客运专线水泥改良黄土填料填筑压实工艺研究

马学宁

(兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070)

1 概述

郑西客运专线是我国首批开工建设的高标准客运专线之一,设计时速为350 km,全线铺设无砟轨道,相关技术标准极为严格,尤其是对工后沉降的标准特别严格。然而郑西客运专线大部分处于低山丘陵区的黄土地段,路基工程要满足工后沉降不大于15 mm的要求,因此地基处理技术、路基填筑压实工艺以及相关质量控制指标的建立显得尤为重要。《高速铁路设计规范》[1]要求基床底层填料必须使用A、B组填料或改良土,但是,沿线合格的路基填料很少,唯一既经济又合理的途径就是对黄土填料进行改良,使其满足路基填筑的要求[2～4]。

比较好的方法之一就是采用水泥改良黄土路基填料,但是水泥与黄土掺和后会不断反应,使混合料的含水量、密度、强度等物理力学指标均随时间发生变化,路基填料控制指标的值在施工过程中也随着变化,因此,改良后填料合理的施工工艺决定着水泥改良黄土路基最终的质量。为此,结合郑西线河南灵宝某试验段工程,开展水泥改良黄土现场填筑压实试验,对水泥改良黄土填料的路用性能进行研究,可为类似工程提供参考。

2 试验准备

试验所用黄土取自郑西(郑州—西安)客运专线某工点的黄土,物理性质指标如表1所示,土体呈黄色发白,土体疏松且具有大孔隙,原状黄土的压缩系数在0.799～0.925 MPa-1间变化,属高压缩性土；水稳性较差,原状土饱和无侧限抗压强度一般为15.1～23.2 kPa,与天然状态相比,其强度值降低了70%左右；该黄土的耐水浸泡性能比较差,在静水中4 min左右出现明显破坏,不能满足工程使用要求。

针对不同掺和比的水泥改良黄土进行室内试验,根据试验结果,选取6%水泥掺和比为施工掺和比[5,6],其室内试验测得的各项物性指标见表2。

表1 黄土的物理性质指标

表2 6%水泥改良黄土各项物理力学指标

3 现场填筑试验

3.1 最大干密度和最优含水率

最大干密度和最优含水量的大小是影响压实效果的重要因素,由于水泥改良土最大干密度具有延时衰减特性,在保证填筑压实质量的前提下,应采取延长水泥改良土初凝时间的措施。所以填筑之前对6%的水泥改良黄土进行了重型击实试验,即将拌和料分别延迟1、2、3、4、5、6 h再进行重型击实试验,试验结果如图1和表3所示。从图1、表3可以看出,水泥改良黄土的最大干密度随着击实时间的延长逐渐减小,重型击实1 h时最高为1.94 g/cm3,到6 h已经降为1.865 g/cm3；水泥改良黄土的最优含水率随着击实时间的延长逐渐增大,重型击实1 h时最低为10.4%,到6 h已经增加到11.8%；其主要原因可能为,黄土中掺入水泥后,随着水化作用的进行,颗粒的粗化程度越来越高,土体的孔隙率n逐渐增大,当击实试验能够破坏水化反应所形成的水泥土骨架时,最大干密度降低；随着水化反应的逐步深入,水化物与土颗粒相互连结变为致密的空间网状结构,击实试验已不能破坏其结构,最大干密度开始升高。而随着水化作用的逐步发展,需要更多的水参与反应,因此最优含水率随击实延时而增大。

图1 最大干密度与击实时间关系

延迟时间/h最大干密度/(g·cm-3)最优含水率/%119401062192411231910119418951215187012461865125

由于文献[7]规定的击实时间(<1 h)与文献[8]规定的现场填筑到碾压完成所用时间(<5 h)相差较大,因此,用拌和后立即进行击实试验得到的较高最大干密度去评判延迟压实后检测得到的干密度,会存在较大误差,甚至会出现质量较好的路基达不到规范要求的压实标准的情况。所以,在施工现场,水泥改良黄土经过厂拌后,根据水泥初、终凝时间，拌和站能力及运输、摊铺、碾压能力,选取3 h击实的最大干密度和最优含水率作为压实技术参数,即最大干密度为1.91 g/cm3,最优含水率为11.9%。

