城际铁路黄土路基填料室内力学控制标准

杨迪锋, 沙红卫, 蒋应军*, 岳卫民, 易 勇

(1.长安大学公路学院， 西安 710064； 2.陕西西法(北线)城际铁路有限公司， 西安 710000)

中国铁路采用地基系数K30及压实系数K作为路基压实质量控制指标[1-3]，K30为表征路基刚度与承载能力的力学指标，K为体现路基压密特性的物理指标。工程实践表明，某些工程路基压实后出现K满足规范要求，而K30不满足规范要求的现象，造成工程返工，影响工程进度。因此，研究K30与室内力学指标之间关系具有重要意义。

目前，关于K30与其他现场力学指标之间关系的研究较多：郭传臣[4]、关爱军等[5]、王从贵[6]、李芦林[7]、张廷雷等[8]研究表明K30与动态变形模量(Evd)具有良好线性关系；苏谦等[9]采用三维动态有限元和无限元耦合技术对Evd特性进行了仿真分析，得到了Evd与K30的换算关系；张照龙等[10]研究了压实系数对压实黄土K30和Evd的影响，结果表明Evd与K30、K存在良好的相关关系；朱浩波等[11]、冯华等[12]、常丹等[13]、牛林新等[14]通过现场试验及数值分析表明，二次静态变形模量(Ev2)、Evd与K30都具有较高的线性相关性，且数值模拟得出的线性拟合关系与现场试验结果比较接近；戴玉等[15]对比分析了铁路路基压实检测力学指标K30、Ev2、Evd之间的检测原理，表明K30、Ev2均反映了土的变形模量，是路基承载力大小的体现，是表征路基刚度大小的参数；刘钢等[16]研究了K30和Ev2检测过程中加载方式对试验效率和误差的影响，提出K30更能反映路基的压密程度；聂如松等[17]通过室内路基模型研究表明，K30与一次静态变形模量(Ev1)、Ev2、Evd具有较好的相关性，宜选择Ev1、Ev2、和Evd作为路基刚度评价的控制指标；肖尊群等[18]研究表明，K30、Evd、Ev2、Ev2/Ev1与路基承载力fk呈现多项式关系；李怒放[19]澄清K30与Ev2的基本概念和本质区别，认为两者无法相互替代。李懿等[20]对路桥过渡段加固路基进行了地基系数K30试验与轻型动力触探试验，发现K30与轻型动力触探试验结果捶击次数(N10)存在显著的线性关系。

上述研究主要集中于K30与现场检测指标Ev1、Ev2、Evd相关关系上，鲜有涉及K30与室内力学指标之间关系。然而，现场检测指标均需要在路基施工完成之后进行检测，若现场检测指标达不到规范要求则会造成返工问题，延误施工进度。因此，有必要建立现场K30与室内力学性能之间的关系，通过室内试验对填料进行初步筛选，从而确保施工正常进行。

采用黄土修筑的路基中，含水率对于路基的压实特性具有较大影响[21-23]。为保证压实后路基能同时满足K和K30规范要求，同时优选路基填料，结合路基填筑试验段研究了K30与K、含水率w之间的关系，以及室内加州承载比(California bearing ratio, CBR)与K、含水率w之间的关系，从而建立K30与室内CBR之间经验公式，并基于铁路规范对地基系数的要求提出黄土填料CBR控制标准。成果将为铁路路基设计、施工以及质量控制等提供参考依据。

1 试验土样及研究方案

1.1 物理性质

试验土样的物理性质如表1所示。重型击实试验结果如表2所示。土样为褐黄色，属于低液限粉质黏土、C组填料，土质均匀，结构较为致密、潮湿，有少量虫孔及植物根茎存在，取自西法城际铁路XFB-TJ01标段DK32+200右侧，挖深约为3 m。试验按《铁路土工试验规程》(TB10102—2010)相应方法进行。

