竣工路基施工期間填料摻灰量反演研究

彭　穩(wěn)　王　東

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京　100055)

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竣工路基施工期間填料摻灰量反演研究

彭穩(wěn)王東

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京100055)

摘要本研究對象為竣工路基的石灰含量，采用逆向EDTA方法，反演還原施工期間的石灰含量?；诔Ｒ?guī)EDTA滴定法，指出“時效性”對常規(guī)試驗的限制，采用逆向EDTA滴定法來反演竣工路基施工期間填料摻灰量。以某鐵路IV標段為例，合理選取竣工路基土、水、灰樣，利用試驗段獲取施工至今摻灰路基填料中鈣離子流失量為2.09%，通過EDTA滴定法測得路基施工完成30個月后填料中實測摻石灰量為0.41%～1.87%；以此為依據(jù)，反演出施工期間現(xiàn)場實際摻灰量約2.50%～3.96%。

關(guān)鍵詞逆向EDTA滴定法摻灰量反演

在路基摻石灰填料填筑施工過程中，石灰劑量檢測是評價路基施工質(zhì)量能否滿足設(shè)計要求的重要手段，EDTA滴定法因其操作簡單，快捷高效，在鐵路、公路的路基石灰劑量檢測中得到廣泛應(yīng)用[1-8]。工程應(yīng)用中，常規(guī)方法是根據(jù)已知的設(shè)計摻灰比，計算所需石灰、土、水的數(shù)量并現(xiàn)場拌合得到設(shè)計摻灰比的灰土，然后采用規(guī)范中指定的EDTA滴定法檢測現(xiàn)場實際值是否與設(shè)計理論值相符。而隨著摻灰后時間的增加，摻灰填料中實測石灰含量將隨著石灰土齡期的增長不斷減少。因此，常規(guī)的EDTA滴定法多應(yīng)用于施工過程中的灰劑量檢測，而在路基竣工完成以后再反演施工期間摻灰填料中實際石灰含量，國內(nèi)外報道鮮見。結(jié)合工程實例，探討如何合理反演路基竣工以后施工期間填料摻灰量。

1EDTA滴定法[9]

EDTA滴定法屬于經(jīng)典化學(xué)分析中的絡(luò)合滴定法，采用的EDTA溶液是乙二胺四乙酸二鈉(C10H14N2O8Na22H2O)的簡稱。其測定石灰含量的機理是利用乙二胺四乙酸鹽作為絡(luò)合劑，使其與樣品石灰浸提液中的Ca2+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，用EDTA標準液滴定到鈣指示劑指示變色終點時，通過測定EDTA的消耗量來計算Ca2+含量，然后通過給定石灰劑量的石灰土測定EDTA消耗量的標準曲線，就可以由Ca2+推算出石灰劑量，其反應(yīng)過程如下。

(1)加入濃度為10%的NH4Cl溶液浸取Ca2+：當(dāng)土樣為穩(wěn)定的細粒土?xí)r，稱取300 g土樣放入搪瓷杯中，加入濃度為10%的NH4Cl溶液600 mL。以110～120次/min的速度攪拌混合液3～5 min，然后靜置，直到溶液澄清。

(2)調(diào)節(jié)溶液pH值：為排除干擾離子對試驗的影響，滿足鈣的絡(luò)合條件，用移液管吸取的10 mL上層清液中，加入濃度為1.8%的NaOH溶液50 mL，調(diào)節(jié)溶液pH值在11.0～12.5之間。并且，NaOH溶液中還應(yīng)加入2 mL，其作用是在堿性條件下三乙醇胺能與試樣中的Al3+、Fe3+等生成穩(wěn)定的絡(luò)合物，掩蔽其對試驗的干擾。

(3)加入鈣指示劑(C21H13O7N2SNa)：鈣指示劑與灰土NH4Cl浸提液中的Ca2+生成紅色絡(luò)合物，再加EDTA，EDTA也與浸提液中的Ca2+結(jié)合生成無色的絡(luò)合物，但后者比前者穩(wěn)定，所以當(dāng)有鈣指示劑存在的含Ca2+的石灰土浸提液中滴入EDTA溶液并到達終點時，過量滴定液奪取紅色絡(luò)合物中的Ca2+而使鈣指示劑游離，于是溶液由紅色轉(zhuǎn)變成鈣指示劑本身的純藍色。

其顏色變化過程為：加鈣指示劑→玫瑰紅→紫藍色→藍紫色→純藍色。

(4)滴定：用EDTA 標準液對處理過的溶液進行滴定試驗，測定的EDTA消耗量反映了Ca2+的質(zhì)量分數(shù)，通過Ca2+的質(zhì)量分數(shù)又可以反算出土樣中的石灰含量。

