京九鐵路路基填筑粉土工程特性試驗研究

任成進(jìn)，李志剛，劉運橋

(濟(jì)南鐵路局工務(wù)處，山東 濟(jì)南 250001)

濟(jì)南鐵路局管內(nèi)京九鐵路大部分地區(qū)穿越魯西南黃泛平原區(qū)，由于受線路所處特殊的地理、地質(zhì)環(huán)境和修建時的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、施工質(zhì)量等影響，采用沿線廣泛分布的粉土填筑路基，雨季病害嚴(yán)重，經(jīng)常危及行車安全，嚴(yán)重時中斷行車。鐵路第6次大提速后，京九線最高速度達(dá)到160 km/h，列車的高速運行對路基的質(zhì)量提出了更高的要求。為此，對京九線路基填筑粉土的工程特性進(jìn)行了研究，為根治路基病害提供依據(jù)。

1 粉土的基本性質(zhì)

1.1 基本物理、化學(xué)性質(zhì)

試驗用土取自京九鐵路曲線改造后廢棄路段的路基填土，里程K381+000—K594+434，位于山東聊城、菏澤一帶。該地區(qū)粉土的化學(xué)成分中硅(Si)、鋁(Al)含量高，其次為鐵(Fe)、鉀(K)、鈉(Na)，其余化學(xué)成分不足10%。粉土的物質(zhì)組成主要是原生礦物砂、粉粒，次生黏土礦物含量較少，具有弱可塑性、低黏結(jié)性、高分散性等特點。試驗得出粉土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1，根據(jù)《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》(TB 10001—2005)屬于低液限粉土。

1.2 粒度組成分析

對不同取土地點土樣的成分及級配進(jìn)行分析，顆粒分析曲線如圖1所示。

表1 粉土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1 粉土顆粒分析曲線

從圖1可看出，京九線粉土的粒徑分布曲線極不均勻。其中0.075～0.005 mm的粉粒含量平均超過75%，粒徑d＜0.005 mn的黏粒含量平均不到10%，d＞0.075 mn的粗砂粒含量平均不到15%，不均勻系數(shù)1.8～2.8，全部顆粒粒徑＜0.25 mm。由于粉土顆粒粒徑分布存在嚴(yán)重不足，因而造成其成型困難，壓實系數(shù)難以達(dá)到要求，也難以形成反濾結(jié)構(gòu)體系，使得沖刷、沖蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。

1.3 化學(xué)成分分析

為查明粉土的化學(xué)成分和含鹽量，判斷粉土的水理特性是否與其含鹽量有關(guān)，分別在梁山、陽谷、聊城按鹽漬土取土規(guī)則取土樣11組進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。根據(jù)試驗計算結(jié)果，最大含鹽量為0.221%，最小含鹽量為 0.049%，平均含鹽量為0.121%，說明試樣均為非鹽漬土，因而鹽漬土的溶蝕作用不是產(chǎn)生粉土路基病害的主要原因。

表2 土壤化學(xué)成分 %

1.4 擊實性質(zhì)

在進(jìn)行粉土的室內(nèi)擊實試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率較小時，粉土易從擊實筒濺出，試件松散、起皮，無法擊實;而當(dāng)含水率超過17%以后，試件中的孔隙水會從擊實筒底部溢出，且試件出現(xiàn)“彈簧”現(xiàn)象，工程上俗稱“彈簧土”、“橡皮土”，無法進(jìn)行試件的擊實。擊實曲線如圖2所示。

圖2 擊實曲線

由圖2可知，粉土的最優(yōu)含水率并不像黏性土那樣在塑限附近，而是遠(yuǎn)小于塑限，且擊實曲線偏離飽和曲線較遠(yuǎn)。這說明即使粉土達(dá)到最大干密度，土體孔隙比仍然較大，飽和度較低，與飽和含水率相差較大。圖2中擊實曲線呈不對稱形狀，在最優(yōu)含水率左側(cè)，曲線呈平緩狀上升，超過最優(yōu)含水率后，干密度隨含水率的增加迅速下降，表現(xiàn)出壓實對水較強的敏感性。

由于粉土含有較多的粉粒，顆粒間接觸基本屬于粉粒的接觸，顆?；窘Y(jié)構(gòu)為單粒體形式，壓實時，土粒之間的孔隙不能完全被填充，易形成“搭積木”式的構(gòu)架，顆粒之間被薄層氣體填充，導(dǎo)致難以壓實。計算表明，粉土在最大干密度時空氣體積率為8%，大于一般土體4%左右的最小空氣體積率。這說明即使粉土路基壓實系數(shù)達(dá)到100%，仍有相當(dāng)大的孔隙。在行車荷載下，路基容易產(chǎn)生大量的殘余變形，且壓實后的路基由于毛細(xì)管發(fā)育，在路堤浸水的情況下，極易吸水、聚冰、凍脹、翻漿。這與現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果是一致的。

