胡三喜

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司地質(zhì)路基處,西安 710043)

1 工程地質(zhì)概況

包西鐵路DK173+000～DK255+624.92段線路途經(jīng)毛烏素沙漠邊緣,其中大保當至榆林段為陜北黃土高原風(fēng)積沙覆蓋區(qū),風(fēng)沙分布廣泛,大部分為風(fēng)積沙覆蓋,地面呈波狀起伏之梁窩狀沙丘地貌,局部為新月形沙丘及沙丘鏈,相對高差5～15 m,風(fēng)積沙層厚1～15 m,植被覆蓋率15%～40%,局部地段為裸露之黃土梁峁和沖湖積灘地；榆林至魚河峁段為片狀風(fēng)積沙覆蓋區(qū),表層多有片狀風(fēng)積沙分布,系毛烏素沙地南侵部分,積沙較薄,一般1～10 m,植被覆蓋率大于40%。

線路主要以路基形式通過風(fēng)積沙地區(qū),挖方邊坡高度1～13 m,長約20 km,填方邊坡高度3～6 m,長約55 km；涉及風(fēng)積沙的挖方56.14萬m3、填方176.79萬m3。 路基填料設(shè)計的關(guān)鍵在于如何利用挖棄的風(fēng)積沙、減少取土量,避免在風(fēng)沙地區(qū)長遠距離取土,以降低工程投資、減少施工對周邊環(huán)境的破壞。DK173+000～DK255+624.92段地質(zhì)概況如下。

(1)DK173+000～DK180+000段地層巖性由上到下依次為：

①細砂(Q4al4)：分布于地表。淺黃色,厚度0.5～2 m。稍密,潮濕-飽和,Ⅰ級松土,σ0=120 kPa。

②細砂(Q4al4)：分布于第四系全新統(tǒng)沖積細沙之下?；尹S色-青灰色為主,厚度5～20 m。5 m以上稍密,以下中密,潮濕-飽和,Ⅰ級松土,σ0=120～150 kPa。

③細砂(Q3al4)：分布于上更新統(tǒng)沖積細沙層之下。淺灰色-深黃色為主,厚度5～15 m。中密,潮濕-飽和,Ⅰ級松土,σ0=150～200 kPa。

④黏質(zhì)黃土(Q2eol3):主要分布于沖積細沙層之下,厚度5～20 m。棕褐色,土質(zhì)較均一,局部含少量砂礓石,堅硬,Ⅲ級硬土,σ0=150～200 kPa。

(2)DK185+320.78～DK204+000段地層巖性由上到下依次為：

①細砂(Q4eol4)：分布于地表。淺黃色-深黃色,厚度10～20 m。稍密-中密,稍濕-潮濕,Ⅱ級普通土,σ0=100～150 kPa。

②砂質(zhì)黃土(Q2eol3)：下伏于風(fēng)積細沙層之下,黃白色-淺黃色,厚度5～15 m。土質(zhì)不均一,可見孔隙,局部含少量砂礓石。硬塑,Ⅱ級普通土,σ0=150～180 kPa。

(3)DK220+000～DK232+000段地層巖性由上到下依次為：

①人工填筑粉細砂(Q4ml4)：分布于既有路基,以細砂為主,稍濕,中密,Ⅱ級普通土；

②細砂(Q4eol4)：分布于地表。淺黃色,顆粒均勻,沙質(zhì)純凈,稍濕-潮濕,稍密,Ⅱ級普通土,σ0=100 kPa。

③細砂(Q3al4)：灰黃色,顆粒均勻,潮濕-飽和,中密,Ⅰ級松土,σ0=150 kPa。

(4)DK235+807.14～IDK251+624.92段地層巖性由上到下依次為：

①人工填筑粉細砂(Q4ml4)：分布于既有路基,成分以細砂為主,稍濕,中密,Ⅱ級普通土。

②細砂(Q3al4)：分布于地表,厚度大于10 m。淡黃色,顆粒均勻,沙質(zhì)純凈,稍濕-潮濕,稍密,Ⅱ級普通土,σ0=100 kPa。

2 風(fēng)積沙填料物理改良試驗研究與施工

2.1 風(fēng)積沙填料試驗研究

風(fēng)積沙填料試驗段選在DK226+120～DK226+350段，主要考慮該段的風(fēng)積沙填料為均勻、級配不良風(fēng)積沙,屬于C組填料,且該試驗段臨近210國道,交通便利。

(1)DK226+120～DK226+350段(長230 m)填料性質(zhì)：為均勻、級配不良風(fēng)積沙,屬于C組填料。其不均勻系數(shù)Cu為1.85,曲率系數(shù)Cc為0.90。風(fēng)積沙天然含水率6.5%,最大干密度1.82 g/cm3, 最佳含水率11.5%,液限含水率17%,塑性指數(shù)15.8。

