武廣鐵路客運(yùn)專線路基復(fù)合地基褥墊層填筑工藝試驗(yàn)研究

李明領(lǐng)

(武廣鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司,武漢 430077)

近些年來,復(fù)合地基技術(shù)在我國得到了不斷地發(fā)展和提高,其應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)展。褥墊層作為復(fù)合地基的核心技術(shù),對(duì)復(fù)合地基的許多性質(zhì)都起到至關(guān)重要的作用。

褥墊層是指軟土、松軟土地基經(jīng)過半剛性樁(粉噴樁、旋噴樁)、剛性樁(CFG樁、預(yù)應(yīng)力管樁)等處理后在其上設(shè)置由土工格柵 +碎石或砂碎石等形成的加筋墊層。

由于客運(yùn)專線對(duì)工后沉降變形控制非常嚴(yán)格,所以對(duì)線下結(jié)構(gòu)不同部位的沉降都要非常重視。而我國無砟軌道路基設(shè)計(jì)中,對(duì)復(fù)合地基加筋墊層填料不考慮納入后期沉降范圍,實(shí)際上碎石褥墊層厚度達(dá) 0.5～0.6 m,武廣客運(yùn)專線路基填高一般 3～6 m,褥墊層厚度約為填高的 10%～20%。其壓實(shí)的優(yōu)劣對(duì)路基沉降(尤其工后沉降)及均衡地基受力可能產(chǎn)生較大的變化。

我國現(xiàn)行的設(shè)計(jì)、施工及質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等對(duì)褥墊層碎石墊層的碎石粒徑大小、級(jí)配要求及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn),沒有明確規(guī)定或較為模糊。這必將對(duì)日后的客運(yùn)專線運(yùn)營安全帶來隱患。

鑒于此,本文對(duì)武廣客運(yùn)專線一段預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基褥墊層進(jìn)行了壓實(shí)工藝性試驗(yàn)研究,以期優(yōu)化褥墊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、確定合理的碾壓工藝、壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法。

1 褥墊層結(jié)構(gòu)作用形式及機(jī)理

1.1 褥墊層作用形式

復(fù)合地基上設(shè)計(jì)褥墊層,目的是通過在路基底面鋪設(shè)土工合成材料與碎石等組成加筋褥墊層,增強(qiáng)墊層的整體性和剛度,保持基底完整連續(xù),均化基底應(yīng)力分布,調(diào)整不均勻沉降,同時(shí)碎石褥墊層還具有隔斷毛細(xì)水與排水作用。其主要作用還有:

1)保證樁、土共同承擔(dān)荷載,均化受力。褥墊層的設(shè)置為剛性樁在其受荷后提供了樁頂?shù)拇倘霔l件以保證樁土始終參與受力工作;

2)調(diào)整樁土豎向荷載分擔(dān)比。調(diào)整褥墊層適宜厚度,充分發(fā)揮樁間土的作用;

3)改善基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中程度,減少路堤的不均勻沉降;

4)調(diào)整樁土水平荷載的分擔(dān)。當(dāng)不設(shè)置褥墊層,水平荷載主要由樁承擔(dān);當(dāng)隨著褥墊層設(shè)置的增厚,樁分擔(dān)的水平荷載減少,土分擔(dān)的荷載增大。

1.2 褥墊層作用機(jī)理

復(fù)合地基設(shè)置褥墊層使樁間土發(fā)揮作用。從墊層的受力機(jī)理可知,在基礎(chǔ)范圍內(nèi)的墊層受到不均勻應(yīng)力作用,樁頂應(yīng)力較大,樁間土應(yīng)力較小,隨著荷載增加,首先在樁頂可能出現(xiàn)塑性區(qū),繼而樁與樁間土間產(chǎn)生較大位移,樁體刺入到墊層中,墊層通過破壞重組,將樁上部荷載向樁間土轉(zhuǎn)移,如果褥墊層太“軟”,雖有樁刺入,但荷載轉(zhuǎn)移的效果不明顯,樁間土發(fā)揮作用不好;如果墊層太“硬”,使樁體無法刺入,也不能轉(zhuǎn)移荷載,因此,“刺入”與墊層的“軟”與“硬”的限制就是墊層設(shè)計(jì)的條件[1]。若將樁頂對(duì)褥墊層的作用看成是倒置的樁對(duì)地基土的作用,則樁端應(yīng)力相當(dāng)于荷載作用,而樁間土反力相當(dāng)于基底土上覆蓋壓力,樁刺入墊層中的條件就是樁端應(yīng)力大于褥墊層的極限承載力。

