李 鯤

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

高速鐵路路基戈壁土填料工程特性試驗研究

李 鯤

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

以蘭新鐵路第二雙線路基試驗段路基工程為依托，對試驗段戈壁土填料進行了顆粒分析、擊實、大型剪切以及大型壓縮等室內(nèi)土工試驗，并結(jié)合現(xiàn)場試驗進行壓實特性分析。試驗結(jié)果表明：戈壁土填料的壓實特性與填料的級配及其顆粒組成有關(guān);現(xiàn)場壓實時，需從填料的細顆粒含量、現(xiàn)有技術(shù)、經(jīng)濟等因素來綜合控制壓實含水率;不同的戈壁土填料，其抗剪強度及壓縮特性亦不同;壓實系數(shù)對戈壁土填料的抗剪強度特性及壓縮特性均有很大的影響;含水率對戈壁土填料抗剪強度特性及壓縮特性亦有一定的影響;戈壁土填料可以通過增大壓實系數(shù)或反復(fù)加載，來獲得良好的壓縮特性。

戈壁土 填料 壓實特性 抗剪強度特性 壓縮特性

新疆戈壁地區(qū)自然氣候條件極為嚴酷，干燥少雨，風(fēng)沙嚴重，紫外線強烈，晝夜溫差較大，人煙稀少，部分地方嚴重缺水，但偶有暴雨即發(fā)生洪災(zāi)，且危害極大。由于戈壁灘平坦開闊，雨水極容易形成漫流，若防水、排水能力不足，將會使路基受到雨水浸泡，從而嚴重影響路基及邊坡的穩(wěn)定性和耐久性。新疆戈壁地區(qū)主要分布著戈壁土，戈壁土最大的特點是土體顆粒粒徑比較大，大部分屬于粗粒土［1］。

新建蘭新鐵路第二雙線在新疆境內(nèi)大范圍穿越戈壁地區(qū)，且線路主要以路基形式通過，戈壁土路基長度約為路基總長的75%。線路沿線氣候條件、地理環(huán)境及工程地質(zhì)特性差異大。目前，戈壁地區(qū)鐵路修建技術(shù)研究多集中在普速鐵路，其標準較低，已有的修建技術(shù)顯然不能滿足高速鐵路高標準的要求，國外也無成熟的理論及成果可供借鑒。近些年來，雖然對高速鐵路路基填料作了很多研究［2-4］，但主要針對的是非戈壁地區(qū)填料。對戈壁地區(qū)填料研究［5-7］中關(guān)于戈壁土填料工程特性的研究鮮見報道。因此，開展戈壁土填料工程特性研究具有非常重要的意義。本文目的是通過研究戈壁土填料工程特性，為蘭新鐵路第二雙線的修建以及同類地區(qū)類似工程的設(shè)計與施工提供指導(dǎo)及參考。

本文以蘭新鐵路第二雙線路基試驗段中“二堡”和“柴窩堡”兩個代表性工點填料為研究對象，填料分別取自于：“二堡”工點中DK1342+000取土場和“柴窩堡”工點中DK1799+000路基取料，通過對試驗段兩個代表性工點填料進行室內(nèi)顆粒分析試驗、擊實試驗、大型直剪試驗以及大型壓縮試驗等一系列粗粒土的土工試驗，研究戈壁土填料級配特征;探討填料的含水率和干密度之間關(guān)系以及分析其壓實特性;研究填料在不同壓實系數(shù)、不同含水率下的抗剪強度特性以及壓縮特性。