表1 主要物理性质指标Table 1 Main physical property indicators

表2 重型击实试验结果Table 2 Results of heavy compaction test

1.2 研究方案

1.2.1 试验方案

(1)研究地基系数K30与压实系数K、含水率w之间的关系。为了实测地基系数K30与压实系数K、含水率w，在西法城际铁路XFB-TJ01标段铺筑试验段。试验段底层宽度8 m、长度60 m，分三个压实段落，每个压实段落长20 m，每层松铺厚度为30～35 cm(如图1中①、②所示)。三个段落压实系数K拟采用0.90、0.93、0.96，路基边坡按1∶1的坡率进行放坡向上填筑，路基现场填筑示意图如图1所示。每层压实完毕，检测地基系数K30及压实系数K、含水率w。

图1 路基现场填筑示意图Fig.1 Sketch map of on-site filling of roadbed

(2)研究室内CBR与压实系数K、含水率w之间的关系。为保证室内、现场处于同等条件(相同含水率w、压实系数K、土质)，在试验段现场路基碾压前，取样进行室内试验。每个压实系数K附近制备3个平行试件，并成型两组试件。一组试件浸水4 d后，进行CBR试验(浸水CBR0)，另一组试件未浸水直接进行CBR试验(非浸水CBR1)。分析室内CBR与压实系数K、含水率w之间的关系。

(3)研究地基系数K30与室内CBR之间的关系。将现场地基系数K30对应的实际压实系数K、含水率w代入室内浸水与非浸水CBR的经验公式中进行拟合，建立现场地基系数K30与室内浸水、非浸水CBR之间的经验公式，构建室内和现场之间的关系。

1.2.2 试验方法

(1)地基系数K30测试方法。根据《铁路土工试验规程》(TB10102—2010)，地基系数K30是在路基顶面进行静压平板载荷试验，刚性承载板的半径为15 cm，以0.04 MPa的增量进行逐级加载，待每级荷载作用下的下沉量稳定后，读取荷载强度与相应的下沉量，总沉降变形量大于1.25 mm后，结束试验。根据每级试验结果绘制荷载强度与下沉量的关系曲线，在曲线上找出下沉量基准值(1.25 mm)对应的荷载强度。该荷载强度与下沉量基准值的比值，即K30。K30检测装置如图2(a)所示，每个压实区选取三个K30平行检测点，同时在地基系数K30检测点附近检测压实系数K，测点布置如图2(b)所示。

图2 路基现场K30试验Fig.2 K30 test on the roadbed site

(2)室内CBR试验方法。根据《铁路土工试验规程》(TB10102—2010)，将试样与试筒置于贯入仪的升降台上，安装贯入杆与测量贯入深度的百分表，调整升降台的高度，使贯入杆与试样表面刚好水平接触。在试样表面放置4块荷载块，对贯入杆预加45 N的荷载，读取测力计和百分表的初始读数。然后以1～1.25 mm/min的速度贯入试样，同时测量测力计读数和相应的贯入深度读数，并注意确保在贯入2.5 mm深度前有不少于5组的读数。试验至贯入量为10～12.5 mm时即告完成。在贯入试验结束后，以单位压力为横坐标，贯入量为纵坐标，绘制单位压力与贯入量的关系曲线。贯入深度2.5 mm时的荷载强度与标准荷载强度之比为CBR。贯入装置如图3(a)所示。浸水CBR0试验，须将成型试件浸水4 d，再进行贯入试验，浸水设备如图3(b)所示；非浸水CBR1试件直接进行贯入试验。

图3 CBR试验Fig.3 CBR test

2 试验结果及分析

2.1 地基系数K30

地基系数K30与压实系数K、含水率w之间的关系如图4所示。

图4 K30与K、w关系图Fig.4 Relationship between K30 and K, w

由图4可知，含水率w一定时，地基系数K30随压实系数K增加而增加，压实系数K每增加1%，地基系数K30增加12.3 MPa/m，提高约10.4%；压实系数K一定时，地基系数K30随着含水率w的增加而减小，含水率w每增加1%，地基系数K30减小18.6 MPa/m，降低约14%。

