城際鐵路黃土填料路基振碾特性及水穩(wěn)定性

蔣應(yīng)軍， 張偉*， 喬懷玉， 張智杰

(1.長安大學(xué)， 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室， 西安 710064； 2.陜西省鐵路集團公司， 西安 710199； 3.陜西西法(北線)城際鐵路有限公司， 西安 710065)

黃土廣泛分布在中國西北、東北、華中和華東部分地區(qū)，在鐵路工程建設(shè)中，不可避免的涉及黃土作為路基填料的問題，而黃土路基壓實質(zhì)量直接影響路基的強度和穩(wěn)定性[1-7]。隨著中國機械制造水平的發(fā)展，振動壓路機的噸位從20世紀(jì)80年代的10～12 t，逐步發(fā)展到如今的22～26 t，甚至出現(xiàn)了39 t的超大噸位振動壓路機。而現(xiàn)行鐵路規(guī)范，所遵循的依然是20世紀(jì)80年代小噸位振動壓路機的工程經(jīng)驗，并沒有充分考慮發(fā)揮現(xiàn)有20 t以上振動壓路機的工作潛能。城際鐵路路基要承受列車荷載及各種自然因素的作用。水是影響路基性能、誘發(fā)路基病害主要因素之一，地表水、地下水的滲入，將降低路基土強度，造成路基承載能力和穩(wěn)定性不足。為充分利用現(xiàn)有壓實設(shè)備，更好控制路基壓實質(zhì)量，提高路基水穩(wěn)定性。研究黃土路基振碾特性及水對壓實黃土穩(wěn)定性的影響具有工程實際意義。對于黃土填料路基，國內(nèi)學(xué)者主要從黃土路基振碾特性、壓實技術(shù)和機理等方面進(jìn)行研究[8-16]。郝靜等[8]依托豐淮線重載鐵路項目，研究了壓實厚度為25～30 cm時，弱中濕陷性黃土在12 t振動壓路機下的振碾特性，確定了黃土填料基床在不同壓實質(zhì)量要求下的最優(yōu)振動碾壓遍數(shù)；彭卿等[9]研究了松鋪厚度為28 cm時，濕陷性黃土在18 t羊角碾振動壓路機和17 t光輪振動壓路機下的振碾特性，確定了黃土路基最優(yōu)碾壓遍數(shù)。文獻(xiàn)[10-12]依托鄭西客運專線項目，研究了不同松鋪厚度黃土填料在不同振動壓路機下的壓實效果，確定了黃土路基的最優(yōu)碾壓方式為：松鋪厚度20 cm，振動壓路機靜壓1遍，“弱振”1遍，靜壓3遍；松鋪厚度30 cm，振動壓路機靜壓1遍，“弱振”2遍，靜壓3遍。文獻(xiàn)[13-16]通過黃土路基室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ?，采用壓?yīng)力評價壓實效果，研究了振幅、振動頻率、碾壓速度、黃土松鋪厚度、碾壓遍數(shù)等與壓實效果的關(guān)系，提出了針對不同松鋪厚度的適宜碾壓遍數(shù)推薦值及黃土填料路基壓實工藝控制參數(shù)。李耀國等[17]通過室內(nèi)擊實試驗和現(xiàn)場試驗，分析了含水量、灰劑量和壓實功對不同類型路基土體壓實干密度的影響，發(fā)現(xiàn)壓實工藝、含水量、灰劑量、松鋪厚度等均可影響土體的壓實度。袁亮等[18]通過室內(nèi)崩解試驗，分析了不同地區(qū)黃土的崩解形態(tài)、崩解時間、崩解程度等,發(fā)現(xiàn)造成黃土崩解性差異的主要因素有顆粒級配、含水率、礦物成分等。

