铁路路基填筑质量及沉降控制技术研究

徐 驰

中铁十九局第二工程有限公司,辽宁 辽阳 111000

0 引言

随着我国铁路总建设里程的逐步增加,铁路路基工程施工质量越来越受到重视;国铁集团的“安全质量红线十条”中对铁路路基填料与填筑质量、检测、旁站等施工流程做了严格规定。同时,铁路路基的填筑质量控制措施被众多研究机构所重视。中国铁道科学研究院对不同含水率下级配填料进行外荷加载试验,确定了最优的振动方法[1];智能填料设备也在高速铁路的路基填筑施工过程中被广泛应用,取得了较好的质量控制效果[2];铁路路基填料在外部环境下的劣化影响机制用于施工质量控制也得到了一定的应用[3]。铁路路基填筑质量对铁路工程运营的安全性有着重要影响。如果施工质量不合格,可能会引起路基下沉、变形或开裂等问题,不仅会影响铁路的运行安全,还会导致结构问题和维修成本增加。本文以某铁路工程路基填筑为案例,分析了路基填料的质量控制,通过现场试验分析确定了填料的最佳松铺厚度、机械振动方法,并进行了沉降观测,得出了沉降变形规律,保证了铁路路基的施工质量,为类似铁路路基工程提供了借鉴经验。

1 工程概况

该铁路工程位于江苏地区,为剥蚀丘陵地貌,地势起伏、植被较发育。根据区域地质现场勘察调绘揭示,表层为第四系残坡积层Qel+dl粉质黏土,褐黄色、黄褐色,局部夹少量砾石,硬塑,厚约 0.5～5.0 m。下伏基岩为钙质页岩,全风化呈砂土状,局部夹少量强风化碎块,厚约 0.7～5.0 m;强风化多呈块状,厚1.6～11 m;弱风化,节理裂隙较发育,岩体较完整,岩体呈青灰色、深灰色,全～弱风化,其中全风化呈砂土状,局部夹少量强风化碎块,厚约0～2.3 m;强风化岩体多呈块状,层厚0.7～8.5 m;弱风化岩体,节理裂隙较发育,岩体较完整。岩层产状为340°∠50°。岩体主要有2组节理,以张节理为主,产状为240°∠64°,多呈密闭状。

路堤基床表层厚0.4 m,采用级配碎石填筑,基床底层厚2.3 m,采用A、B组填料填筑,基床以下路堤采用A、B、C1、C2组填料填筑。基床表层填筑前填筑预压土,A、B组填料采用该项目碎石场自产碎石配制。基床各部位施工压实标准需满足《高速铁路路基工程施工技术标准》有关要求。路基基床表层及底层的底部均为向两侧倾斜 4%的横向排水坡,路基面形状为梯形。

2 分层填筑试验

为确定在基床填料填筑过程中不同压实机械、不同填料的施工方法及工艺参数,据填料种类确定路基填筑机械配置和压实工艺,包括确定机械碾压行走速度、碾压方式、碾压遍数、适宜的松铺厚度等[4]。

基床底层填筑松铺厚度按不大于40 cm控制试验(第1层松铺厚度35 cm,第2层松铺厚度 38 cm,第3层松铺厚度40 cm),在摊铺完成后,通过挖探检测松铺厚度。采用22 t振动压路机在静压1遍、弱振1遍后,然后开始强振,自第1遍强振起每碾压1遍检测1次压实度及对应的含水量,由压实度检测原始记录分析计算可得出5、6、7遍碾压分别对应的压实系数及含水量检测平均值,填料含水率统计过程中取1#～5#共计5个测点,试验结果如表1、2所示。

表1 分层碾压试验结果

表2 填料含水率 单位：%

在试验段遵循先轻后重、先稳后振、先低后高、先慢后快以及轮迹重叠的原则,自第5遍起每碾压1遍测量1次测试点高程,并记录、计算松铺系数,碾压第5、6、7遍后对应的压实厚度平均值和松铺系数平均值如表3所示。