(2)風(fēng)積沙試驗結(jié)果

檢測結(jié)果顯示壓實系數(shù)K值為0.80～0.85,不滿足規(guī)范要求的0.9；地基系數(shù)K30值為37.6～62.4 MPa/m,亦不能滿足規(guī)范要求的基床底層K30為100 MPa/m、路堤本體K30為80 MPa/m[1]。具體數(shù)值見表1。

表1 風(fēng)積沙填筑試驗結(jié)果

2.2 風(fēng)積沙填料物理改良試驗研究

風(fēng)積沙填料物理改良試驗段選在DK223+450～DK223+630段。風(fēng)積沙填料設(shè)計選用摻粉土進行物理改良,物理改良試驗按風(fēng)積沙:粉土(體積比)為：1∶0.5、1∶1.0、1∶1.5、1∶2.0 4種摻量同步進行。

(1)物理改良風(fēng)積沙填料試驗?zāi)康?/p>

①確定最佳摻配比例[2]；

②確定適宜的松鋪系數(shù)；

③確定合適的碾壓遍數(shù)和碾壓速度。

(2)試驗所需設(shè)備[3]

具體見表2、表3。

(3)物理改良風(fēng)積沙填料土工試驗

表2 試驗和測量設(shè)備

表3 機械設(shè)備

由表4及圖1～圖4可以看出。

①含水率隨著粉土摻量的增大而增大,即隨著粉土摻量的增加施工灑水量越少。

②塑性指數(shù)隨著粉土摻量的增大而減小,即隨著粉土摻量的增加,物理改良風(fēng)積沙填料的可塑狀態(tài)的范圍就越小[4],使得施工過程更易于控制。

③最大干密度隨著粉土摻量的增大而增大；最優(yōu)含水量隨著粉土摻量的增大而減小。

表4 物理改良風(fēng)積沙填料土工試驗

圖1 土工擊實(一)

圖2 土工擊實(二)

圖3 土工擊實(三)

圖4 土工擊實(四)

(4)不同摻配比例下碾壓遍數(shù)與壓實度、地基系數(shù)K30的關(guān)系

圖5～圖12分別為風(fēng)積沙土摻配比1∶0.5、1∶1.0、1∶1.5、1∶2.0第1層土的試驗數(shù)據(jù),圖13～圖16分別為風(fēng)積沙土摻配比1∶1.5、1∶2.0第3層土的試驗數(shù)據(jù)。

圖5 碾壓遍數(shù)與壓實度關(guān)系

圖6 碾壓遍數(shù)與地基系數(shù)K30的關(guān)系

圖7 碾壓遍數(shù)與壓實度關(guān)系

圖8 碾壓遍數(shù)與地基系數(shù)K30的關(guān)系

圖9 碾壓遍數(shù)與壓實度關(guān)系

圖10 碾壓遍數(shù)與地基系數(shù)K30的關(guān)系

圖11 碾壓遍數(shù)與壓實度關(guān)系

圖12 碾壓遍數(shù)與地基系數(shù)K30的關(guān)系

圖13 碾壓遍數(shù)與壓實度關(guān)系

圖14 碾壓遍數(shù)與地基系數(shù)K30的關(guān)系

圖15 碾壓遍數(shù)與壓實度關(guān)系

圖16 碾壓遍數(shù)與地基系數(shù)K30的關(guān)系

由圖5～圖16可以看出。

①在同一碾壓遍數(shù)的情況下,壓實度隨著粉土摻

量的增大而增大,即碾壓遍數(shù)為6遍,在摻配比為1∶0.5時,物理改良風(fēng)積沙填料的壓實度為0.61；摻配比為1∶2.0時,物理改良風(fēng)積沙填料的壓實度為0.93。

②在同一碾壓遍數(shù)的情況下,地基系數(shù)K30隨著粉土摻量的增大而增大,即碾壓遍數(shù)為6遍,在摻配比為1∶0.5時,物理改良風(fēng)積沙填料的地基系數(shù)K30為46.5；摻配比為1∶2.0時,物理改良風(fēng)積沙填料的地基系數(shù)K30為107.3。

③在同一碾壓遍數(shù)和同一摻配比的情況下,地基系數(shù)K30隨著碾壓層數(shù)的增加而增大。即摻配比1∶2.0,碾壓遍數(shù)為6遍時,第1層地基系數(shù)K30為107.3 MPa/m；第3層地基系數(shù)K30為113.3。

④在同一碾壓遍數(shù)和同一摻配比的情況下,壓實度隨著碾壓層數(shù)的增加而增大,即摻配比為1∶2.0,碾壓遍數(shù)為6遍時,第1層壓實度為0.93；第3層壓實度為0.94。

(5)不同摻配比下松鋪系數(shù)的確定

表5 第1層風(fēng)積沙摻配比1∶1.5松鋪系數(shù)