2 工藝性試驗(yàn)研究方案

2.1 工藝性試驗(yàn)方案及控制參數(shù)

1)褥墊層結(jié)構(gòu)組成。褥墊層結(jié)構(gòu)總厚度如采用50 cm,則按 20 cm砂碎石(簡稱第一層)+5 cm砂 +第一層土工格柵 +5 cm砂 +20 cm砂碎石(簡稱第二層);褥墊層結(jié)構(gòu)總厚度如采用 60 cm,則按 20 cm砂碎石(簡稱第一層)+第一層土工格柵 +5 cm砂 +15 cm砂碎石(簡稱第二層)+第二層土工格柵 +5 cm砂+15 cm砂碎石(簡稱第三層)進(jìn)行試驗(yàn)。具體結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 褥墊層結(jié)構(gòu)(單位:cm)

2)褥墊層的材料組成。采用最大粒徑不大于 30 mm的級(jí)配碎石(5～25 mm或 5～30 mm),碎石摻加一定比例的細(xì)料。

3)拌合方式。宜采用場拌,保證填料的均勻性。

4)碾壓方式。第一層采用靜壓 4遍方式,第二層采用靜壓 2遍、弱振 1遍、再靜壓 2遍的組合方式,第三層采用靜壓 2遍、弱振 2遍、再靜壓 1遍的組合方式。

5)檢測方法和控制指標(biāo)。每層均進(jìn)行 n、K、K30、Evd、Ev2值檢測;各項(xiàng)指標(biāo)暫按孔隙率 n≤28%、壓實(shí)度K≥0.95、動(dòng)態(tài)變形模量 Evd≥40 MPa,地基系數(shù) K30≥120 MPa/m,變形模量 Ev2≥80 MPa標(biāo)準(zhǔn)控制。

2.2 采用的施工及檢測設(shè)備

采用 S T 220推土機(jī)、Q Y 160平地機(jī)、Z L 50裝載機(jī)、不少于 20 t振動(dòng)壓路機(jī)、小型光輪壓路機(jī)、灑水車及Evd、K30、Ev2檢測儀 。

3 工藝性試驗(yàn)實(shí)施

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

D K 1 224+680～D K 1 224+760預(yù)應(yīng)力管樁地基處理段,長度約 80 m。

3.2 原材料選擇及室內(nèi)試驗(yàn)

參照過渡段級(jí)配碎石標(biāo)準(zhǔn)要求,將生產(chǎn)出來的碎石分為 5 mm以下石屑、＞5～30 mm碎石、兩種料分倉堆放。采用(粒徑 ＞5～30 mm)∶(5 mm以下石屑)=80∶20進(jìn)行配置,采用自動(dòng)計(jì)量拌合設(shè)備進(jìn)行拌合。

填料填筑前應(yīng)進(jìn)行混合料填料級(jí)配試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn),取得級(jí)配曲線范圍、最大干密度、最佳含水量等相關(guān)參數(shù)。

1)碎石和細(xì)料按比例合成的填料顆粒組成(見表1)。

表1 褥墊層填料顆粒組成

2)填料顆粒組成篩分曲線。系列 1為填料顆粒曲線,系列 2、系列 3為過渡段級(jí)配碎石填料級(jí)配范圍曲線(最大粒徑 30 mm)。

圖2 褥墊層填料顆粒組成篩分曲線

3)填料室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。最大干密度 2.35 g/cm3;最優(yōu)含水量為 5.5%;顆粒密度為 2.70 g/cm3。

3.3 主要施工工藝方法及注意事項(xiàng)

3.3.1 樁間土整平夯實(shí)

