖15 碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系

圖16 碾壓遍數(shù)與地基系數(shù)K30的關(guān)系

由圖5～圖16可以看出。

①在同一碾壓遍數(shù)的情況下,壓實(shí)度隨著粉土摻

量的增大而增大,即碾壓遍數(shù)為6遍,在摻配比為1∶0.5時(shí),物理改良風(fēng)積沙填料的壓實(shí)度為0.61；摻配比為1∶2.0時(shí),物理改良風(fēng)積沙填料的壓實(shí)度為0.93。

②在同一碾壓遍數(shù)的情況下,地基系數(shù)K30隨著粉土摻量的增大而增大,即碾壓遍數(shù)為6遍,在摻配比為1∶0.5時(shí),物理改良風(fēng)積沙填料的地基系數(shù)K30為46.5；摻配比為1∶2.0時(shí),物理改良風(fēng)積沙填料的地基系數(shù)K30為107.3。

③在同一碾壓遍數(shù)和同一摻配比的情況下,地基系數(shù)K30隨著碾壓層數(shù)的增加而增大。即摻配比1∶2.0,碾壓遍數(shù)為6遍時(shí),第1層地基系數(shù)K30為107.3 MPa/m；第3層地基系數(shù)K30為113.3。

④在同一碾壓遍數(shù)和同一摻配比的情況下,壓實(shí)度隨著碾壓層數(shù)的增加而增大,即摻配比為1∶2.0,碾壓遍數(shù)為6遍時(shí),第1層壓實(shí)度為0.93；第3層壓實(shí)度為0.94。

(5)不同摻配比下松鋪系數(shù)的確定

表5 第1層風(fēng)積沙摻配比1∶1.5松鋪系數(shù)

表6 第3層風(fēng)積沙摻配比1∶1.5松鋪系數(shù)

表7 第1層風(fēng)積沙摻配比1∶2.0松鋪系數(shù)

表8 第3層風(fēng)積沙摻配比1∶2.0松鋪系數(shù)

由表5～表8可以得到以下結(jié)論：

①風(fēng)積沙摻配比1∶1.5、松鋪厚度為0.40 m時(shí),壓實(shí)厚度為0.35 m；

②風(fēng)積沙摻配比1∶2.0、松鋪厚度為0.35 m時(shí),壓實(shí)厚度為0.30 m；

③松鋪厚度隨著粉土摻量的增大而減小[5]。

(6) 物理改良風(fēng)積沙填料試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)比對(duì)分析,物理改良風(fēng)積沙試驗(yàn)表明：風(fēng)積沙摻配比為1∶1.5的混合用22 t壓路機(jī)以2.5～3.0 km/h,碾壓遍數(shù)為6遍、松鋪系數(shù)1.15,可以做全標(biāo)段路堤填筑指導(dǎo)施工。風(fēng)積沙摻配比1∶2.0,用22 t壓路機(jī)以2.0～2.5 km/h, 碾壓遍數(shù)為6遍,松鋪系數(shù)1.21可以做全標(biāo)段基床底層填筑指導(dǎo)施工[6]。

2.3 風(fēng)積沙填料物理改良施工工藝

(1)施工前準(zhǔn)備

首先對(duì)圖紙進(jìn)行審核,然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)與設(shè)計(jì)相符。沿路基兩側(cè)征地邊界線開挖臨時(shí)排水溝,保證流水通暢,防止施工便道積水。取土場(chǎng)選用DK223+000右20 m，此取土場(chǎng)為風(fēng)積沙；DK223+500左1 020 m,此取土場(chǎng)為低液限粉土。取土場(chǎng)均清表30 cm，無雜草等異物,6 m寬施工便道順暢。施工用水距離試驗(yàn)段約1 km,采用灑水車運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng),做好施工準(zhǔn)備[7]。

(2)路堤填筑工藝流程

①摻拌改良過程為將風(fēng)積沙置于試驗(yàn)區(qū)內(nèi)攤鋪平整,然后按配比將粉土攤鋪于風(fēng)積沙上,用路拌機(jī)拌和3遍使填料均勻,然后碾壓、檢測(cè)[8]。

②填筑前清理→基底壓實(shí)→放樣畫線→按照土工擊實(shí)，最優(yōu)含水率灑水→攤鋪刮平[9]。

③壓路機(jī)橫、縱向各3遍碾→靜壓、振壓→檢測(cè)壓實(shí)度→檢測(cè)高程→重復(fù)至K30和壓實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的1.1倍為止[10]。

3 風(fēng)積沙填料物理改良的重要意義

(1)技術(shù)效益

通過對(duì)風(fēng)積沙填料進(jìn)行物理改良試驗(yàn),物理改良按體積比(風(fēng)積沙：低液限粉土)1∶0.5、1∶1、1∶1.5、1∶2四個(gè)摻量同時(shí)進(jìn)行,試驗(yàn)完成后獲得了大量寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù),可指導(dǎo)其他段落風(fēng)積沙填料填筑施工。在技術(shù)上新穎、可靠。本設(shè)計(jì)的成功實(shí)施對(duì)今后在風(fēng)沙地區(qū)鐵路、公路風(fēng)積沙填料填筑路堤施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn),對(duì)今后類似工程具有指導(dǎo)意義。

(2)經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)過與遠(yuǎn)運(yùn)取土方案的經(jīng)濟(jì)比較,采取風(fēng)積沙物理改良方案較遠(yuǎn)運(yùn)方案可節(jié)約投資2 100萬元,且減小了后期運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)維修,其直接和間接的經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。見表9。

(3)環(huán)保效益

風(fēng)積沙地區(qū)環(huán)境脆弱,風(fēng)積沙物理改良可以很好的利用挖方棄土,可大大減少取棄土場(chǎng)的設(shè)置,有效減少了對(duì)周邊環(huán)境的破壞,對(duì)線路沿線生態(tài)保護(hù)具有非常重要的意義,特別是風(fēng)積沙物理改良土能大大提高路基邊坡的植物成活率,迅速改變鐵路周邊環(huán)境,對(duì)建設(shè)綠色包西鐵路意義重大。

表9 填料設(shè)計(jì)方案的投資對(duì)比

4 結(jié)語

包西鐵路榆林地區(qū)的風(fēng)積沙填料物理改良設(shè)計(jì)方案不僅解決了直接用風(fēng)積沙填料填筑地基系數(shù)檢測(cè)達(dá)不到規(guī)范要求的難題,且充分的利用了挖方棄土,減少了取棄土,消除了填料遠(yuǎn)運(yùn)過程中的揚(yáng)塵,既保護(hù)環(huán)境,又節(jié)省投資。目前本段路基已經(jīng)建成通車,工程初驗(yàn)各參驗(yàn)單位一致認(rèn)為風(fēng)積沙摻粉土物理改良設(shè)計(jì)新穎、安全可靠,滿足鐵路運(yùn)營(yíng)安全要求。

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