EDTA消耗量主要與石灰含量相關(guān)，但也受土源種類、石灰來源、施工用水等的影響，石灰含量和EDTA消耗量之間無固定的函數(shù)關(guān)系。因此，先要配制不同石灰劑量的標準混合料溶液并繪制標準曲線，再將待測土樣的EDTA消耗量與標準曲線比對，方可確定待測土樣中的石灰含量。土源種類、石灰來源、施工用水等因素變化后均應(yīng)重新繪制標準曲線。

2EDTA滴定法的局限性與完善

2.1局限性

EDTA 滴定法的優(yōu)勢是第一時間現(xiàn)場測定摻灰填料的石灰含量，快速評價路基施工質(zhì)量。但在實際施工過程中，因各種情況而耽誤檢測時間的情況也時有發(fā)生，隨著齡期的增長，摻灰填料中的一部分游離鈣離子與土中的礦物反應(yīng)，導(dǎo)致鈣離子減少，試驗值與實際數(shù)據(jù)相差很大。因此，常規(guī)EDTA滴定法在工程實際中的具有局限性，不可避免地遇到”時效性”的困擾。

2.2逆向EDTA滴定法

為合理反演填筑后路基摻灰填料在施工期間的實際摻灰量，解決“時效性”對常規(guī)EDTA滴定試驗的限制，提出逆向EDTA滴定法，如圖1。

圖1　逆向EDTA滴定法流程

主要包括合理選取竣工路基土樣、水樣、灰樣等，應(yīng)避免小范圍取樣，提高取樣點的代表性，盡量減小取樣不均對試驗結(jié)果造成的影響；利用常規(guī)EDTA滴定法試驗測定路基填筑完成后實際摻灰量，并根據(jù)鈣離子流失量，修正試驗結(jié)果，得到合理的摻灰量反演值。

3工程概況

某鐵路IV標段路基修筑時，正值雨季，填料含水率變大，在確保路基質(zhì)量前提下，為加快施工進度，路基采取摻石灰填料填筑。鐵路目前已完成鋪架調(diào)試工作，路基填筑完成時間超30個月。為核定工程數(shù)量，開展合理反演竣工路基施工期間的填料摻灰量研究。

4工作內(nèi)容

4.1取樣

(1)既有路基取樣

對已填筑的路基進行實地勘探取樣并進行現(xiàn)場滴定試驗。為避免對路基基床的破壞[10]，減少大氣環(huán)境對石灰含量的影響，于垂直路基邊坡以下不小于1.1 m處(石灰土混合料頂面)的路基邊坡上，采用鉆孔取芯法采取土樣[11](直至石灰土混合料下0.5 m)，根據(jù)肉眼觀察、現(xiàn)場滴定初步確定石灰摻和土的填筑高程、厚度；每兩壓實層0.5 m深度嚴格按照四分法取一組室內(nèi)試驗樣品[12]。沿線路方向每隔約100 m布置一處鉆孔(短路基段落最少保證3處)，取樣深度應(yīng)大于大氣影響深度，鉆孔位置盡可能避開既有設(shè)施。共完成檢測斷面779個，取土樣5 752組(如圖2)。

圖2　取樣位置示意

(2)取土源取樣

施工期間，為縮短工期，保證路基施工質(zhì)量，Ⅳ標段路基填料摻和生石灰以降低填料含水量。對區(qū)間路基取土場以及填筑試驗段的取土場，按照所取填料填筑路基具體區(qū)段分別對取土場進行取樣，主要為粉質(zhì)黏土、粉土，取土深度2～12 m。

(3)水和石灰取樣

為了最大程度反演施工實際情況，對Ⅳ標段沿線施工可用的地表水和地下水進行了現(xiàn)場調(diào)查，并結(jié)合施工方和監(jiān)理方提供的信息，確定不同里程段落對應(yīng)的施工用水并取樣。同時，對施工采用的的石灰料進行取樣，共計水樣20組，石灰樣2組。

4.2鈣離子流失量

施工期間設(shè)置了1處路基填料摻灰填筑試驗段。根據(jù)試驗段施工資料：從取土場取得的填料含水量為26.8%，其素土的最佳含水量為16.3%；為降低填料含水量，采取一次性預(yù)摻質(zhì)量比5.1%的生石灰，經(jīng)燜土三天、翻曬等措施，含水量可以達到施工要求。以此為基準，對試驗段通過鉆探采集摻灰填料試樣，測得竣工后的摻灰量，其與試驗段施工期間摻灰量的差值，即為試驗段施工完成30個月后鈣離子的流失量。

4.3室內(nèi)試驗

試驗按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB10102—2010)進行[9]。采用不同里程段落對應(yīng)的取土場填料、石灰品種和施工用水按不同組合分別制成混合料，并制備兩組平行試樣，每組混合料分別做0%、2%、4%、5%、6%、8%六種石灰含量試驗，采用EDTA滴定法獲得不同摻灰量對應(yīng)的EDTA消耗值，繪制標準曲線。同時，對路基填土樣分別測定其EDTA消耗量，與其對應(yīng)的標準曲線進行擬合，即可確定土樣的灰劑量(如圖3)。

