高铁路基基床表层排水砂垫层结构设置分析

韦华东

（中铁二十四局集团 安徽合肥 230022）

0 引言

高速铁路路基基床结构对高速铁路路基的整体稳定性及使用寿命有着显著的影响。基床结构一般采用A、B组料基床底层和级配碎石基床表层构成，根据以往经验在多雨地区增加排水砂垫层[1]。砂垫层对结构和排水的影响缺少系统性研究，设置砂垫层的合理性需要进一步研究确定。

1 工程背景

商合杭铁路路基填方分为基床以下、基床底层、砂垫层、基床表层，路堑地段换填填方为砂垫层（排毛细水）、基床底层、砂垫层（排地表下渗水）、基床表层。

无砟轨道路基工后沉降控制标准：工后沉降一般不应超过15mm，路基与桥梁、隧道或横向构筑物交界处的沉降差不大于5mm。

基床底层AB料：基床底层填筑的为B组细角砾土，压实系数K≥0.95，地基系数K30≥150MPa/m，动态变形模量Evd≥40MPa。

两布一膜横向断裂强度≥20KN/m，CBR顶破强度≥2.5kN，渗透系数＜10-11cm/s，膜厚≥0.35mm。

基床表层级配碎石：压实系数K≥0.97，地基系数K30≥190MPa/m，动态变形模量Evd≥55MPa。

2 基床表层结构对填筑质量的影响

2.1 试验段填筑

选择DK635+378～+593段作为路基基床表层试验段，基床表层级配碎石厚40～50cm（渐变横断面），第一层级配碎石20cm厚，第二层级配碎石20～30cm厚。中粗砂10cm厚。

原拟定碾压方案静压1遍+弱振2遍+强振2～4遍+静压1遍，初次施工后发现，强振会导致挤推和横向裂纹，经分析认为是砂垫层的影响导致，碾压试验方案改为静压1遍+弱振5～6遍+静压1遍。根据试验方案施工的结果均达不到验收要求，考虑砂垫层的影响，项目部采取了洒水自然沉降后复压的方式（每遍含洒水沉降两天后再洒水湿润弱振1遍，静压一遍），提高了碾压质量，但是仍然不能满足验收要求。

2.2 调整砂垫层厚度

对路基结构进行优化，将中粗砂厚度分别设置为5cm、3cm和取消中粗砂，并同步加厚级配碎石厚度分别进行试验。中粗砂为5cm和3cm时，两布一膜直接铺设于基床底层上，为防止基床底层碎石刺破两布一膜，铺设前对基床底层进行压光处理。试验段共分为3段，分别为：

（1）图号81段路基DK635+167～+217段，5cm砂+25cm级配碎石；

（2）图号81段路基DK635+097～+167段，3cm砂+27cm级配碎石；

（3）图号81段路基DK635+072～+097段，不设置两布一膜，30cm级配碎石；

DK635+401～+572段，采用10cm砂+20cm级配碎石，养护复压前数据均不合格，养护复压后Evd两个点合格，K30一个点合格，K均不合格。

DK635+167～+217段，采用5cm砂+25cm级配碎石，养护复压前除部分Evd合格外均不合格，养护复压后Evd合格，K30合格，K个别点不合格。

DK635+097～+167段，采用3cm砂+27cm级配碎石，养护复压前Evd合格，K30部分合格，养护复压后均合格。

DK635+072～+097段，采用无砂+30cm级配碎石，养护复压前K30合格，K不合格，养护复压1遍后均合格。

为分析自然沉降对填筑密实度的影响，施工一个月后对试验段再次进行检测。

2.3 数据分析

对不同砂垫层结构厚度和不同碾压组合方式的压实情况进行对比见图1。

图1 压实效果对比

2.3.1 碾压方式对碾压效果的影响

由以图1、表1可见，一次性碾压很难达到较好的效果，弱振6遍与弱振5遍相比对压实效果提升很小，弱振6遍仅在没有砂垫层时，各项指标为合格。在洒水复压后，压实效果有明显提升，3cm砂垫层和5cm砂垫层各项指标均合格。自然沉降一个月后，10cm砂垫层EVd满足要求，K和K30仍不满足要求，说明自然沉降对碾压密实度影响较小。

2.3.2 砂垫层对碾压效果的影响

砂垫层越厚，碾压效果越差，Evd均能合格，而在10cm砂垫层时K30和K均不合格。Evd反映的是浅层的压实情况，而K30反映的是深层的压实情况，说明在砂垫层较厚时可以将级配碎石表面压密实，但内部难以密实。

设置砂垫层时，采用强振会出现横向碾压裂纹，砂垫层3～5cm厚采用弱振并增加洒水复压才能确保碾压合格，与无砂垫层相比成本大、工期长。

3 排水功能分析

基床底层下部设置了砂垫层排水，毛细水不会对基床底层产生影响，中粗砂夹两布一膜主要作用为防止上层降水透过基床表层级配碎石渗入基床底层，对基床表层渗透性和不同厚度排水层排水速率进行渗水试验测定。

砂垫层渗水试验采用试坑法，由基床表层挖一个直径20cm的试坑至两布一膜，然后向试坑内注水，必需使试坑中的水位始终高出坑底约10cm，为了便于观测坑内水位，在坑底要设置一个标尺，因砂垫层和级配碎石的渗透速度相差很大，级配碎石渗透可忽略不计[2]。求出单位时间内从坑底渗入的水量Q，除以砂垫层圆周面积F=π×d2/4，即得出平均渗透速度v=Q/F[3]。

表1 渗水试验结果

基床表层级配碎石和基床底层采用单环法，在试坑底嵌入一个高20cm，直径20cm的铁环。铁环压入坑底部10cm深，环壁与填料间缝隙注入水泥浆保证紧密接触，环内铺2～3cm的反滤粗砂。在试验开始时，用马利奥特瓶控制环内水柱，保持在10cm高度上。试验一直进行到渗入水量Q固定不变为止。除以坑底面积F，即得出该填料平均渗透速度v=Q/F。

设置砂垫层时，降水由基床表层渗入砂垫层，由砂垫层横向排向两侧，防止渗水下渗影响基床表层及基床以下路堤。

不设置砂垫层时，降水由基床表层渗入基床底层，基床底层渗透速度大于基床表层，能够快速排掉上层渗水，不会出现积水软化路基的情况，不设置中粗砂夹两布一膜能够满足排水要求。

4 小结

中粗砂层会削弱上覆基床表层的压实效果，影响结构稳定性。分析基床结构排水功能，不设置砂垫层能够满足排水需要。

根据本标段试验结果，商合杭铁路取消了10cm中粗砂夹两布一膜结构。