3.2 松铺系数

松铺系数的大小对压实质量及功效都有很大的影响。现场选取松铺厚度分别为15、23、33 cm进行试验,压实检测满足要求后,观测摊铺前后的高程变化,试验结果如表4所示。由表4可知,水泥改良黄土填料的松铺系数取1.1～1.2时可取得较好的压实效果。

表4 松铺系数

3.3 压实工艺

通过现场试验发现,水泥改良黄土填料碾压方式不适合强振,强振后,由于振动而产生冲击荷载,使得碾滚对填土的压应力增大,因而导致碾滚对填土的压应力大于填土的极限强度,使得表面10～20 cm范围内的土体发生剪切破坏现象,而后再碾压表面就会出现起皮,横向裂纹等现象,压实效果不好,现场测得压实度为0.86～0.94。单靠静压也达不到压实度大于0.95的要求,最终经过现场多次碾压试验,宜采用静压和弱振相结合的碾压方法(先静压1遍,基本稳定土体和压实表层；弱振1～2遍,保证深层土体压实；继续静压2～3遍,压实弱振时被破坏的表层土体,并使之平整、光洁)。

碾压时,为消除碾压形成的鼓包,压路机沿纵向碾压,第一轮与第二轮重叠1/4轮,并且压路机碾滚必须超过接缝处,确保压实均匀,做到不漏压、无死角。

碾压速度应先慢后快,最大速度不超过3.5 km/h,以免混合料被推走,前2遍的碾压速度采用2 km/h,第3、4遍的碾压速度采用2.5 km/h,第5至第7遍的碾压速度可采用3 km/h。

3.4 压实质量检测及分析

3.4.1 压实度指标分析

《高速铁路设计规范》[1]规定,改良土填筑路基基床底层要求压实系数K≥0.95,为获得可靠、快捷的改良土压实度检测方法,结合郑西客运专线现场实际情况,在相同碾压条件下,采用灌砂法和环刀法同时测点其压实度,2种方法检测结果相关性曲线如图2所示。通过回归分析,灌砂法与环刀法检测值相关系数为0.90,标准差0.018,相关方程为ρ灌=0.647ρ环+0.645,说明2种方法的测试结果具有良好的线性相关性。相比较而言,环刀法仅能测定小体积范围内的压实质量,与实际土体存在一定的差异,离散性较大,而灌砂法检测更具代表性,在检测效率方面,环刀法测试时间相对灌砂法少得多。因此,在现场时间允许的条件下,采用灌砂法检测填料压实度更为合理。

图2 灌砂法与环刀法干密度相关曲线

3.4.2 力学指标的相关性

《高速铁路设计规范》[1]规定无砟轨道路基基床底层及以下采用K30或Ev2和Evd控制。K30和Ev2理论上都是通过现场静态平板载荷试验获得的,反映荷载作用下土体抵抗变形能力的刚度参数。但是,二者在定义、加载方式、等级和分析方法上有所不同。K30是取第一次加载的σ-s曲线上s为1.25 mm所对应的应力σ除以1.25得到的；Ev2是根据卸载后第二次加载σ-s曲线上0.3σmax和0.7σmax之间的位移割线斜率来确定的。Evd是一种快速评价动态变形模量的方法,通过落锤施加冲击荷载产生的动应力和沉陷测点路基填土抵抗动荷载的能力,可反映列车高速运行时产生的动应力对路基的真实作用情况[9-10]。

(1)各强度指标统计分析(表5)

表5 各强度指标统计分析

表5给出了测试结果的统计值,可以看出,各强度指标都远远大于了规范值,其中K30的平均值为200.6 MPa/m,高于规范要求值82.4%；Evd的平均值为51.4 MPa,高于规范要求值46.9%；Ev2的平均值为80.9 MPa,高于规范要求值34.8%。但同时也可以看出,由于检测时间以及土体离散性较大的原因,强度检测指标值离散性也较大,K30、Evd、Ev2统计的标准差和变异系数都较大。郑西客运专线当地气候日温高风大,水泥初终凝间隔时间1 h左右,改良土失水快,土体表层强度上升快,形成硬壳,当水泥终凝后,检测的K30值大部分大于256 MPa/m,因此建议碾压完成后必须在1～2 h内完成检测K30指标。Evd尽管预先施加3次冲击荷载,但由于反弹很难保证载荷板同地面的结合像静载那样良好,导致Evd值离散性大,测试的沉降在很大程度上受界面的影响。