樁帽之間松散土通過人工整平,采取小型機(jī)械夯,壓實(shí)后土層壓實(shí)度應(yīng) ＞0.90,地表面平齊樁帽混凝土面。

3.3.2 第一層碎石墊層施工

1)釘樁放線。在路基兩側(cè)每 25 m釘出邊樁,并且兩側(cè)掛線,控制攤鋪厚度和高程。

2)控制松鋪厚度。按照自卸汽車的方量和松鋪厚度 23 cm計(jì)算每個(gè)方格內(nèi)卸車數(shù)量,以控制松鋪厚度。

3)進(jìn)料攤鋪。按照擬定的配合比,將碎石、石粉和水在碎石場集中進(jìn)行拌合,用自卸車將填料運(yùn)至現(xiàn)場卸料。用裝載機(jī)鏟料轉(zhuǎn)運(yùn),順線路中間平鋪一條主路,作為運(yùn)料通道,裝載機(jī)在已經(jīng)鋪料的主路上行駛卸料,逐步向前推進(jìn)。填料倒運(yùn)完后可以上推土機(jī)初平,注意保護(hù)樁帽不得破壞,然后用平地機(jī)精平,人工配合補(bǔ)料,以保證填料的均勻性。

4)含水量控制。根據(jù)填料室內(nèi)試驗(yàn),由于最佳含水量小于 10%,填料施工含水量宜控制在最優(yōu)含水量的 -1.5%～+1.0%之間。由于實(shí)際含水量較小,攤鋪后現(xiàn)場取樣快速測定含水量,根據(jù)含水量情況,在壓路機(jī)碾壓前先用灑水車灑水悶料,最好夜間悶料,第二天早上碾壓。

5)機(jī)械碾壓。按照擬定的碾壓組合方式,第一層靜壓 4遍,壓實(shí)順序按照先兩邊后中間的原則進(jìn)行,壓實(shí)重疊寬度不小于 40 cm,壓路機(jī)的行走速度控制在 3 k m/h以內(nèi)。壓實(shí)后進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)檢測。

6)土工格柵鋪設(shè)。在壓實(shí)的底層碎石墊層的基礎(chǔ)上,鋪設(shè)土工格柵前,根據(jù)表面粗糙情況,對(duì)碎石層表面適當(dāng)散補(bǔ)細(xì)料,以表面不露碎石棱尖為原則,找補(bǔ)完成后采用壓路機(jī)靜壓 1遍,然后鋪設(shè)第一層土工格柵,采用極限抗拉強(qiáng)度大于 110 k N的雙向徑編土工格柵,鋪設(shè)時(shí)沿路基橫向鋪設(shè),搭接寬度不小于 50 cm,搭接處用塑料釘綁扎,綁扎間距不超過 50 cm。

7)砂墊層鋪設(shè)。土工格柵鋪設(shè)完成后,應(yīng)盡快進(jìn)行第一層砂墊層施工,土工格柵不宜長時(shí)間晾曬或雨淋。砂墊層鋪設(shè)厚度為 5 cm,鋪設(shè)過程中用人工攤鋪找平,其上不得走行重型機(jī)械。

3.3.3 第二、三層褥墊層鋪設(shè)

第二、三層褥墊層施工和檢測方法同第一層褥墊層施工,碎石料卸在鋪好土工格柵的一側(cè),用裝載機(jī)倒運(yùn),推土機(jī)初平,平地機(jī)精平,然后用人工配合補(bǔ)料找平,防止土工格柵褶皺變形甚至破壞。

3.3.4 各層碾壓過程

第一層按要求進(jìn)行靜壓 4遍后,進(jìn)行 K值、n值、Evd檢測,n值和 Evd滿足要求,K值達(dá)不到 95%的要求;下過雨后又進(jìn)行了 1遍弱振,1遍靜壓,又進(jìn)行抽檢,n值、Evd和 K值均達(dá)到要求,K30檢測 6點(diǎn) 3個(gè)達(dá)到要求,3個(gè)點(diǎn)達(dá)不到要求;Ev2檢測 6點(diǎn) 2個(gè)達(dá)不到要求,且K30、Ev2之間部分指標(biāo)偏差較大。