回归可得K30与K、w之间经验公式，如式(1)所示。

K30=1 233K-18.6w-734，R2=0.931

(1)

2.2 室内承载比CBR

2.2.1 浸水CBR(CBR0)

压实系数K、含水率w与浸水CBR(CBR0)的关系如图5所示。

图5 CBR0与K、w关系图Fig.5 Relationship between CBR0 and K, w

由图5可知，含水率w一定时，CBR0随着压实系数K的增加而增加，压实系数K每增加1%，CBR0增加约15.1%；压实系数K一定时，CBR0随着含水率w的增加而增加，并且随着含水率w的增加，CBR0增长的趋势变缓。

回归可得CBR0与K、w之间的经验公式，如式(2)所示：

CBR0=141K-0.338ω2+11.0ω-20，

R2=0.962

(2)

2.2.2 非浸水CBR(CBR1)

压实系数K、含水率w与非浸水CBR(CBR1)的关系图如图6所示。

图6 CBR1与K、w关系图Fig.6 Relationship between CBR1 and K, w

由图6可知，含水率w一定时，CBR1随着压实系数K的增加而增加，压实系数K每增加1%，CBR1增加约10.7%；压实系数K一定时，CBR1随着含水率w的增加而减小，含水率w每增加1%，CBR1减小约15.6%。

回归可得CBR1与K、w之间的经验公式，如式(3)所示：

CBR1=546K-11.2ω-290，R2=0.966

(3)

2.3 室内CBR与地基系数K30相关关系

2.3.1 室内浸水CBR(CBR0)与地基系数K30的相关关系分析

CBR0与地基系数K30的关系如图7所示。由图7可知，黄土试件的CBR0与现场地基系数K30相关系数不足0.1，这主要是由于含水率w对CBR0与地基系数K30影响程度不同。压实系数K一定时，CBR0随着含水率w的增加而增加；而地基系数K30则与之相反。

图7 CBR0与K30关系图Fig.7 Relationship between CBR0 and K30

2.3.2 室内非浸水CBR(CBR1)与地基系数K30相关关系分析

CBR1与地基系数K30的关系如图8所示。由图8可知，黄土试件的CBR1与现场地基系数K30之间存在良好的线性关系，这主要是由于含水率w对CBR1与地基系数K30影响程度一致。压实系数K一定时，CBR1与地基系数K30随着含水率w的增加，均呈现出递增的趋势。

图8 CBR1与K30关系图Fig.8 Relationship between CBR1 and K30

CBR1与K30之间回归公式如式(4)所示：

K30=1.91CBR1+35，R2=0.931

(4)

3 填料室内力学控制标准

K30与CBR的相关关系易受填料性质、施工工艺及气候状况等因素的影响。对于某项具体工程，应该通过K30与CBR的对比试验来确定两者相关关系，尽量避免生搬硬套。

表3为文献[1]中以C组细粒土作为填料的铁路路基压实标准与相应的室内力学控制标准，由式(4)换算得到。在黄土填料选择及取土坑确定时，室内可采用非浸水CBR作为力学控制标准，进行填料预选。

表3 C组细粒土压实标准与室内力学控制标准Table 3 Compaction standards and indoor mechanical control standards for group C fine-grained soil

4 结论

(1)含水率w一定时，每增加1%，地基系数K30增加12.3 MPa/m，提高约10.4%；压实系数K一定时，含水率w每增加1%，地基系数K30减小18.6 MPa/m，降低约14%。

(2)室内浸水CBR0与非浸水CBR1均随压实系数K的增加而增加；压实系数K增加1%，CBR0和CBR1分别增加约15.1%、10.7%。含水率w增加时，CBR0呈增大趋势且增长速率趋缓；CBR1值呈减小趋势，含水率w增加1%，CBR1减小约15.6%。

(3)室内非浸水CBR1与K30呈线性关系，相关系数达0.93。结合铁路路基相关规范对地基系数K30的规定，提出了针对C组填料的室内CBR控制标准。