(2)K30和Evd的相关关系(图3)

图3 K30和Evd相关关系

根据测试的数据回归分析得出K30=45.5+2.217Evd,相关系数为0.75,标准差为28.48,可见K30和Evd的相关关系不是很好。

(3)K30和Ev2相关关系(图4)

根据测试的数据回归分析得出K30=61.2+1.27Ev2,相关系数为0.29,标准差为40.18,可见K30和Ev2的相关性非常差,二者没有明显的相关关系。前面已经介绍过K30和Ev2的概念,由于K30和Ev2的基本概念、物理意义、检测方法和计算方法均不相同,所以,他们之间没有一一对应的、完全定量的相关关系,故无法互相替代。

图4 K30和Ev2相关关系

从上面的分析可以得出,对于压实良好的填土,由于Ev2测试时,载荷板同土的耦合非常好,而第一次加载对填土本身状态的影响小,更能反映填土自身的特征,且该参数为土体自身的特征参数,用于设计计算和理论分析较好。K30用于水泥改良土填筑的路基检测时,由于水泥水化后,表面强度会很大,K30值测出来会很大,Evd由于受接触界面的影响较大,并不是真正意义上的动态变形模量,用于设计计算和理论分析较差一些,但其测试方便、快捷,有利于增加测点个数,以消除土的离散性的影响,适合于质量监控。

由于实际试验结果与土体粒径、土体性质和状态及土体的含水量有直接关系,因此在借鉴国外的规范和方法时,要理解各参数的真正意义,明确试验条件和试验标定方法,进行系统完整的对比分析,从而消化吸收国外的先进经验。

4 结论

通过对试验段工程水泥改良黄土路基填料碾压试验结果分析,得出如下结论：

(1)水泥改良黄土最大干密度随击实时间的延迟逐渐减小,最后趋于稳定,即具有一定的时效性,结合现场水泥初、终凝时间、拌和站能力及运输、摊铺、碾压能力,选取3 h击实的最大干密度和最优含水率作为压实技术参数；

(2)现场采用20 t振动压路机,对试验段工点水泥改良黄土进行碾压,最佳碾压工艺为：静压1遍,弱振1～2遍,继续静压2～3遍；松铺系数取1.1～1.2可取得较好的压实效果；

(3)通过对压实指标相关性分析可知：受填料级配、含水量、检测时天气状况等影响,各检测指标间相关性一般。建议现场检测时,压实度检测采用灌砂法,强度检测(K30、Ev2、Evd)的3种方式不能相互替代,必须在碾压完成后及时检测。

[1] 中华人民共和国行业标准编写组.TB10020—2009 高速铁路设计规范(试行)[S].北京:中国铁道出版社,2010．

[2] 马学宁，等.高速客运专线路基改良填料的试验研究[J].铁道学报，2005(5):19-24.

[3] 杨广庆等.铁路客运专线路基施工技术[M].北京:中国铁道出版社，2006.

[4] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2007]47号 新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定(上、下)[Z].北京:中国铁道出版社,2007.

[5] 马学宁,梁 波.水泥改良黄土力学特性试验研究[J].岩土工程技术,2005(5):241-244.

[6] 铁道第二勘察设计院.郑西高速客运专线填料改良及地基处理工程试验研究阶段报告[R].兰州:兰州交通大学,2004.

[7] 中华人民共和国铁道部.TB10102—2004 铁路工程土工试验规程[S].北京:中国铁道出版社,2004.

[8] 中华人民共和国铁道部.TB10202—2002/J161—2002 铁路路基施工规范[S].北京:中国铁道出版社,2002.

[9] 李怒放.客运专线无砟轨道路基压实标准K30及Ev2的探讨[J].铁道标准设计，2006(2):1-3.

[10] 王从贵.动态变形模量Evd与地基系数K30的相关性研究[J].路基工程，2004(2):4-7.