1 填料級配特征

本文通過顆粒分析試驗，對所選填料進行土的定性判定以及工程特性大致判斷，從而為開展戈壁土填料工程特性試驗研究奠定基礎(chǔ)。

顆粒分析試驗按文獻［8］規(guī)定進行，試驗得到填料的顆粒級配曲線見圖1，填料的級配參數(shù)見表1。

由圖1可見，兩個工點的填料級配曲線均比較緩和，級配曲線在1～2 mm粒徑范圍內(nèi)出現(xiàn)平臺，表明該兩種填料缺失1～2 mm的粒組。DK1799+000路基取料的級配曲線位于DK1342+000取土場料的下側(cè)，說明 DK1799+000路基取料的粗粒含量比DK1342+000取土場料的多，最大粒徑亦要大。此外從圖中可以查得，DK1342+000取土場料的特征粒徑：d60=4.85 mm、d30=0.33 mm、d10=0.068 mm，通過計算可得到不均勻系數(shù)Cu=71.32，曲率系數(shù)Cc=0.33;DK1799+000路基取料的特征粒徑：d60=14.00 mm、d30=4.00 mm、d10=0.540 mm，通過計算可得到不均勻系數(shù)Cu=25.93，曲率系數(shù)Cc=2.12。根據(jù)填料的顆粒組成及文獻［9］中的相關(guān)規(guī)定，可知這兩種填料為不同的填料：DK1342+000取土場料為級配不良的礫砂土，填料等級為B;DK1799+000路基取料為級配良好的細圓礫土，填料等級為A。

表1 填料級配參數(shù)

從表1中可知，DK1799+000路基取料的粗顆粒含量比DK1342+000取土場料的大，而細顆粒含量要小，且最大粒徑也要大;二者的不均勻系數(shù)Cu均＞5，其中DK1799+000路基取料的曲率系數(shù)Cc在1～3范圍內(nèi)，由此可知，填料的級配良好與否主要由曲率系數(shù)Cc控制。

2 填料壓實特性試驗

2.1 擊實試驗

試驗材料取自上述兩個工點的填料。對填料在不同含水率(3%，4%，5%，7%，9%)下進行標準重型擊實試驗，試樣制備采用干法。標準重型擊實試驗按文獻［8］規(guī)定進行。

2.2 擊實試驗結(jié)果及分析

圖2 填料擊實曲線

圖2為填料的擊實曲線。從圖2中可以看出，填料的含水率與干密度關(guān)系曲線呈開口向下的拋物線。填料的干密度隨含水率的增加，出現(xiàn)先增后減的現(xiàn)象。表明戈壁土填料存在最大干密度和最佳含水率。當(dāng)含水率小于最佳含水率時，干密度隨含水率增大而增大;當(dāng)含水率大于最佳含水率時，干密度隨含水率增大而減小。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：土擊實后的緊密程度同克服的阻力大小有關(guān)。當(dāng)含水率較小時，包裹土的結(jié)合水膜較薄，土粒間相對位移的阻力較大，所以得到的干密度較小;隨著含水率的增加，水膜逐漸增厚，這就增加了土粒間的潤滑作用，土粒易發(fā)生位移，從而使得干密度逐漸增大;當(dāng)含水率超過某一限值(最大干密度對應(yīng)的含水率)后，土中既有結(jié)合水，又有自由水，這時沖擊荷載只能使未被水所占據(jù)的那部分孔隙體積改變，但不能使孔隙水排出，因此，隨著含水率的增加，干密度逐漸降低。

2.3 壓實特性影響因素分析

1)填料級配對壓實效果的影響

高速鐵路路基對填料級配提出了相應(yīng)的要求，文獻［10］和文獻［11］中的條文說明指出了客運專線路基填料級配：對粗粒土中的礫石類土和砂類土，Cu＞12時基本滿足基床以下部分的壓實要求;Cu＞20時基本滿足基床底層的壓實要求。對填料的連續(xù)性，采用曲率系數(shù)Cc指標衡量，一般認為與上述Cu指標相對應(yīng)的Cc應(yīng)在0.4～0.5為宜，即當(dāng)Cc=0.4～0.5時，可認為粗粒土級配連續(xù)。據(jù)此可知，DK1342+000取土場填料級配不連續(xù)。

現(xiàn)場填筑壓實試驗也表明，填料的級配對其壓實性有顯著的影響。在相同的施工工藝下，填料經(jīng)壓實后的檢測結(jié)果見2。表中Ev2和Evd分別為填料壓實后的二次變形模量和動態(tài)變形模量，K30為地基系數(shù)。

表2 填料壓實質(zhì)量檢測結(jié)果

從表2中可知，DK1799+000路基取料的壓實效果要比DK1342+000取土場填料的要好，可見級配良好的戈壁細圓礫土比級配不良的戈壁礫砂土易得到良好的壓實特性。

