楊寶慶

(吉林東煤建筑基礎(chǔ)工程公司，吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引言

路基填料性能的優(yōu)劣直接影響填土路基的質(zhì)量，進(jìn)而關(guān)系到高速鐵路運(yùn)行的平順性和安全性。在建高速鐵路為滿足路基變形要求，保證高速列車的平穩(wěn)運(yùn)行，穩(wěn)固的枕下基礎(chǔ)尤為重要[1-2]。某高速鐵路沿線地表多分布厚度不均的花崗片麻巖強(qiáng)風(fēng)化物，巖性以黏性土、砂類土為主，B組填料比較匱乏。黏性土、砂類土壓實(shí)效果不佳，作為高鐵路基填料整體穩(wěn)定性較差，易受到降雨或水流沖刷破壞，且在一定條件下易出現(xiàn)液化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響高速鐵路的平順性[3-5]。因此，針對(duì)優(yōu)質(zhì)填料匱乏路段，如何經(jīng)濟(jì)高效的獲取合格的填料是關(guān)系高鐵建設(shè)進(jìn)度和質(zhì)量的重點(diǎn)。常用的辦法是填料外運(yùn)和改良，其中改良工藝包括物理和化學(xué)改良，具有經(jīng)濟(jì)、便捷、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在合格填料匱乏路段得到廣泛應(yīng)用[6-8]。本文依托某高速鐵路路基基床填筑工程，調(diào)查現(xiàn)有與周邊料場(chǎng)的料源特性，提出填料改良方案，介紹改良土的生產(chǎn)制備方法、工藝流程及控制要點(diǎn)，并對(duì)改良方案的可行性進(jìn)行了評(píng)估。

1 工程概況

某高速鐵路施工區(qū)段起始里程DK551+794.1～DK570+112.1，正線全長(zhǎng)18.318 km。其中路基全長(zhǎng)為14.43 km，分為17個(gè)工點(diǎn)?；驳讓犹钪穸热?.3 m，耗填81.6萬(wàn)m3。

常用的路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)力學(xué)指標(biāo)包含地基系數(shù)K30、靜態(tài)變形模量Ev2、動(dòng)態(tài)變形模量Evd、壓實(shí)度K和孔隙率n?；驳讓油馏w填筑壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 基床底層壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

地基系數(shù)K30表征地基在平面應(yīng)力作用下的可壓縮性，代表地基的剛度系數(shù)。K30是荷載板總沉降量S為0.125 cm時(shí)，施加的垂直荷載P0.125與總沉降量S0.125的比值，通過(guò)式(1)計(jì)算地基系數(shù)K30:

K30=P0.125/S0.125

(1)

其中,K30為地基系數(shù)，MPa/m;S0.125為荷載板沉降量為0.125 cm時(shí)的總沉降量，m;P0.125為荷載板沉降量為0.125 cm時(shí)的靜荷載，MPa。

靜態(tài)變形模量Ev2試驗(yàn)同樣屬于平板荷載試驗(yàn),采用二次循環(huán)加載,得到第一次加載、卸載及第二次加載的應(yīng)力-變形曲線。Ev2由第二次加載應(yīng)力-變形曲線0.3σ1max和0.7σ1max之間割線斜率確定,按式(2)計(jì)算:

(2)

其中,r為承載板半徑，mm;σ1max為第一次加載最大應(yīng)力，MPa;a1，a2分別為一次項(xiàng)和二次項(xiàng)系數(shù)，mm/MPa。

動(dòng)態(tài)變形模量Evd是表征地基在沖擊力作用下抵抗變形的能力,通過(guò)最大沖擊力Fs為7.07 kN和沖擊時(shí)間ts為18 ms時(shí)荷載板的實(shí)測(cè)沉降量s進(jìn)行計(jì)算:

Evd=22.5/s

(3)

其中,Evd為動(dòng)態(tài)變形模量;s為荷載板在最大沖擊力Fs為7.07 kN和沖擊時(shí)間ts為18 ms時(shí)的沉降值。

2 料源特性

此區(qū)段路基填料料源為花崗片麻巖強(qiáng)風(fēng)化物,料源最大粒徑10 mm～20 mm,小于0.075 mm顆粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))占3%～6%,屬砂類土礫砂或礫石類細(xì)礫土B組。各個(gè)土料場(chǎng)土料特征指標(biāo)如表2所示。