表3 压实厚度及松铺系数平均值 单位：cm

根据表1～3可以得出以下结论：当填料碾压时的含水量接近最佳含水量时,压实系数会随着压实遍数的增加而增大;随着压实遍数的增加,当压实系数达到一定程度时,其数值将基本趋于稳定。从表3可看出,松铺厚度38 cm,碾压6遍是较为合理的,含水率在3.6%～4.5%范围内均可以有效压实。松铺厚度38 cm、压实6遍时松铺系数最佳,且能满足压实厚度不大于30 cm,此时松铺系数为1.27。

3 路基沉降观测

为了控制和保证铁路路基的施工质量,确保完成后的路基沉降满足设计要求,通过连续、正确、完整、系统的观测和分析,预测沉降趋势,本节对路基沉降进行监测试验。研究路基段共设置4处沉降观测断面,每处观测断面包括1层沉降板和5处沉降观测桩头,5处沉降观测桩头3处位于基床上表面,2处位于下基床表面,沉降板需在填筑过程中随填筑高度依次增加,并注意保护沉降板的线形,观测频率为1次/d,监测断面如图1所示[5]。

图1 沉降监测断面

根据《铁路工程沉降变形观测评估技术规程》等规范及标准要求,进行沉降变形评估,路基沉降变形应符合下列规定：填筑完成沉降不宜超过 15 mm,过渡段不同结构物间的预测工后差异沉降不应大于5 mm。在根据上述监测数据判断的同时,结合本工程的工程地质、构筑物布置等特点的实际情况等综合分析,判定沉降变化趋势及观测异常点。

路基在自重及外部荷载作用下的沉降是一个持续的过程。影响沉降的主要因素包括路基材料的性质和状态,如土体密度、含水量、粒径分布等。根据观测数据,典型的沉降变化情况如图2所示。在开始的7周时间内,沉降发生并不明显,并受到过往车载的作用下,沉降量会出现一定程度的波动情况。在第8～14周会出现较为明显的沉降特征,这是由于填料土体间颗粒间隙逐渐被压缩造成的。第14周后,沉降基本保持不变,填筑后的路基已经趋于稳定,路基沉降均控制在15 mm规范要求范围内。

图2 沉降随时间变化规律

路基沉降监测的5处断面的4个测点稳定后沉降情况如图3所示。在所得结果中,可以得到以下结论：每处监测断面的4个点沉降值大小基本接近,中部的沉降值通常会大于两侧的沉降值。此类情况是由于中部路基的碾压振动效果较差,在后期受自重影响逐渐沉降造成的。同时,相同类型的监测桩在不同监测断面的沉降值会有较大的差别,这是由于施工队伍在不同区域进行机械振动碾压等压实过程中作业习惯差异波动造成的,在施工作业中需要严格施工队伍作业习惯管理,保证填料的压实度。

图3 路基沉降观测统计

4 技术控制措施

在控制沉降过程中,首先要对填料进行控制,填料控制包括土的密度、含水率、比重、粒径和渗透性等指标的控制,以确保路基的稳定性和耐久性。同时要保证填料的压实控制,通过击实、K30、Evd等对材料进行压实控制,确保路基的密实度达到规定的要求,防止因压实度不足而引发的质量问题。

路基填筑前须保证前期清场要求：如路基原地面清表必须彻底,不得有草皮、腐植土、树根等;清表后必须平整,清表宽度必须在路基坡脚桩1 m以外,经压实后原地面;路基填方材料应有一定的强度,填方材料最大粒径不超过10 cm,经野外取土试验确定,路基填料最小强度和最大粒径应符合要求,要严格控制路基填料粒径,严禁超粒径石块运到工地后再用人工解小。

5 结论

1)在路基填筑过程中松铺厚度38 cm、碾压6遍较为合理,含水率在3.6%～4.5%均可以有效压实。松铺厚度38 cm、压实 6 遍时松铺系数最佳,且能满足压实厚度不大于 30 cm,此时松铺系数为1.27。

2)路基填筑后在第 8～14周会出现较为明显的沉降特征,第 14周后,沉降基本保持不变,填筑后的路基已经趋于稳定,路基沉降均控制在15 mm 规范要求范围内。中部的沉降值通常会大于两侧的沉降值,是由于中部路基的碾压振动效果较差造成的。

3)在控制沉降过程中,加强对填料进行控制保证填料的压实控制。通过击实、K30、Evd参数测定等对材料进行压实控制,确保路基密实度达到规定要求,并保证路基填料粒径满足要求。