路基填料试验数据的相关性浅析

张 文

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

铁路路基是铁路的重要结构之一,路基填料的优劣直接影响到整个路基的填筑质量,所以路基填料试验一直是铁路工程试验的重要组成部分。随着近几年铁路的高速发展,路基填料试验量也在成倍的增加,积累了上千组路基填料试验数据,对这些试验数据进行筛选分析正是一个积累经验,掌握规律的过程。

按《铁路工程岩土分类标准》(TB10077—2001)和《铁路工程地质勘查规范》(TB10012—2001)的规定,路基填料分 A、B、C、D、E等五类填料,其中D类是强风化软块石和高液限土、E类是有机土,都会给路基带来直接的危害,是不合格填料。而A、B类填料是铁路路基的较好填料,一般客运专线都明确规定路堤填料为A、B类填料。而A、B类填料本身的又有级配差别,不均匀系数Cu≥5和曲率系数Cc=1～3作为判断级配良好标准,级配良好的为A类,级配不好为B类。所以,工程填料更是首选A类土。由此可见颗粒级配对工程填料的性质有很重要的影响。而实际工程中,使用的工程填料大量是C类土,C类土包括砂类土和黏性土。

该类土的级配主要由砂粒、粉粒、黏粒组成,大于0.075 mm的为砂粒、0.075～0.005 mm之间的为粉粒、小于0.005 mm的为黏粒。当＞0.075的砂粒超过总质量的50%时,填料定名为细砂或粉砂,当＞0.075的砂粒少于总质量的50%时,再根据土的液限WL和塑性指数IP,确定该土为高液限或低液限粉土、粉质黏土或黏土。

路基填料试验项目主要有:颗粒分析、液塑限、击实、夯后剪、无侧限强度试验。

以上这些试验项目之间应该存在一定的联系,下面分别给予阐述。

首先将历年所做过的填料试验结果汇总共计1 308组数据,利用 EXCEL表“筛选”、“统计”功能,对这些数据给予筛选统计。

1 液塑限

1.1 黏粒含量对液限的影响

液限是细粒土分类和细粒土塑性状态分类的界限指标。而黏粒含量(小于0.075 mm颗粒)的多少直接影响土的液限。

去除膨胀性的影响,根据填料的黏粒含量情况,找出液限的分布情况,从图表分布中可以直观的看到,随着黏粒含量的增加,液限的范围值在逐渐升高。

大致区间为黏粒含量小于18%时,土的液限范围如图1所示,集中在19%～30%。

黏粒含量在18%至30%时,土的液限范围如图2所示,集中在22%～40%。

黏粒含量在30%至60%时,土的液限范围如图3所示,集中在30%～50%。

图1 黏粒小于18黏粒与液限关系

图2 30＞黏粒＞18黏粒与液限关系

图3 60＞黏粒＞30黏粒与液限关系

1.2 液限与塑限的关系

'填料试验中,液限与塑限是必不可少的两个指标,二者又应该有着密切关系,将所有液限与塑限值进行比较处理(如图4所示),可以看到有线性相关的趋势,但相关性不好,相关系数只有0.7295。

但是,对不同地区的填料的液塑限值进行比较,就可以看到有良好的关系(如图5所示)。该组数据来自京沪线。

图4 全部液限与塑限关系

图5 不同地区液塑限关系

图6数据来自太中银线。

图6 不同地区液塑限关系

从图5样品序号为2-15的统计中可以看到有良好的线性关系,关系式为y=0.347 3x+7.652 7,相关系数为0.932 3。

从图6样品序号为181-192的统计中可以看到有良好的多项式关系,关系式为y=0.006 3 x2+0.018 3x+10.145,相关系数为0.926 7。

所以,对于不同地区的土液塑限分别加以总结,应该可以找到该地区液塑限的相关性。

2 填料的击实试验

颗粒级配对击实曲线的形状有直接的影响,路基填料击实曲线走向趋势一般均为抛物线形,但随着填料级配和黏粒含量的不同,抛物线线形会出现不同特征。

当填料为砂类土,即大于0.075 mm的含量超过50%且小于0.005 mm的黏粒含量小于5%时,填料对含水量变化不敏感,击实曲线宽而平缓。

当填料为黏性土时,即大于0.075 mm的含量小于50%,且小于0.005 mm的黏粒含量大于10%,随着黏粒增加,填料对含水量变化越来越敏感,击实曲线线形将随着黏粒含量增加而,越来越陡峭。