以上研究無疑推動了黃土填料路基工程技術(shù)的發(fā)展，隨著技術(shù)水平的飛速發(fā)展，施工條件與施工水平早已極大提升。為充分利用現(xiàn)有壓實設(shè)備，提高路基壓實質(zhì)量和施工效率，有必要進(jìn)一步對黃土填料路基的振碾特性進(jìn)行研究；壓實后黃土路基的水穩(wěn)定性與黃土填料路基壓實系數(shù)的關(guān)系鮮有報道。鑒于此，依托陜西新建城際鐵路西安至法門寺北線項目，從黃土填料路基的振碾特性入手，通過填筑工藝試驗，研究現(xiàn)有機械水平下的黃土填料路基最優(yōu)碾壓方式、最大可壓實水平和最大可壓實厚度，同時查明含水率對黃土填料路基振碾特性的影響，最后測試不同壓實系數(shù)下黃土路基的水穩(wěn)定性。為黃土路基填料的工程應(yīng)用及施工質(zhì)量控制提供依據(jù)。

1 研究方案

1.1 黃土物理特性

表1 黃土填料基本物理性質(zhì)

重型擊實試驗確定該黃土填料最佳含水率為14%、最大干密度為1.894 g/cm3。

1.2 試驗方案

1.2.1 黃土填料路基振碾特性

(1)碾壓方式的影響。為分析不同碾壓方式對黃土填料路基振碾特性的影響，提出最優(yōu)碾壓方式。擬采用柳工22 t單鋼輪振動壓路機的兩種碾壓方式研究不同碾壓方式對黃土路基壓實效果的影響，具體方案見圖1，其中方案A為傳統(tǒng)碾壓方式，方案B為改進(jìn)碾壓方式。試驗段路基的松鋪厚度為35 cm，現(xiàn)場含水率控制在最佳含水率即14%。

圖1 碾壓方式方案

(2)松鋪厚度的影響。結(jié)合現(xiàn)場路基試驗段實際壓實水平，探討松鋪厚度對最大可壓實水平及厚度的影響。黃土填料的松鋪厚度擬采用30、35、40 cm。含水率控制在最佳含水率即14%。壓實機械為22 t振動壓路機。

(3)含水率的影響。考慮壓路機振動壓實過程中，黃土填料中水的特性，分析含水率對黃土填料路基壓實系數(shù)的影響。擬確定的黃土填料含水率為12%、14%(最佳含水率)、16%、18%(天然含水率)。路基松鋪厚度為35 cm，壓實機械為22 t振動壓路機。

壓實系數(shù)檢測如圖2所示，灌砂法測試壓實系數(shù)周期長、效率低。

圖2 灌砂法全厚度壓實系數(shù)檢測

為了提高效率，研究過程中除了采用灌砂法測試壓實系數(shù)之外，還引入碾壓后被壓材料表面變形值的方法，對壓實質(zhì)量進(jìn)行預(yù)評估，如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場標(biāo)高測量

1.2.2 壓實黃土水穩(wěn)定性研究——壓實黃土崩解試驗

試驗采用濕化崩解儀進(jìn)行試驗研究，試驗裝置如圖4所示。通過測定試驗過程中試樣重量的變化情況來分析黃土試樣的濕化崩解特性，如圖5所示。

壓實黃土的濕化崩解特性可以采用崩解時間、崩解量與崩解速率等指標(biāo)來評價。崩解量、崩解速率計算公式為

(1)

(2)

式中：At為試樣在t時刻的崩解量，%，精確至0.01；m0、mt為分別指試驗前、浸水t(min)時試樣質(zhì)量，g；Vt為試樣在ti～ti+1時間段內(nèi)平均崩解速率，%/min；Ati、Ati+1為分別指試樣在ti、ti+1時刻的崩解量，%。

2 城際鐵路黃土填料路基振碾特性

2.1 最優(yōu)碾壓方式

碾壓遍數(shù)與路基表面變形代表值、壓實系數(shù)K代表值之間關(guān)系分別如圖6和圖7所示。

圖6 碾壓遍數(shù)與測點變形值之間的關(guān)系

圖7 不同碾壓方式下碾壓遍數(shù)與壓實系數(shù)之間的關(guān)系

由圖6和圖7可知：

(1)方案A的碾壓結(jié)果表明，22 t單鋼輪振動壓路機靜壓1遍、弱振2遍后路基變形量為33.7 mm，壓實系數(shù)可達(dá)0.862；繼續(xù)碾壓，強振6遍后，路基變形量達(dá)53.3 mm，標(biāo)高基本不再變化，壓實系數(shù)可達(dá)0.906左右；此時繼續(xù)碾壓，路基測點變形值及壓實系數(shù)不會有明顯變化。

