新型路基处理方法的填料级配研究

陈勋 张麟 张雨 上海铁路局王少锋 同济大学

随着铁路提速和运量的日益增加，满足重载、高速是铁路运输对线路结构提出的要求。与此同时，许多线路病害对运输的影响也日渐突出，主要表现在线路翻浆冒泥、道床板结和线路几何形态变化大等方面。除了线路设备老化外，路基病害（见图1）是一个很重要的原因，又很难用一般的养修手段来解决。一旦出现路基病害，只有等待合适的时间进行病害彻底整治，有的地段甚至不得不长期慢行，严重影响运输秩序和运输能力。传统的整治方法已无法满足日益紧张的运输条件，因此必须开展新型的路基处理方法以及相关的回填填料的研究。

图1 路基翻浆冒泥的典型表现

1 新型路基处理方法

对于路基病害，多年来我国工务部门在此方面做出了很多努力，积累了一些经验。对于路基翻浆冒泥，整治路基面保护层是一种提高轨道路基承载能力的有效方法，基本上采用全断面处理，即挖取薄弱层和泥浆道砟，使用土工布封闭处理。但是传统的路基处理方式基本上靠人力作业，机械化程度低，作业质量较难保证；受施工天窗及作业场地限制，基床处理的深度有限，一般只能换填0.3 m左右；作业效率较低，人力成本越来越高；施工安全风险大，安全控制难度较大。

新型路基处理方法使用Plasser&Theurer公司研制的新型路基处理车，该车具有道砟回收、砂石回填起道功能。这种路基整治方法可以将原有的道床砂石清理出，一次工作过程最多可回填50 cm厚的路基保护层。它的特点在于在整治过程中可将回收的道砟材料破碎成相应的规格后再次用于路基保护层。这不仅显著降低材料消耗量，同时减少了材料费用和运输、供货费用。

该型号路基处理车是首次在中国使用，尚无可以借鉴的经验与文献，其国外各项施工方法以及相关参数无法适用于我国国内的运输条件以及天窗时间。其中，填料的质量是新型路基处理方法中的最为关键的一环，直接决定着施工质量的优劣，对于开通后的铁路运营安全与性能有着极大的影响。

2 路基基床表层的填料要求

填料的级配影响路基强度、刚度与使用寿命。最佳级配的填料具有较大密实度和路基承载力，能在长期承受机车的荷载和动力作用下仍能保持良好的性能与状态，并且透水性良好，大大降低路基翻浆冒泥等病害发生的频率，延长路基基床使用寿命。路基基床分为表层及底层，表层厚度为0.6 m，底层厚度为1.9 m，总厚度为2.5 m。新建线路的路基基床为分层填充并压实，因此比较容易达到规范的要求，而新型路基处理方法，由于采用的方法是一次性回填旧道砟与新料混合后的填料并夯实，国内各相关规范尚未有关于此类回填料级配的规定。因此必须研究回填料的合理级配，才能达到最佳效果。

根据国外此类路基处理方法中的成功经验，填料级配要求如下：(1)分级的颗粒混合物0/32，由粗砂和至少两种等级的砾石组成。(2)分级后的砾石必须清洗，但允许有相应的飞尘。粗砂必须清洗，使可以用水除洗的污泥类物质尽可能少。(3)至少有90%的破碎颗粒（各侧表面都破碎，圆颗粒的破碎表面部分至少占70%）。(4)颗粒尺寸分布，根据颗粒级配曲线，小于0.02 mm的部分最多为3%。其颗粒筛分表如表1所示。

表1 国外路基处理车的填料级配

而我国对新建铁路路基基床相关参数的要求，是其应符合TB10001-2005《铁路路基设计规范》（以下简称规范）的要求（见表 2）。

表2 《规范》对级配砂砾石的要求

3 新型路基处理方法的填料级配选用标准

填料中最大粒径越大，起骨架作用的粗集料相对较多，从获得填料的最大承载力。但最大粒径越大，在运输、摊铺过程中的粗细颗粒离析会成为主要问题，一旦施工中发生离析，其性能会大大降低。采用较大的粒径时，也不容易机械整平，而且用于拌和及整平的设备容易磨损。工程实践研究表明最大粒径为31.5 mm的粗集料不易离析，质量均匀，因此，综合考虑最大粒径对级配碎石性能的影响以及具体的气候条件，并确保施工中不离析。因此建议路基处理车施工中回填填料的最大粒径取31.5 mm或者26.5 mm。