表2 路基填料料源特性指標(biāo)

在現(xiàn)有的5個(gè)料場(chǎng)分別對(duì)不同工藝組合的填料進(jìn)行了施工工藝試驗(yàn),檢測(cè)結(jié)果表明,22 t振動(dòng)碾的碾壓質(zhì)量?jī)?yōu)于26 t,且在碾壓8遍時(shí)各項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)達(dá)到最優(yōu),孔隙率也均滿足要求。但是Ev2,Evd,K30不能全部滿足底層填筑標(biāo)準(zhǔn),因此現(xiàn)有料場(chǎng)填料不能直接用于基床底層填筑。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘對(duì)周邊21處土源進(jìn)行了調(diào)查，其中13處土源因其為地方政府政策、料源外觀特性、土地作用及附著物、道路運(yùn)輸、廠礦企業(yè)布置、村莊位置、危橋、文物、風(fēng)景區(qū)等等原因無(wú)法開采。其余8處土源經(jīng)取樣分析,其中除1個(gè)料源點(diǎn)特性為低液限粉土C組料外,其余7個(gè)料源點(diǎn)為砂類土礫砂B組,與現(xiàn)有取土場(chǎng)土料性質(zhì)基本一致。因此周邊地區(qū)的料源也不能直接用于基床底層填筑。

3 基床底層填料改良試驗(yàn)

3.1 填料改良試驗(yàn)方案

對(duì)現(xiàn)有料場(chǎng)填料的改良試驗(yàn)分兩個(gè)階段進(jìn)行[9]。第一階段采用物理改良措施,方案為在填料中摻加10%，20%,30%碎石,選取有代表性的C，E料場(chǎng)兩個(gè)料源進(jìn)行工藝試驗(yàn)。第二階段為補(bǔ)充對(duì)比試驗(yàn),在第一階段的成果基礎(chǔ)上,增加了15%,25%碎石摻量和10%,15%,20%黏土摻量物理改良方案及5%,8%,11%石灰摻量化學(xué)改良方案。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1為摻加碎石物理改良試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。碎石摻量增加有助于Ev2,Evd和K30提升。摻量由10%提升至25%,指標(biāo)增幅較小;當(dāng)摻量提升至30%后,指標(biāo)改善程度顯著增強(qiáng)。這是由于當(dāng)5 mm以上顆粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))低于30%時(shí),土料呈現(xiàn)礫砂特征;當(dāng)5 mm以上顆粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于30%時(shí),土料呈現(xiàn)細(xì)礫土特性。因此,5 mm以上顆粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于30%時(shí),土料測(cè)試指標(biāo)Evd,K30,Ev2和n均能達(dá)到底層填筑標(biāo)準(zhǔn)。

圖2為摻加黏土物理改良試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果?？梢钥闯?三種不同摻量黏土物理改良填料后,Ev2,Evd,K30檢測(cè)指標(biāo)變化不明顯,均不能滿足路基基床底層填料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。究其原因,現(xiàn)有料場(chǎng)屬砂類土礫砂土料,土料中粗顆粒含量很少,土料骨架作用不明顯[10]。此外,由于本區(qū)段黏土資源缺乏,試驗(yàn)采用的黏土結(jié)團(tuán)現(xiàn)象較明顯,且料源中含有膠結(jié)的礫砂,不能與填料混合均勻。

圖3為摻加石灰化學(xué)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果。采用石灰化學(xué)改良后,土料特性得到明顯改變。石灰化學(xué)改良土在8%石灰摻量下,Ev2，Evd，K30檢測(cè)指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。此外,壓實(shí)質(zhì)量隨著石灰劑量增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì),但檢測(cè)結(jié)果的離散性較大。究其原因,石灰改良土在路基上灑水悶土后引起土料含水不均勻,表層和底層含水差異較大,從而造成壓實(shí)質(zhì)量離散性較大[11]。

根據(jù)現(xiàn)有料場(chǎng)填料改良的試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析,最終確定的改良方案為在現(xiàn)有料場(chǎng)土料中摻加30%碎石。

