重載鐵路填料含水率控制研究

夏 龍

中鐵二局第四工程有限公司 四川 成都610000

一、引言

蒙華鐵路是國家“北煤南運”重要的戰(zhàn)略通道，是納入國家“十三五”的重大項目。線路全長1813公里，是世界上一次性建成并投產(chǎn)的里程最長的重載鐵路，線路一次跨越長江黃河、由北向南穿越沙漠、高原、丘陵、平原，地質(zhì)條件非常復(fù)雜，技術(shù)難度大，質(zhì)量要求高。而路基工程作為重載鐵路的重要組成部分，承受著重載列車所有荷載，路基工程的質(zhì)量對線路的安全運營起著至關(guān)重要的作用。

壓實系數(shù)K、孔隙率、地基系數(shù)K30是評定鐵路路基壓實質(zhì)量的重要指標，如何保證檢測指標合格一直是路基施工階段的永恒主題，而指標的影響因素中除填料質(zhì)量、碾壓參數(shù)外最重要的因素當數(shù)含水率，現(xiàn)場施工過程中的重要環(huán)節(jié)即填料含水率的控制。

二、路基壓實的意義

重載鐵路路基在施工中通過對填料的挖、運、填等工序，土料原始天然結(jié)構(gòu)破壞，呈松散狀態(tài)、為使路基具有足夠的強度和穩(wěn)定性，必須進行人為壓實使其呈密實狀態(tài)。通過采用壓實機具進行壓實時，使三相土體中的土顆粒密度不斷靠攏、小顆粒填充于大顆粒之間的空隙中，使土顆粒間隙里的空氣不斷排除土體外，土顆粒間隙里的空氣不斷被排出土體外，土顆粒間空隙不斷減小，單位體積內(nèi)的土顆粒和水分質(zhì)量不斷提高，由于土顆粒的不斷靠攏、重新排列成新的密實結(jié)構(gòu)，土的內(nèi)摩擦力和粘聚力大大增加，從而提高了土體強度。由于土體空隙減少，外界水分子進入土體的通道被堵塞，阻力增加，土體的抗?jié)B透性提高，可以在一定程度上防止雨季發(fā)生坍塌、崩解，冬季氣溫帶來的凍脹等病害[1]。

三、壓實質(zhì)量的影響因素

通過試驗研究總結(jié)，路基壓實質(zhì)量的好壞受到方方面面的影響，對于不同性質(zhì)的土，影響壓實的因素主要分為自身因素和外部條件兩個方面。自身因素主要指填料質(zhì)量(如顆粒級配等)和含水率，外部條件主要指碾壓參數(shù)(如碾壓遍數(shù)、壓路機噸位等)，現(xiàn)場施工時往往著重抓填料質(zhì)量和控制現(xiàn)場碾壓參數(shù)，而忽略了含水率指標。

鐵路上采用《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB10102)的要求進行擊實，根據(jù)室內(nèi)標準擊實試驗，試驗土樣在標準擊實功作用下，土樣干密度隨著含水率增大而增大，經(jīng)過一個峰值點后，干密度隨著含水率增大而減小，干密度-含水率曲線圖總體呈現(xiàn)出拋物線趨勢。

試驗結(jié)果表明，在擊實曲線中存在一個峰值點(即最佳含水率)最佳含水率，此時對應(yīng)的土樣空隙最小、最密實，即是最大干密度，此時是理論上填料能達到最佳壓實狀態(tài)。

圖1 填料擊實曲線圖

因此，填料含水率是影響壓實質(zhì)量的重要因素，現(xiàn)場壓實控制時主要圍繞含水率是否處于最佳含水率范圍開展工作。

四、含水率控制范圍研究

在現(xiàn)場施工過程中，現(xiàn)場填料的天然含水率與室內(nèi)最佳含水率往往差別較大，所以路基現(xiàn)場填筑前最重要的一個環(huán)節(jié)就是填料含水率檢測控制，湖南地區(qū)處于高降雨量地區(qū)，每年平均有兩個持續(xù)時間較長雨季，填料的天然含水率較北方普遍偏大，針對這種情況，在填料攤鋪碾壓前應(yīng)進行晾曬，對天然含水率較小的情況，進行灑水增加含水率后碾壓。

至于含水率控制在最佳含水率附近哪個范圍合適，《鐵路路基工程施工質(zhì)量驗收標準》(TB10414)中要求施工含水量應(yīng)控制在最優(yōu)含水量的-3%～+2%范圍以內(nèi)。而在實際施工過程中，要控制在此范圍要求是極其困難的，特別是對本工程所在地區(qū)，填料含水普標偏高且填料含水量變化很大。如若照本宣科，必然會對工期及施工成本造成很大影響。