由于国外相关的筛分实验所用的筛孔尺寸要求比较严格，我国现场施工的筛分实验以及新料的质量还无法达到如此细密的要求。但通过比较国外回填填料与我国规范要求的砂砾石筛分实验的级配曲线(见图2)，可以看出，规范规定的三号级配曲线与国外的施工级配曲线最为接近，因此，可以选择三号级配作为我国国内路基处理车施工时候的级配标准。

图2 国外施工填料级配与我国规范级配曲线对比图

4 各种填料混合比例设计

由于实际施工中由破碎后的旧道砟或者新料往往很难直接满足施工级配的要求，所以往往要采用两种或两种以上的填料配合起来使用。级配设计的内容就是通过一定的方法，确定混合料中各规格填料的用量比例。设计方法主要有试算法与图解法两种，其原理在参考文献[4] 中有详细介绍。

假设混合料由A、B、C三种填料组成，每种填料所占比例为α、β、γ，α+β+γ＝100%；各种填料的筛分结果为ai、bi、ci，其中i为筛孔尺寸，ai、bi、ci分别为 A、B、C 三种填料通过筛孔i的质量百分比。则混合料D中通过各筛孔i的质量百分比应为：

根据上述原理，在提前做好各种物料筛分试验的前提下，按照级配中值为最优级配的思想和前述的试算法，在EXCEL中利用SUMPRODUCT函数，使合成级配逐步逼近最优级配。

以某工务段现场施工为例，按照就近取材原则所取得的河砂筛分实验如表3所示：

表3 现场施工所用新料（河砂）的筛分实验结果

河砂级配中筛孔尺寸为10 mm的通过质量为98.9%，即粒径大于10 mm的粗骨料几乎全来自于破碎后的旧道砟，表1中所推荐的三号级配中值中，10 mm粒径通过质量百分比为60%，即分计筛余为40%，根据试算法的理论，设计破碎后的旧道砟所占比例为75%，河砂比例为15%，因为规范级配中值里的最小粒径0.075mm所占的百分比大于河砂中同粒径的比例，因此根据就近取得的材料中，配10%的圩石粉来充当细骨料粘合。该圩石粉中，通过0.25mm筛孔的质量百分比为100%，通过0.075mm筛孔的质量百分比为50%。因此，初步设计各填料比例为旧道砟：河砂：圩石粉＝75：15：10。

由于破碎后的旧道砟比例可以控制与调整，因此，为使合成级配最接近于最优级配，建议使用破碎后的旧道砟级配为表4所示。

表4 建议破碎后的旧道砟最优级配

按照旧道砟最优级配进行设计，合成级配一行使用SUMPRODUCT函数，通过反复调试，则最终合成级配为表5所示：

表5 混合料的合成级配

混合料的合成级配与规范规定的三号级配中值级配曲线对比图如图3所示。

图3 混合料的合成级配与规范规定的三号级配中值级配曲线对比图

由表5可知，合成的混合料的级配与规范规定的三号级配中值非常接近，其标准差只有9.38，从图3中也可以看出，两条级配曲线几乎重合。

5 填料回填效果检测

将以上级配用于现场施工回填料后，用轻型触探仪进行动力触探试验和用轻型落锤仪进行Evd测试，均达到铁路路基承载力的要求标准，并且进行了一年的跟踪观察，路基承载力良好，并且无再生病害发生。

6 结论

(1)新型路基处理方法能快速高效地整治路基翻浆冒泥病害，由于其本身的作业特点，对其回填填料的级配进行研究是非常重要的。

(2)由于我国现场施工时就近所取的新料无法达到国外同类路基处理车成功经验的填料标准，因此，根据级配曲线，选取国内《规范》规定的三号砂砾石级配作为回填填料的标准。

(3)根据就近取得的新料的级配，在试算法基础上，设计旧道砟破碎后的最佳级配以及混合料中各填料的比例，以国内规范的三号级配中值为最优级配，经过反复调试，得出最佳配合比。

(4)对回填的混合料进行路基承载力相关检测并长期跟踪，证明所设计的回填填料配合比可以满足路基承载力的要求。