2)填料的顆粒組成對壓實效果的影響

粗粒土的顆粒組成(粗、細顆粒含量)對其工程特性極為重要，它對現(xiàn)場壓實效果有顯著的影響。

由室內(nèi)重型擊實試驗得到填料的最大干密度如表3所示。

表3 填料擊實試驗結(jié)果

由表3可知，DK1799+000路基取料的粗顆粒含量及最大干密度均比DK1342+000取土場填料的要大，由文獻［12］可知，當(dāng)填料中粗料含量大于30% ～40%，且＜70%左右時，填料的最大干密度隨粗料含量增加而增大。因此，DK1799+000路基取料的最大干密度比DK1342+000取土場填料的要大。

根據(jù)現(xiàn)場兩工點填料的壓實效果：柴窩堡工點，壓實效果良好;而二堡工點，壓實效果較差。由上述可知，填料的顆粒組成對其壓實特性有重要的影響。當(dāng)填料的粗料含量大于30% ～40%，且＜70%左右時，粗顆粒含量大、且級配良好的戈壁細圓礫土比粗顆粒含量小、級配不良的戈壁礫砂土更易得到良好的壓實特性。

3)填料含水率對壓實效果的影響

根據(jù)我國公路與鐵路施工部門的相關(guān)經(jīng)驗［13-14］，實際施工時將填料的含水率控制在最優(yōu)含水率wopt±2%范圍內(nèi)，其壓實效果良好。

戈壁地區(qū)干旱缺水，填料的天然含水率通常較低。若不考慮運距，對填料壓實含水率控制在最優(yōu)含水率附近，不但不經(jīng)濟，而且在施工過程中往往也很難實現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)場壓實檢測結(jié)果，采用合理施工工藝對各工點填料含水率進行控制，可以保證填料得到良好的壓實效果。兩工點含水率控制情況如下：

二堡工點填料含水率的控制：此工點填料的天然含水率在1%左右，細粒含量在11%左右，填料的含水率對壓實效果影響較大。當(dāng)壓實后填料的含水率超過最優(yōu)含水率2% ～4%時，壓實效果不理想;當(dāng)壓實后填料的含水率低于最優(yōu)含水率2%時，壓實效果良好?？紤]到戈壁地區(qū)干旱缺水，且運水困難，因此，將含水率控制在低于最優(yōu)含水率2%進行碾壓。

柴窩堡工點填料含水率的控制：該工點填料為戈壁細圓礫土，其滲水性能好，待平整后直接灑水，填料的含水率一般在5.3%左右，接近最優(yōu)含水率(wopt=6.0%)，可達到良好的壓實效果。填料中細顆粒含量為3.74%，含水率對壓實影響較小，填料的天然含水率為2%～3%。通過合理的施工工藝組合，將填料的含水率控制在低于最優(yōu)含水率2% ～4%進行碾壓，根據(jù)現(xiàn)場的壓實檢測來看，完全能滿足壓實指標。

綜上所述，戈壁土填料現(xiàn)場壓實時，應(yīng)結(jié)合填料中細顆粒含量和現(xiàn)有技術(shù)、經(jīng)濟等因素進行綜合控制。當(dāng)填料中細粒含量＜5%左右時，含水率對壓實效果影響較小，含水率控制在低于最優(yōu)含水率2% ～4%;當(dāng)填料中細粒含量＞10%時，含水率對壓實效果有較大的影響，含水率控制在低于最優(yōu)含水率2%，壓實效果良好。

3 抗剪強度特性試驗

3.1 大型直剪試驗

本試驗采用DZJ-900型應(yīng)變控制式大型直剪儀，剪切盒尺寸為：300 mm×300 mm×300 mm，此直剪儀適用于粗粒土。試驗采用固結(jié)不排水快剪(固結(jié)快剪)試驗，采用位移控制方式，設(shè)定水平剪切速率為2 mm/min，在水平剪切過程中若有峰值出現(xiàn)，則在出現(xiàn)峰值的時刻認為土樣被剪壞;若在剪切過程中未出現(xiàn)峰值，則控制水平剪切變形達到28 mm時停止試驗。試驗按文獻［8］規(guī)定進行，試驗方案見表4。