(2)方案B的碾壓結(jié)果表明，22 t單鋼輪振動壓路機靜壓1遍、強振8遍后路基變形量為65.3 mm，壓實系數(shù)可達(dá)0.950，此時繼續(xù)碾壓，路基測點變形值及壓實系數(shù)不會有明顯變化。

因此，碾壓遍數(shù)相同時，黃土路基最佳含水率下，松鋪厚度為35 cm時，方案B比方案A可取得更好的壓實效果，可提高壓實系數(shù)絕對值0.044。因此，方案B是最優(yōu)碾壓方式，即靜壓1遍+強振8遍+靜壓收面1～2遍。

2.2 最大可壓實水平與最大可壓實厚度

2.2.1 最大可壓實水平

按方案B的碾壓方式，22 t振動壓路機不同松鋪厚度下碾壓遍數(shù)與壓實系數(shù)的關(guān)系如圖8所示。

由圖8可知：

圖8 不同松鋪厚度下碾壓遍數(shù)與壓實系數(shù)的關(guān)系

(1)壓實系數(shù)并不會隨著碾壓遍數(shù)的增加而無限制的增長。不同松鋪厚度下，22 t振動壓路機的碾壓遍數(shù)存在一個閾值，此時，壓實效果達(dá)到最佳。當(dāng)碾壓遍數(shù)超過此閾值對應(yīng)的碾壓遍數(shù)時，壓實系數(shù)不會增大。

(2)當(dāng)路基實際松鋪厚度分別為32.4、36.8、41.2 cm時，22 t振動壓路機采用最優(yōu)碾壓方式，即靜壓1遍，強振6～8遍，靜壓收面1～2遍后，其壓實系數(shù)基本保持不變，壓實厚度分別為25.4、30.3、33.6 cm，可達(dá)到的最大可壓實水平分別為0.956、0.953、0.913。

2.2.2 最大可壓實厚度

為更好確定最大可壓實厚度，分別建立松鋪厚度與最大壓實系數(shù)和壓實厚度之間的關(guān)系如圖9與圖10所示。

圖9 實際松鋪厚度與壓實系數(shù)的關(guān)系

圖10 實際松鋪厚度與壓實厚度的關(guān)系

由圖9可知，基床底層規(guī)范要求壓實系數(shù)對應(yīng)的松鋪厚度為37.2 cm，從圖10可知此時的壓實厚度為30 cm；基床底層以下路堤規(guī)范要求壓實系數(shù)對應(yīng)的松鋪厚度為42.6 cm，此時的壓實厚度為35 cm，因此基床底層施工時，推薦最大可壓實厚度為30 cm?；驳讓右韵侣返淌┕r，推薦最大可壓實厚度為35 cm。

隨著壓實厚度的增加，黃土填料路基對應(yīng)的最大可壓實水平逐漸減少，但沒有明顯規(guī)律。出現(xiàn)這種情況的原因與壓實系數(shù)檢測方法有關(guān)?！惰F路工程土工試驗規(guī)程》TB 10102—2010規(guī)定使用灌砂法檢測壓實系數(shù)時，對于填料最大粒徑≤5 mm的路基，試坑尺寸為Φ150 mm×h200 mm[19]。而本次試驗灌砂法試坑的深度為路基壓實后的實際厚度。壓路機的壓實功效一定的情況下，壓實層表層的壓實系數(shù)要大于壓實層底層的壓實系數(shù)。壓實厚度越大，表層與底層壓實系數(shù)的差距也就越明顯，平均壓實系數(shù)的變化也就越大。

2.3 含水率對路基振碾特性的影響

黃土填料的含水率對路基的壓實效果有不容忽視的影響，為了使路基達(dá)到最佳的壓實狀態(tài)，需對黃土填料的含水率進(jìn)行控制。圖11為黃土填料含水率ω與壓實系數(shù)K關(guān)系曲線圖。

圖11 含水率與壓實系數(shù)關(guān)系曲線

由圖11可知：

(1)黃土填料的振動壓實系數(shù)隨含水量的增加而增加，達(dá)到峰值后，壓實系數(shù)隨含水量的增加而減小。黃土填料的含水率與壓實系數(shù)存在較好的二次函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.966。