圖3　標準曲線示例

5試驗結(jié)果

5.1鈣離子流失量

試驗段完成挖探16 孔，完成EDTA試驗樣品49 個，實際測出路基填料摻石灰量范圍為1.39%～4.10%，加權(quán)平均值為3.01%。根據(jù)施工單位提供的試驗段資料，施工時路基填料摻石灰量為5.1%。由此得出試驗段施工完成30個月后，路基填料摻石灰量的鈣離子流失量為Δ=2.09%(如圖4)。

圖4　試驗段摻灰量分布

5. 2摻灰量

根據(jù)不同里程段落的取樣個數(shù)，剔除孔內(nèi)檢測無石灰含量的孔數(shù)，得到實測路基填料摻拌石灰百分含量范圍和平均值，并考慮鈣離子流失量，反演出施工時路基填料摻灰量。共完成標準曲線24組，土樣測試5 446組，土樣平行試驗5 446組(見表1)。

表1　不同里程段落試驗結(jié)果

6結(jié)論

(1)由于石灰摻拌采用路拌法施工，填料中會產(chǎn)生局部攪拌不均勻，取樣位置為隨機抽選，所以個別孔中試驗檢測值為0，但總體上能真實反映施工情況。該段路基施工完成2年半后填料中實測摻石灰量為0.41%～1.87%。

(2)室內(nèi)試驗結(jié)果顯示，局部勘探點的石灰含量較高，主要集中在DK262～DK294范圍內(nèi)，石灰含量范圍為2.94%～5.55%。

(3)試驗段推測鈣離子流失量Δ=2.09%，該流失量為施工時路基填料摻石灰量5.1%經(jīng)2年半時間擺放后的鈣離子流失量。由于缺乏類似工程的建設(shè)經(jīng)驗，初步評估報告以試驗段推測的鈣離子流失量作為推測施工時其他路基段落填料摻灰量的依據(jù)，得出摻灰量約2.50%～3.96%，與現(xiàn)場情況基本相符。

本次檢測評估為竣工路基的石灰含量，采用逆向EDTA方法，反演還原施工期間的石灰含量，在竣工路

基中反演填料摻灰量試驗中尚屬首次，具有一定的創(chuàng)新性，對以后相關(guān)工程問題也具有借鑒意義。項目通過了建設(shè)單位組織的專家審查和驗收，并得到建設(shè)單位的通報表揚。

本次檢測評估過程雖然符合趨勢，但不同摻灰量情況下的鈣離子流失量是否為等量關(guān)系，還需要進一步的試驗檢測。本項目同時計劃將另外一批平行試樣在保濕環(huán)境下擺放30個月后，再試驗不同摻灰量情況下的鈣離子流失量，可進一步驗證和修正反演結(jié)果。

參考文獻

[1]王存月.灰土壓實性及強度試驗與探討[J].江蘇水利，1999(1)：32-33

[2]張?zhí)旒t.水泥土的強度及影響因素初探[J].中國鐵道科學(xué)，2003，24(6)：53-56

[3]向文俊，劉愛蘭，等.改良土二次摻灰工藝的石灰劑量檢測方法[J].河海大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，32(3)：313-315

[4]周易平.高速鐵路路基填料改良技術(shù)的研究[D].北京：鐵道部科學(xué)研究院，2000

[5]張保儉.既有線提速改建段路基改良土的試驗研究[J].鐵道建筑，2007(7)：60-62

[6]段俊梅.鐵路既有線路基改良土試驗分析[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2010(10)：82-83

[7]錢春陽，高旭.新建高速鐵路路基改良土試驗研究[J].廣東土木與建筑，2007(9)：56-58

[8]楊廣慶，荀國利.高速鐵路路基改良土的有關(guān)問題[J].鐵道標準設(shè)計，2003(5)：15-16

[9]中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司.TB10102—2010鐵路工程土工試驗規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2011

[10]鐵道第一勘察設(shè)計院.TB10001—2005 鐵路路基設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[11]鐵道第一勘察設(shè)計院.TB10012—2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2007

[12]中鐵二局集團有限公司.TB10414—2003鐵路路基工程施工質(zhì)量驗收標準[S].北京：中國鐵道出版社，2004

收稿日期：2016-03-07

第一作者簡介：彭穩(wěn)(1985—)，男，2010年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)水利工程專業(yè)，碩士，工程師。

文章編號：1672-7479(2016)03-0054-03

中圖分類號：U416

文獻標識碼：A

Inversion Study on Amount of Lime During Construction of Improved Soil For Completed Railway Subgrade

PENG WenWANG Dong