通過改變每層的擊數(shù)來增加擊實功，以分析能否通過增加壓實功提高粉土的干密度，減小粉土的空氣率，從而增加土的密實度，減小路基的壓縮變形。在4種不同擊實功下進(jìn)行擊實試驗，試驗結(jié)果如表3所示，擊實曲線如圖3所示。

表3 不同擊實功的試驗結(jié)果

圖3 不同擊實功下粉土的擊實曲線

由表3及圖3可知，擊實功K值越大，土的最大干密度ρdmax越大，最佳含水率wopt越小。由擊實曲線與飽和曲線的關(guān)系可以看到:K增加，并不能使擊實曲線明顯趨近飽和曲線。

由試驗數(shù)據(jù)計算土體的相關(guān)指標(biāo)，結(jié)果見表4。由表4可知:隨著擊實功K的增加，最大干密度ρdmax遞增，最佳含水率wopt遞減，土的孔隙比e遞減，飽和度Sr遞減，空氣率Va遞增。一般而言，擊實的作用在于減少土顆粒間孔隙的體積，降低孔隙氣體體積，提高土的密實度。但由表4可知，隨擊實功增加該類土e變小，說明孔隙體積Vv減小，而Vv=Va+Vw(Vw為孔隙水體積)，Va不僅沒減小反而增大，說明Vv的減小是由于Vw的減小所致，因而引起Sr的變小。對于黏性土和級配良好的土，隨擊實功增加，土中顆粒嵌擠，氣體被排出，e變小，Va也變小，Sr增大，土變得更密實和穩(wěn)定。而對于粉土Vv的變小是因孔隙中的水排出，土中的Va變大，Sr降低。這說明該類土球形堆積結(jié)構(gòu)的特點使得Va增大。擊實功只能排出孔隙中的部分水，而不能減小空氣率Va、提高飽和度Sr和改變毛細(xì)管徑。因而壓實后的路基孔隙發(fā)育，水穩(wěn)定性差。行車振動作用還可引起顆粒的錯位與排列，表現(xiàn)出變形的不均勻性與強度的不穩(wěn)定性。這進(jìn)一步證明了該類土靠提高擊實功不能改變它的水穩(wěn)性和控制工后不均勻變形的發(fā)生，同時說明單純提高擊實功來提高土的密實度不是經(jīng)濟(jì)有效的方法。

表4 相關(guān)指標(biāo)計算結(jié)果

1.5 壓縮性質(zhì)

粉土壓縮試驗數(shù)據(jù)表明，壓實系數(shù)＞0.85的粉土仍屬于中壓縮性土體，提高其壓實系數(shù)對土體的壓縮性能改善不很明顯。壓實系數(shù)對e－p曲線的影響見圖4，可見壓實系數(shù)從0.85提高到0.95，壓縮模量ES1－2只增加約2 MPa。這進(jìn)一步說明粉土難于壓實，且增加壓實功對于提高土體的密實度和剛度也不明顯。相比較而言，粉土對水的敏感性較強，壓實系數(shù)為0.95的粉土，最優(yōu)含水率從12%增加到18%時，壓縮模量ES1－2僅下降約3 MPa，見圖5。這說明壓實粉土遇水則其剛度明顯下降，且產(chǎn)生過大的殘余累積變形。

圖4 壓實系數(shù)對e－p曲線的影響(w=wopt)

圖5 含水率對e－p曲線的影響(ρd=0.95ρdmax)

2 結(jié)論

通過對濟(jì)南局管內(nèi)京九鐵路路基填筑粉土工程性質(zhì)的試驗與分析，得出結(jié)論如下:

1)粉土的物質(zhì)組成主要是原生礦物砂、粉粒，含有較少的次生黏土礦物，具有弱可塑性、低黏結(jié)性、高分散性、遇水易飽和且動靜強度顯著降低，以及振動析水等特殊工程特性。因此，粉土填筑的路基易發(fā)生邊坡沖刷、路基潛蝕破壞、基床陷槽等病害。

2)粉土顆粒分布不均、級配不良，壓實時土粒之間的孔隙不能完全被填充，易形成“搭積木”式的構(gòu)架，且顆粒之間被薄層氣體填充，導(dǎo)致難以壓實。提高擊實功對改善壓實效果極不明顯。因此，粉土路基易發(fā)生路基不均勻下沉及橋涵兩側(cè)路基沉陷。

3)路基填料特殊的工程特性和路基密實度較差是形成粉土路基病害的主要因素，大氣降水是導(dǎo)致病害形成的直接原因。所以封閉、加固基床表層與提高路基的防滲反濾功能和邊坡的抗沖刷能力是整治粉土路基病害的根本出路。

［1］中華人民共和國鐵道部．TB 10001—2005 鐵路路基設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2006．

［2］中華人民共和國鐵道部．TB 10414—2003 J285—2004鐵道路基工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國鐵道出版社，2004．

［3］潘成杰．京九線粉土路基加固和病害綜合防治［J］．鐵道建筑，2010(6):88-90．

［4］劉宗明．應(yīng)用注漿技術(shù)整治粉土路基病害的實踐［J］．鐵道建筑，2010(4):79-80．