(2)根據(jù)規(guī)范要求，基床底層壓實系數(shù)K≥0.95，由圖11知，當(dāng)黃土填料含水率在12%～14%時，黃土填料路基可以取得較好的壓實效果。根據(jù)擬合公式K=-0.004ω2+0.10ω+0.29，當(dāng)黃土填料含水率在13%附近時，即施工含水率≈最佳含水率(重型擊實試驗方法)-1%時，黃土路基壓實效果最好。

(3)當(dāng)施工含水率≥最佳含水率(重型擊實試驗方法)+2%時，路基所能達(dá)到的最大可壓實水平急劇降低。

3 路基水穩(wěn)定性試驗—— 壓實黃土崩解試驗

考慮到出現(xiàn)積水坍塌、濕化現(xiàn)象主要是由于黃土的崩解特性造成的。因此，對黃土的崩解特性進(jìn)行研究。不同壓實系數(shù)下施工現(xiàn)場所取黃土路基試件的崩解速率、崩解量與崩解時間的關(guān)系如圖12和圖13所示。

圖12 崩解速率與時間的關(guān)系

圖13 崩解量與時間的關(guān)系圖

由圖12和圖13可看出：

(1)隨時間延長，試件崩解速率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。崩解初期，非飽和狀態(tài)黃土試件基質(zhì)吸力較大，試件內(nèi)部孔隙未被水分充滿，外界水分快速侵入試件內(nèi)部而擠出氣體，此過程中試件整體結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生明顯破壞，僅表層發(fā)生輕微崩解并溢出少量氣泡，崩解速率較為緩慢；崩解中期，因為試件表層逐漸的剝落，外界水分進(jìn)一步滲入試件內(nèi)部，逐漸出現(xiàn)試件內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象，加速試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致試件發(fā)生坍塌式崩解，崩解速率也隨之驟然增大；崩解后期，試件大部已坍塌破壞，僅有少量殘余，崩解速率也隨之漸緩，淤泥狀滑落成為此階段試件崩解的主要形式。

(2)隨試件壓實系數(shù)增大，試件內(nèi)黃土顆粒排列更為密實、孔隙率相應(yīng)減小、可滲透性降低，致使試件崩解速率極值降低、完全崩解時間延遲?？梢?，提高壓實系數(shù)可有效提升黃土的耐崩解性，從而改善黃土路基水穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

對城際鐵路黃土填料路基的振碾特性及壓實后的水穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，研究結(jié)論如下。

(1)研究了振動壓路機的最優(yōu)碾壓方式。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的碾壓方式相比，振動壓路機采用靜壓1遍，強振6～8遍，靜壓收面1～2遍的碾壓方式可以取得較好的壓實效果。

(2)研究了黃土填料路基的最大可壓實水平與最大可壓實厚度。結(jié)果表明：使用22 t振動壓路機，在黃土填料最佳含水率下：當(dāng)松鋪厚度分別為30、35、40 cm時，振動壓路機靜壓1遍，強振6～8遍，黃土填料路基可達(dá)到的最大可壓實水平分別為0.957、0.953、0.913；填筑路基基床底層時最大可壓實厚度為30 cm(松鋪厚度35 cm)、路基基床底層以下路堤時最大可壓實厚度為35 cm(松鋪厚度40 cm)

(3)研究了黃土填料的含水率對路基的振碾特性的影響。結(jié)果表明：當(dāng)黃土填料含水率處于12%～14%時，黃土填料路基可以取得較好的壓實效果，施工含水率≈最佳含水率(重型擊實試驗方法)-1%時，黃土路基壓實效果最好，施工含水率≥最佳含水率(重型擊實試驗方法)+2%時，黃土路基不易壓實。

(4)研究了不同壓實系數(shù)下黃土路基的水穩(wěn)定性。隨試件壓實系數(shù)增大，黃土路基更為密實、孔隙率相應(yīng)減小、可滲透性降低，施工現(xiàn)場所取試件的崩解速率極值降低、完全崩解時間延遲?？梢?，提高壓實系數(shù)可有效提升黃土的耐崩解性，從而改善黃土路基水穩(wěn)定性。