第二層對(duì)填料粗細(xì)顆粒比例進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整,碾壓前先用灑水車灑水,悶一夜料,第二天早上按靜壓 2遍、弱振 2遍、再靜壓 1遍的方式進(jìn)行碾壓,然后檢測,除 K值部分達(dá)不到 95%的要求外,其他指標(biāo)均能達(dá)到要求,但 K30和 Ev2部分指標(biāo)偏差較大。

第三層填料先在拌和時(shí)控制好了含水量,攤鋪完后,按靜壓 2遍、弱振 2遍、再靜壓 1遍的組合方式進(jìn)行了碾壓,n、K、Evd、K30Ev2均達(dá)到要求指標(biāo)。

并對(duì)第二層土工格柵是否受到碾壓破壞進(jìn)行了現(xiàn)場開挖檢查,抽查的 5個(gè)點(diǎn)均未受到破壞。

3.4 檢測結(jié)果分析

1)檢測值及分析統(tǒng)計(jì),見表2。

表2 褥墊層填料壓實(shí)實(shí)測值統(tǒng)計(jì)分析

2)分析統(tǒng)計(jì)見表3。

第一、二、三層填料壓實(shí)后 n、K、Evd、 K30、Ev2檢測指標(biāo)值統(tǒng)計(jì)表及統(tǒng)計(jì)直方圖.。

表3 第一層、二層、三層填料壓實(shí)后級(jí)配顆粒分析

從以上檢測數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)圖可以看出:

1)含水量對(duì)路基壓實(shí)質(zhì)量有一定的影響,第一層含水量偏低,沒有采用弱振,壓實(shí)程度不足,壓實(shí)度 K受到影響;第二、三層注意控制了含水量,碎石級(jí)配進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整,檢測質(zhì)量明顯提高,除 K30值部分達(dá)不到 130 MPa要求外,n、K、Evd均達(dá)到要求指標(biāo)。

圖3 一、二、三層填料壓實(shí)后 n、k、Ev d、K30、Ev 2檢測指標(biāo)統(tǒng)計(jì)直方圖

2)孔隙率 n大部分分布范圍為 17%～21%,分布范圍較集中,最大值 22.1%,平均值約為 19.0%,符合基床底層孔隙率要求。壓實(shí)系數(shù) K大部分分布范圍為 93.0%～96.1%,分布范圍較集中,最小值 91.7%,平均值約為 94.0%。第一層孔隙率、壓實(shí)系數(shù)相對(duì)第二、三層偏低,原因是細(xì)料含量相對(duì)偏小,二、三層適當(dāng)進(jìn)行了增加。

3)Evd測點(diǎn)值大部分分布在 57～75 MPa間,分布相對(duì)集中,最小值 45.4 MPa,平均值為 65.9 MPa;基本符合基床底 Evd值要求。

4)第一、二層,Ev2分布在 77～90 MPa和 130～160 MPa范圍內(nèi);而 K30分布在 80～110 MPa/m和 145～170 MPa/m的范圍內(nèi)。二者存在相同的分布規(guī)律。究其原因,K30和 Ev2采用直徑 30 cm的荷載板進(jìn)行檢測,其測試深度影響范圍為板直徑的 2～3倍左右,K30和Ev2試驗(yàn)的影響范圍已經(jīng)超過褥墊層的厚度。因此,當(dāng)Ev2和 K30的荷載板位于管樁樁帽上時(shí),試驗(yàn)檢測反映的是碎石墊層和管樁共同作用效果,測試數(shù)據(jù)明顯偏大;當(dāng) Ev2和 K30的荷載板位于樁間土上,試驗(yàn)檢測反映的是碎石墊層和樁間土的共同作用效果,測試數(shù)據(jù)明顯偏小。

5)根據(jù)第二次、三次試驗(yàn)測試結(jié)果分析,孔隙率n、壓實(shí)度 K、Evd三項(xiàng)指標(biāo)檢測值較為穩(wěn)定,能較好地反映碎石褥墊層的壓實(shí)狀態(tài)和動(dòng)剛度;三層雖然均采取了弱振,但沒有采取強(qiáng)振,K值大部分不易達(dá)到95%,但均可 ＞92%;K30與 Ev2檢測值受檢測深度影響范圍限制,不能完全反映碎石褥墊層壓實(shí)特性。