表4 大型直剪試驗方案

3.2 試驗結(jié)果及分析

表5為填料在不同壓實系數(shù)，不同含水率狀態(tài)時的抗剪強度指標。表5中wopt為最優(yōu)含水率，wpt為飽和含水率。

1)填料的級配及粗細顆粒含量對其抗剪強度的影響

從表5中可知，在相同壓實系數(shù)、含水率條件下，DK1799+000路基取料的內(nèi)摩擦角φ基本上比DK1342+000取土場料的要大，特別是在較高壓實系數(shù)(k=0.95)時表現(xiàn)得更加明顯。這主要是由于DK1799+000路基取料的粗顆粒含量比DK1342+000取土場料的多，且級配良好，故而內(nèi)摩擦角φ要大。而黏聚力c的不同，主要是由于填料中細顆粒含量所致?？梢?，填料中的粗細顆粒含量對其抗剪強度有影響，粗顆粒含量大，其內(nèi)摩擦角φ亦越大。由此可知，不同的填料，其抗剪強度不同，且級配良好的細圓礫土比級配不良的砂礫土的抗剪強度指標要好。

表5 填料的抗剪強度指標

2)壓實系數(shù)對抗剪強度的影響

由表5可以看出，隨著壓實系數(shù)增大，填料的內(nèi)摩擦角φ值基本呈增大趨勢，而黏聚力c值則變化不大。同一壓實系數(shù)下，其內(nèi)摩擦角φ值相差不多，黏聚力c值變化程度依然較小。說明戈壁土填料的抗剪強度主要取決于內(nèi)摩擦角φ值。同時亦說明，提高壓實系數(shù)可以增大戈壁土填料的抗剪強度。由此可見，在實際工程中，應(yīng)對壓實系數(shù)進行控制，且保證施工質(zhì)量，防止欠壓、漏壓等因素而造成壓實不符合標準。

3)含水率對抗剪強度的影響

從表5可以得出，填料在最佳含水率狀態(tài)時，隨著壓實系數(shù)增大，填料的內(nèi)摩擦角φ增大，但均小于干燥狀態(tài)時的值;其黏聚力c也適當(dāng)增大，但仍然不大。這是由于水的加入會軟化土顆粒，甚至起到一定的潤滑作用，從而使得顆粒之間的摩擦力較干燥狀態(tài)時有所減小，因此其內(nèi)摩擦角φ會較干燥狀態(tài)時的值有所減小。而在飽和狀態(tài)時，同干燥和最佳含水率狀態(tài)相比，填料的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ值均會有所降低，降低后的強度同填料有關(guān)。DK1799+000路基取料降低后的強度指標較DK1342+000取土場料的要好。飽和狀態(tài)時的強度指標最小的原因是：由于大量的水存在，使填料中細顆粒處于游離狀態(tài)，幾乎失去粘結(jié)作用，填料中顆粒之間的咬合力失去或減小，摩擦力亦減弱，從而使得黏聚力c值和內(nèi)摩擦角φ均減小;填料中粗細顆粒含量不同，其減弱程度不同，從而導(dǎo)致了黏聚力c值和內(nèi)摩擦角φ的變化不一樣。由此可見，填料中存在有大量的水或浸水飽和后，其強度會有所降低，這對路基的穩(wěn)定性是不利的。從表中還可知，隨著壓實系數(shù)增大，填料的內(nèi)摩擦角φ值基本呈增大趨勢。可見，提高壓實系數(shù)可以改善戈壁土填料的水穩(wěn)定性。

綜上所述，應(yīng)對戈壁地區(qū)異常氣候情況下出現(xiàn)的大量降水，做好防水、排水工作，防止路基受到水的浸泡。此外，提高壓實系數(shù)對改善戈壁土填料的水穩(wěn)定性，確保路基和邊坡的穩(wěn)定性具有重要的意義。

4 填料壓縮特性試驗

4.1 室內(nèi)壓縮試驗

壓縮試驗采用DGJ-300型單杠桿固結(jié)儀，該儀器適用測量在有側(cè)限條件下土的壓縮特性，制備試樣規(guī)格為φ300 mm×300 mm;試樣為兩種含水率(最佳含水率、浸水飽和)、不同壓實系數(shù) k(0.90，0.92，0.95)下的平行試樣。試驗加載過程為：第一次加載→第一次卸載→第二次加載。試驗荷載采用分級施加方式逐級施加，卸載方式同加載方式相同。根據(jù)文獻［8］規(guī)定，測定試樣的壓縮系數(shù)a和壓縮模量Es值，試驗方案見表6。