針對此課題，我們在現(xiàn)場根據(jù)工程情況選取了DK1536+600、DK1547+600段兩段路基作為填料含水率控制范圍試驗段，首先通過室內(nèi)標準試驗對常見的幾種填料進行對比分析理論范圍。

對比試驗采用所在項目現(xiàn)場取土5種有代表性的填料，其中A 組填料兩種：級配好的含土細圓礫，級配好的含土細角礫。B組料兩種：級配不好的粗角礫，級配不好的細角礫。C組料一種：低液限粉質(zhì)黏土。填料劃分標準參照《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》TB10001-2005，室內(nèi)對比試驗采用標準擊實試驗。

表1 不同填料標準擊實試驗數(shù)據(jù)對比

干密度g/c m3 2.04 2.15 2.20 2.17 2.10 4.5 6.5 8.4 10.5 12.5 B組(級配不好的細角礫)含水率%4顆粒密度g/c m3 2.70孔隙率%24 20 19 20 22干密度g/c m3 1.67 1.72 1.75 1.71 1.61 8.4 10.4 12.3 14.7 16.4 C組(低液限粉質(zhì)粘土)含水率%5最大干密度g/c m3 1.75壓實系數(shù)K 0.95 0.98 1.00 0.98 0.92

表2 正線基床表層壓實標準

表3 正線基床底層壓實標準

通過室內(nèi)標準擊實試驗檢測數(shù)據(jù)對比(表1)發(fā)現(xiàn)，不同填料含水率與干密度的影響程度各不相同，但5種代表性土樣經(jīng)標準擊實功在最優(yōu)含水率+4%～-4%范圍內(nèi)，推算孔隙率、壓實系數(shù)K都能滿足設(shè)計指標。另外從表中發(fā)現(xiàn)存在規(guī)律，含水率小于最優(yōu)含水率時，干密度較含水率大于最優(yōu)含水率時的干密度變化更大，即在擊實曲線上，左側(cè)曲線比右側(cè)更陡。在此基礎(chǔ)上大膽推測，+4%～-4%的范圍也適用于現(xiàn)場含水率控制，甚至范圍更大。

現(xiàn)場DK1536+600、DK1547+600兩段路基均采用靜壓1次+弱振1次+強振4次+弱振1次+靜壓1次的壓實組合，保證壓實功率相同，對用于機床以下路堤、基床底層、基床表層的壓實情況分別進行檢測，其中基床底層表層采用孔隙率加K30雙指標控制，基床以下路堤采取壓實系數(shù)K控制。

表4 現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)表

干密度g/c m3 1.59；1.61；1.63 1.66；1.68；1.67 1.70；1.68；1.71 1.65；1.61；1.63 1.65；1.62；1.60基床以下路堤C組(低液限粉質(zhì)黏土)含水率%7.1；7.8；8.5 9.2；9.3；10.5 11.4；12.1；13.3 13.7；14.6；15.2 15.8；16.3；17.5壓實系數(shù)K 0.91；0.92；0.93 0.95；0.96；0.95 0.97；0.96；0.98 0.94；0.92；0.93 0.94；0.93；0.91

通過對比表4現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)對比歸納，對該5種填料在最佳含水率+4%～-4%的范圍內(nèi)通過規(guī)范的壓實工藝，實體各項指標都可以滿足設(shè)計要求。其中對于基床底層，基床以下路堤，設(shè)計要求較表層更低，含水率范圍可擴大至+5%～-5%范圍進行控制，原因主要是隨著時間推移，現(xiàn)今硬件水平，管理水平較之前有很大提升，路基現(xiàn)場填筑機械壓實功率更大，現(xiàn)場填筑工藝更先進，所以對于含水率范圍有更大的緩沖余地。

在路基填筑過程中，雖經(jīng)驗證可放大含水率范圍，但必須嚴格控制路基填筑工藝流程，結(jié)合路基試驗段的工藝成果，碾壓次數(shù)必須嚴格落實。

對于填料含水率超過+5%～-5%范圍的情況，應(yīng)有相應(yīng)處理措施，灑水或晾曬，另外注意運輸時，填筑的時間分配，也可保證含水率能夠滿足壓實需求。

五、結(jié)論

通過實際檢測對比，含水率是路基壓實過程中一項重要指標，在現(xiàn)場施工時，必須對該項指標進行全過程監(jiān)控，鑒于目前鐵路驗收標準提出的含水率范圍+2%～-3%可以做適當放寬，其中對基床表層填料含水率控制在+4%～-4%范圍內(nèi)，對基床底層和基床以下路堤控制在+5%～-5%范圍，輔以嚴格的路基壓實工藝，保證足夠的壓實功，這樣既能保證各項指標符合設(shè)計要求，同時減少經(jīng)濟成本，增加效益，更切合節(jié)能減排的大趨勢。