6)在沉降受力過程中,土工格柵對(duì)填料產(chǎn)生相對(duì)位移,從而產(chǎn)生接縫剪切摩擦和聯(lián)鎖。各相應(yīng)土工格柵層的土工格柵應(yīng)受到一定的拔出阻力,其與摩擦表面的數(shù)量和土工格柵與填料的平均摩擦系數(shù)有關(guān)。基于以上受力原理,既考慮增大土工格柵摩擦阻力,又要防止碎石墊層碾壓對(duì)土工格柵的破壞,只在土工格柵上部鋪設(shè) 5 cm砂墊層,防止受到碾壓破壞。通過現(xiàn)場挖坑檢查,檢查的 5個(gè)點(diǎn)均未受到破壞。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

通過武廣客運(yùn)專線樁網(wǎng)褥墊層填筑壓實(shí)工藝性試驗(yàn)研究,結(jié)論如下所述。

1)材料類型選擇

褥墊層材料選用未風(fēng)化、級(jí)配良好的碎礫石,含泥量不大于 5%,最大粒徑宜控制在 30 mm以內(nèi);采取 5～30 mm或 5～25 mm級(jí)配碎石,并摻加一定比例的石屑或砂等細(xì)粒料,集中拌合均勻后進(jìn)行填筑。5 mm以下細(xì)料含量宜控制在 35%以下,0.075 mm以下細(xì)粒應(yīng)控制在 5%以下;可參照過渡段級(jí)配碎石標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行顆粒級(jí)配分析,基本滿足通過百分率低限值的要求。

2)褥墊層結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于厚 60 cm的兩層格柵褥墊層,宜按 20 cm碎石(簡稱第一層)+第一層土工格柵 +5 cm砂 +15 cm碎石(簡稱第二層)+第二層土工格柵 +5 cm砂 +15 cm碎石(第三層)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行鋪設(shè)。對(duì)于厚 50 cm的一層格柵褥墊層,宜按 25 cm碎石(簡稱底層)+第一層土工格柵 +5 cm砂 +20 cm碎石(簡稱上層)。但鋪設(shè)土工格柵前,根據(jù)碎石層表面情況,可適當(dāng)散補(bǔ)細(xì)料(不計(jì)厚度),以表面不露碎石棱尖、且均勻、平整為原則,找補(bǔ)完成后采用壓路機(jī)靜壓一遍。

3)碾壓組合方式、碾壓速度選擇

由于受到地基樁或樁帽混凝土影響,防止破壞樁頂或樁帽及考慮不破壞土工格柵,不能采用強(qiáng)振碾壓,可以采取靜壓和弱振的組合碾壓方式。弱振動(dòng)碾壓速度宜采用一擋行駛,控制在 3 k m/h以內(nèi),靜壓速度宜采用二擋行駛,宜控制在 4 k m/h內(nèi)。

4)壓實(shí)檢測控制標(biāo)準(zhǔn)

通過工藝性試驗(yàn),對(duì)檢測的壓實(shí)指標(biāo)結(jié)果分析表明,孔隙率 n、壓實(shí)度 K、Evd三項(xiàng)指標(biāo)檢測值較為穩(wěn)定;K30、Ev2檢測值離散性較大,主要原因是該兩項(xiàng)指標(biāo)測試影響深度約為 1.5～2.0倍板寬(0.4～0.6 m深),所測指標(biāo)反映的是碎石墊層與地基土或 CFG樁共同特性,當(dāng)測試點(diǎn)分別位于樁頂、樁間土?xí)r,測試結(jié)果差異較大。建議將孔隙率 n、壓實(shí)度 K、Evd三項(xiàng)指標(biāo)作為路基碎石褥墊層質(zhì)量檢測控制指標(biāo),須達(dá)到褥墊層上對(duì)應(yīng)的路基填筑部分的壓實(shí)指標(biāo)。

4.2 建議

結(jié)合《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南》規(guī)定,對(duì)武廣客運(yùn)專線剛性樁褥墊層壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)擬建議為基床底層孔隙率≤28%、壓實(shí)度≥0.92、動(dòng)態(tài)變形模量≥40 MPa;基床底層以下路基孔隙率≤31%、壓實(shí)度≥0.92、動(dòng)態(tài)變形模量≥35 MPa。

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