这里特别提出一种黏性土的级配和曲线形状,该种土大于0.075 mm砂粒的含量小于10%,而0.075～0.005 mm之间的粉粒占85%以上,小于0.005 mm的黏粒含量小于8%。虽然定名是黏性土,但由于黏粒含量较少,颗粒集中在粉粒区间,其线形表现与砂类土相近形状,但又有区别。三种类型击实曲线如图7所示。

图7 不同类型土击实线形

3 填料的剪力

3.1 颗粒级配对剪力的影响

黏粒含量的大小对土的各项指标都有影响。根据试验结果,黏粒含量高的土,无侧限抗压强度、黏聚力都较高,但对其内摩擦角影响较小。

首先,对砂类土进行了筛选。大于0.075 mm含量超过50%的砂类土。该类土砂粒含量大,黏粒含量一般为0.5%～20%之间,其变化对填料剪力影响比较明显。

当砂类土小于0.005 mm黏粒含量小于5%时,该类土的剪力范围如图8所示,集中在2～40 kPa之间。当黏粒含量大于5%时,剪力范围如图9所示,达到10～80 k Pa之间,剪力范围明显提高。

图8 砂类土黏粒小于5%黏粒与剪力关系

图9 黏粒大于5%黏粒与剪力关系

其次,对黏性土进行筛选,对于用于填料的黏性土,级配比较复杂,砂粒含量从0～40%,粉粒含量从30%～92%,黏粒含量从0～60%。但经过筛选还是有一定的规律。

当黏性土小于0.005 mm黏粒含量小于5%时,该类土的剪力范围如图10所示。

图10 粉黏土黏粒小于5%黏粒与剪力关系

剪力范围集中在5～20 kPa之间,比该种情况的砂类土范围低,原因是砂类土砂粒含量大与粉粒、黏粒相互填充,更能达到密实,会有更好的抗剪能力。而黏性土,当黏粒少时,颗粒集中在粉粒,级配单一,不易压实,抗剪能力较差。

当小于0.005 mm黏粒含量大于5%时,剪力的范围也在逐步提高。

18%＞黏粒＞8%且砂粒＜6%时,剪力范围为10～150 kPa(如图11所示)。

图11 18%＞黏粒＞8%砂粒＜6%剪力范围

黏粒＞18%且砂粒＜6%时,剪力范围为20～200 kPa(如图12所示)。

图12 黏粒＞18%砂粒 ＜6%剪力范围

特别说明一类级配,也是前面击实提到的一类粉类土,黏粒＜10%且砂粒＜6%,其剪力范围如图13所示。

该类土的特性为,颗粒集中在粉粒,表现出的特性与砂类土十分相近,剪力范围为2～40 kPa之间。

图13 黏粒＜10%砂粒＜6%剪力范围

3.2 试件密度为最大干密度的90%和95%的抗剪强度之间的线性关系

一般路基填料夯后剪试验,都要求同一种土提供最大干密度的90%和95%两种情况的抗剪强度,所以对所有做过的两种密度试验数据进行统计分析(如图14所示)。

图14 试件密度为90%～95%的剪力关系

从图14可以看到,两种密度的抗剪强度有良好的线性相关性,线性关系式为y=1.191 7x+5.599 1,相关系数为0.9351,而且基本不受级配及地区的影响。

4 无侧限抗压强度

4.1 颗粒级配对无侧限的影响

黏粒含量对无侧限的影响比对剪力的影响更为明显。

首先,还是对砂类土进行了筛选。由于该类土砂粒含量大,黏粒含量的变化对其剪力影响比较明显。

当小于0.005 mm黏粒含量小于5%时,其无侧限压力范围如图15所示。

当黏粒含量大于5%时,其无侧限压力范围如图16所示。

该类土的无侧限压力范围集中在 10～80 k Pa之间。

无侧限压力范围达到100～400 kPa之间,压力范围提高非常显著。

其次,对黏性土进行筛选:

图15 砂类土黏粒小于5%无侧限压力范围

图16 砂类土黏粒大于5%无侧限压力范围

同样,当小于0.005 mm黏粒含量小于5%时,其无侧限压力范围如图17所示。

图17 粉黏土黏粒小于5%无侧限压力范围

该类土的无侧限压力范围集中在10～70 kPa之间,与砂类土基本相似。

当小于0.005 mm黏粒含量大于5%时,无侧限压力的范围也在逐步提高。

18%＞黏粒＞8%且砂粒＜6%时如图18所示。

无侧限压力范围为40～600 kPa。

黏粒＞18%且砂粒＜6%时如图19所示。

无侧限压力范围为100～600 k Pa。

图18 18%＞黏粒＞8%砂粒 ＜6%无侧限范围

图19 黏粒＞18%砂粒＜6%无侧限压力范围

从以上数据可以看出,黏性土中随黏粒的增加,粉粒的减少,无侧限压力的底部在不断提高,但无侧限压力的最大值应在600 kPa左右。

4.2 试件密度为最大干密度的90%和95%时的无侧限抗压强度之间的线性关系

如图20所示。

图20 试件密度为90%～95%的无侧限压力关系

线性关系式为y=1.339 3+14.618,相关系数为0.933 7,线性关系良好,基本不受级配及地区的影响。

5 结论

(1)颗粒级配是填料试验的基础指标,对其他几项指标有明显的影响,其中黏粒含量的影响更为显著。

对液限的影响:黏粒含量小于18%时,土的液限范围是19%～30%。

黏粒含量在18%～30%时,土的液限范围为22%～40%。

黏粒含量在30%～60%时,土的液限范围为30%～50%。

对击实曲线的影响:击实线形将随着黏粒含量增加而越来越陡峭。

对剪力的影响:砂类土黏粒含量小于5%时,剪力范围集中在2～40 kPa之间。

砂类土黏粒含量大于5%时,剪力范围达到10～80 kPa之间。

黏性土黏粒含量小于5%时,剪力范围集中在5～20 kPa之间。

黏性土黏粒含量18%＞黏粒＞8%且砂粒＜6%时,剪力范围为10～150 kPa。

黏性土黏粒＞18%且砂粒＜6%时,剪力范围为20～200 kPa。

黏性土黏粒＜10%且砂粒＜6%时,剪力范围为2～40 k Pa与砂类土相似。

对无侧限强度的影响:

砂类土黏粒含量小于5%时无侧限压力范围集中在10～80 kPa之间。

砂类土黏粒含量大于5%时无侧限压力范围集中在100～400 kPa之间。

粉黏类土黏粒含量小于5%时无侧限压围集中在10～70 kPa之间,与砂类土基本相似。

18%＞黏粒＞8%且砂粒＜6%时无侧限压力范围为40～600 kPa。

黏粒＞18%且砂粒＜6%时无侧限压力范围为100～600 kPa。

粉黏类土无侧限压力的最大值应在600 k Pa左右。

(2)对于不同地区的填料液塑限分别加以总结,应该可以找到该地区填料的液塑限的相关性。

黄土地区填料关系式为y=0.006 3x2+0.018 3x+10.145,相关系数为0.926 7。

(3)对于最大干密度的90%和95%的试件,夯后剪的剪力、无侧限试验的强度都有良好的线性相关性。

夯后剪的剪力90%与95%试件关系为y=1.191 7x+5.599 1。

无侧限试验的90%与95%试件关系y=1.339 3+14.6183。

[1]TB10102—2004 铁路工程土工试验规程[S]

[2]TB10077—2001 铁路工程岩土分类标准[S]

[3]TB10012—2001 铁路工程地质勘察规范[S]

[4]陈仲颐,周景星,王洪瑾.土力学[M].北京:清华大学出版社,1994

[5]李文英.关于液限试验方法的讨论[J].工程勘察,2006(7):35-38

[6]李文英,顾宝和.谈谈塑性图及其在我国的应用问题[J].工程勘察,2006(2):42-45

[7]孙伟民,王宝成,张广禹,等.最小二乘法原理及Excel数据处理在土工试验中的应用[J].地下空间及工程学报,2005(12):1155-1156

[8]范孟华.应用最小二乘法和Excel图表法处理土工试验数据[J].路基工程,2006(6):66-67