表6 室內(nèi)壓縮試驗方案

4.2 試驗結(jié)果及分析

填料在第一和第二次加載下的壓縮指標見表7。

1)填料的級配及顆粒組成對其壓縮特性的影響

從表7中可知，DK1799+000路基取料的填料在第一和第二次加載下，兩種含水率狀態(tài)、不同的壓實系數(shù)時，其壓縮指標差異明顯，且良好。而DK1342+000取土場料的填料情況卻不同，且在浸水飽和狀態(tài)，其壓縮指標不如DK1799+000路基取料的填料。其原因是兩者的級配及粗細顆粒含量不同所致。由此可見，填料不同，其壓縮特性亦不同。戈壁礫砂土和細圓礫土填料，在最優(yōu)含水率狀態(tài)下，二者均可以得到良好的壓縮特性。但在浸水飽和狀態(tài)下，級配不良的礫砂土的壓縮特性不如級配良好的細圓礫土的好。

表7 填料在第一、二次加載下的壓縮指標

2)壓實系數(shù)對壓縮特性的影響

圖3為填料在第一次加載時，最優(yōu)含水率狀態(tài)、不同壓實系數(shù)下的壓縮指標(Es0.1-0.2，a0.1-0.2)與壓實系數(shù)的關(guān)系曲線。

圖3 壓縮指標與壓實系數(shù)關(guān)系曲線(最優(yōu)含水率狀態(tài))

從圖3中可以看出，壓縮模量隨壓實系數(shù)增大而增大，壓縮系數(shù)隨壓實系數(shù)增大而減小，壓實系數(shù)越大，壓縮指標效果越好;同DK1342+000取土場料的填料相比，DK1799+000路基取料的填料，關(guān)系曲線變化比較緩和，且在較大的壓實系數(shù)下，可以得到良好的壓縮指標。而DK1342+000取土場料的填料，其關(guān)系曲線在壓實系數(shù)增大過程中，出現(xiàn)突變的現(xiàn)象。這是由于DK1799+000路基取料的填料中粗料和細料相互填充，能保證填料在壓縮過程中，粗細料共同發(fā)揮作用，從而使得其關(guān)系曲線變化比較緩和。而DK1342+000取土場料的填料中粗料不能很好地相互填充，致使在壓縮過程中，其關(guān)系曲線出現(xiàn)突變的現(xiàn)象。由此可見，壓實系數(shù)對壓縮指標有很大的影響，且級配良好的戈壁細圓礫土能夠獲得良好的壓縮指標，而級配不良的戈壁礫砂土的壓縮指標不如前者。

3)含水率對壓縮特性的影響

圖4為填料在第一次加載時，在兩種含水率(最優(yōu)含水率、浸水飽和)、不同壓實系數(shù)下的壓縮指標(Es0.1-0.2，a0.1-0.2)與壓實系數(shù)k的關(guān)系曲線。

圖4 壓縮指標與壓實系數(shù)關(guān)系曲線(兩種含水率狀態(tài))

從圖4中可以看出，兩種含水率狀態(tài)的壓縮模量隨壓實系數(shù)增大而增大，壓縮系數(shù)隨壓實系數(shù)增大而減小。最優(yōu)含水率狀態(tài)的壓縮模量與壓實系數(shù)關(guān)系曲線均在浸水飽和狀態(tài)的上側(cè)，且增幅較大，壓實系數(shù)越大，其壓縮指標越好。而壓縮系數(shù)與壓實系數(shù)關(guān)系曲線則反之。在浸水飽和狀態(tài)，DK1799+000路基取料的填料，其關(guān)系曲線位于20 MPa上側(cè)，而DK1342+000取土場料的填料關(guān)系曲線位于20 MPa下側(cè)，且隨壓實系數(shù)增大，其增幅均較小。說明填料在浸水飽和后，壓縮模量會有所降低，降低的幅度與填料有較大的關(guān)系。由此可見，含水率對填料的壓縮特性有影響，且提高壓實系數(shù)，可以增強壓縮效果和改善填料的水穩(wěn)定性。