表6 第3層風(fēng)積沙摻配比1∶1.5松鋪系數(shù)

表7 第1層風(fēng)積沙摻配比1∶2.0松鋪系數(shù)

表8 第3層風(fēng)積沙摻配比1∶2.0松鋪系數(shù)

由表5～表8可以得到以下結(jié)論：

①風(fēng)積沙摻配比1∶1.5、松鋪厚度為0.40 m時,壓實厚度為0.35 m；

②風(fēng)積沙摻配比1∶2.0、松鋪厚度為0.35 m時,壓實厚度為0.30 m；

③松鋪厚度隨著粉土摻量的增大而減小[5]。

(6) 物理改良風(fēng)積沙填料試驗結(jié)果

通過對以上試驗結(jié)果數(shù)據(jù)比對分析,物理改良風(fēng)積沙試驗表明：風(fēng)積沙摻配比為1∶1.5的混合用22 t壓路機以2.5～3.0 km/h,碾壓遍數(shù)為6遍、松鋪系數(shù)1.15,可以做全標段路堤填筑指導(dǎo)施工。風(fēng)積沙摻配比1∶2.0,用22 t壓路機以2.0～2.5 km/h, 碾壓遍數(shù)為6遍,松鋪系數(shù)1.21可以做全標段基床底層填筑指導(dǎo)施工[6]。

2.3 風(fēng)積沙填料物理改良施工工藝

(1)施工前準備

首先對圖紙進行審核,然后進行現(xiàn)場核實與設(shè)計相符。沿路基兩側(cè)征地邊界線開挖臨時排水溝,保證流水通暢,防止施工便道積水。取土場選用DK223+000右20 m，此取土場為風(fēng)積沙；DK223+500左1 020 m,此取土場為低液限粉土。取土場均清表30 cm，無雜草等異物,6 m寬施工便道順暢。施工用水距離試驗段約1 km,采用灑水車運輸至施工現(xiàn)場,做好施工準備[7]。

(2)路堤填筑工藝流程

①摻拌改良過程為將風(fēng)積沙置于試驗區(qū)內(nèi)攤鋪平整,然后按配比將粉土攤鋪于風(fēng)積沙上,用路拌機拌和3遍使填料均勻,然后碾壓、檢測[8]。

②填筑前清理→基底壓實→放樣畫線→按照土工擊實，最優(yōu)含水率灑水→攤鋪刮平[9]。

③壓路機橫、縱向各3遍碾→靜壓、振壓→檢測壓實度→檢測高程→重復(fù)至K30和壓實度達到設(shè)計標準的1.1倍為止[10]。

3 風(fēng)積沙填料物理改良的重要意義

(1)技術(shù)效益

通過對風(fēng)積沙填料進行物理改良試驗,物理改良按體積比(風(fēng)積沙：低液限粉土)1∶0.5、1∶1、1∶1.5、1∶2四個摻量同時進行,試驗完成后獲得了大量寶貴的試驗數(shù)據(jù),可指導(dǎo)其他段落風(fēng)積沙填料填筑施工。在技術(shù)上新穎、可靠。本設(shè)計的成功實施對今后在風(fēng)沙地區(qū)鐵路、公路風(fēng)積沙填料填筑路堤施工提供了寶貴的經(jīng)驗,對今后類似工程具有指導(dǎo)意義。

(2)經(jīng)濟效益

經(jīng)過與遠運取土方案的經(jīng)濟比較,采取風(fēng)積沙物理改良方案較遠運方案可節(jié)約投資2 100萬元,且減小了后期運營養(yǎng)護維修,其直接和間接的經(jīng)濟效益非常顯著。見表9。

(3)環(huán)保效益

風(fēng)積沙地區(qū)環(huán)境脆弱,風(fēng)積沙物理改良可以很好的利用挖方棄土,可大大減少取棄土場的設(shè)置,有效減少了對周邊環(huán)境的破壞,對線路沿線生態(tài)保護具有非常重要的意義,特別是風(fēng)積沙物理改良土能大大提高路基邊坡的植物成活率,迅速改變鐵路周邊環(huán)境,對建設(shè)綠色包西鐵路意義重大。

表9 填料設(shè)計方案的投資對比

4 結(jié)語

包西鐵路榆林地區(qū)的風(fēng)積沙填料物理改良設(shè)計方案不僅解決了直接用風(fēng)積沙填料填筑地基系數(shù)檢測達不到規(guī)范要求的難題,且充分的利用了挖方棄土,減少了取棄土,消除了填料遠運過程中的揚塵,既保護環(huán)境,又節(jié)省投資。目前本段路基已經(jīng)建成通車,工程初驗各參驗單位一致認為風(fēng)積沙摻粉土物理改良設(shè)計新穎、安全可靠,滿足鐵路運營安全要求。

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