由表7可知，兩種填料在浸水飽和后，與最優(yōu)含水量狀態(tài)相比，壓縮模量均會降低。對于DK1342+000取土場料的礫砂土填料，其壓縮模量降低很大，浸水飽和后的壓縮模量均＜20 MPa，從低壓縮性的土變?yōu)橹械葔嚎s性的土。而對于DK1799+000路基取料的細圓礫土填料，浸水飽和后的壓縮模量，其降低后的值仍＞20 MPa，屬于低壓縮性的土。說明礫砂土B組填料，其水穩(wěn)定性不如細圓礫土A組填料的水穩(wěn)定性好。從表中還可以看出，壓縮模量隨壓實系數(shù)增大而增大，說明提高壓實系數(shù)，有利于提高填料的水穩(wěn)定性。由此可見，戈壁土填料的水穩(wěn)定性與壓實系數(shù)有很大的關(guān)系，且提高壓實系數(shù)，可以提高填料的水穩(wěn)定性。

此外從表7中還可知，第二次加載時，填料的壓縮模量同第一次加載時相比要大得多，壓縮指標效果比第一次加載的效果要好很多。由此可知，填料在反復(fù)加載下，壓縮模量呈增大的趨勢，而壓縮系數(shù)呈減小的趨勢，并可以獲得良好的壓縮特性。

5 結(jié)論與建議

1)填料的壓實特性與其級配及顆粒組成有關(guān)。當(dāng)填料的粗料含量大于30% ～40%，且 ＜70%左右時，粗顆粒含量大、且級配良好的戈壁細圓礫土比粗顆粒含量小、且級配不良的戈壁礫砂土易得到良好的壓實特性。

2)戈壁土填料現(xiàn)場壓實時，需從填料的細顆粒含量、現(xiàn)有技術(shù)、經(jīng)濟等因素來綜合控制壓實含水率。當(dāng)填料中細粒含量＜5%左右時，含水率對壓實效果影響較小，含水率控制在低于最優(yōu)含水率2% ～4%;當(dāng)填料中細粒含量＞10%時，含水率對壓實效果有較大的影響，含水率控制在低于最優(yōu)含水率2%，壓實效果良好。

3)不同的戈壁土填料，其抗剪強度特性及壓縮特性亦不同。級配良好的細圓礫土比級配不良的礫砂土的抗剪強度及壓縮指標要好。

4)壓實系數(shù)對戈壁土填料的抗剪強度特性及壓縮特性均有很大的影響。隨著壓實系數(shù)增大，抗剪強度指標內(nèi)摩擦角值增大，壓實系數(shù)越大，壓縮指標效果越好。由此可知，增大壓實系數(shù)可以提高填料的抗剪強度，增強其壓縮指標效果。因此，在工程實踐中，為確保路基具有足夠的強度以及抵抗變形的能力，應(yīng)對壓實系數(shù)進行控制，并嚴格控制現(xiàn)場壓實質(zhì)量。

5)含水率對戈壁土填料抗剪強度特性及壓縮特性有一定的影響。戈壁土填料中當(dāng)有大量水存在時(尤其處于飽和狀態(tài)時)，其強度特性和壓縮特性均不如最優(yōu)含水率狀態(tài)時的，且級配不良的填料，其值降低較大。因此，在實際工程中，應(yīng)盡量選擇A組填料作為高標準鐵路路基填料。同時為防止異常氣候情況對路基工程的不良影響，應(yīng)做好路基的防水、排水工作，防止路基受到水的浸泡。

6)戈壁土填料可以通過增大壓實系數(shù)或反復(fù)加載，來獲得較好的壓縮特性。壓實系數(shù)越大，填料的壓縮效果越好;反復(fù)加載后，填料的壓縮效果更好。

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TU523.1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2013.06.27

1003-1995(2013)06-0091-06

2013-02-20;

2013-03-20

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2009G020-C)

李鯤(1976— )，男，甘肅天水人，高級工程師，碩士。

(責(zé)任審編 王 紅)