4 改良土生產(chǎn)制備

4.1 改良土生產(chǎn)制備方案

為確保改良土摻配成品質(zhì)量,改良土摻配原定采用廠拌方案(機(jī)械拌制)。但受現(xiàn)場(chǎng)拌合系統(tǒng)廠拌產(chǎn)能限制,借鑒面板壩墊層料常規(guī)摻配技術(shù),并根據(jù)摻配工藝試驗(yàn)結(jié)果,確定采用料場(chǎng)平攤碎石、立面混采、二次翻倒攪拌方案。

1)料源要求。

土料為摻配規(guī)劃料場(chǎng)清表后合格料,并符合A組、B組土技術(shù)指標(biāo)要求,最大粒徑不超過(guò)10 cm。碎石采用級(jí)配碎石用料,即采用碎石生產(chǎn)場(chǎng)破碎混合料,最大限制粒徑63 mm。

2)物理改良土摻配生產(chǎn)工藝流程。

根據(jù)確定的改良土制備方案,物理改良土摻配生產(chǎn)的內(nèi)容包括料場(chǎng)清表、級(jí)配碎石摻配參數(shù)確定、攤鋪碎石、立面開采、二次翻倒、立面挖裝和填筑施工等,具體的工藝流程如圖4所示。

3)物理改良土摻配生產(chǎn)方法。

a.確定級(jí)配碎石摻量。

取料場(chǎng)土料進(jìn)行土工試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其原位密度是2.10 g/cm3,碎石的堆積密度是1.72 g/cm3。依據(jù)碎石與改良土料比值為30%,獲得碎石與土料體積的比值為52%。

b.料場(chǎng)攤鋪碎石立面混采。

料場(chǎng)規(guī)劃:根據(jù)土料場(chǎng)具體地理位置和土料實(shí)際情況,把定泉山溝料場(chǎng)、付邱料場(chǎng)、諸家莊料場(chǎng)作為改良土的生產(chǎn)料場(chǎng)。在料場(chǎng)中選擇較為平坦的位置并合理分區(qū),用作改良土的摻配場(chǎng)地。

料場(chǎng)整平:料場(chǎng)整平應(yīng)用推土機(jī),清除區(qū)域中一定厚度的表層土,使料場(chǎng)摻配區(qū)域土面基本保持水平,從而方便控制級(jí)配碎石的攤鋪厚度。

攤鋪級(jí)配碎石:按每層摻配土層開采厚度2.0 m計(jì)算,土層上部須攤鋪級(jí)配碎石厚度為1.04 m。攤鋪前根據(jù)級(jí)配碎石運(yùn)輸車輛容積計(jì)算卸料間距,并灑方格網(wǎng)標(biāo)識(shí),同時(shí)人工配合機(jī)械用碎石堆設(shè)厚度控制墩。攤鋪卸料由專人指揮,確保每個(gè)方格內(nèi)卸一車碎石。碎石卸料完成后采用推土機(jī)根據(jù)控制墩頂高攤鋪碎石,平地機(jī)平整。

立面開采:碎石的堆砌采用反鏟立面混采法。用標(biāo)桿尺及時(shí)測(cè)量土料的開采厚度,并及時(shí)調(diào)整標(biāo)桿位置,確保在立面開采時(shí)進(jìn)行參照,確保達(dá)到規(guī)定的開采厚度。

二次翻倒:在土料不均勻位置處,使用反鏟或裝載機(jī)進(jìn)行二次翻倒,使土料能夠均勻摻配。

c.機(jī)械斗容摻配比例。

由于料場(chǎng)場(chǎng)地較為狹窄,且地面起伏較大。因此開采土料后,使用裝載機(jī)將土料運(yùn)至采土區(qū)域附近較為平坦寬闊的摻配場(chǎng)地。按照碎石和土料的體積比,分別挖運(yùn)級(jí)配碎石和土料,為便于摻配均勻,碎石與土料以1∶2的比值交替挖運(yùn)并堆砌。

4)摻配生產(chǎn)過(guò)程控制要點(diǎn)。

a.及時(shí)對(duì)配好的改良土進(jìn)行篩分試驗(yàn),檢測(cè)碎石摻量是否達(dá)到改良設(shè)計(jì)要求。當(dāng)碎石摻量不足時(shí),要進(jìn)行二次摻配。

b.保證級(jí)配碎石的攤鋪厚度,使用方格網(wǎng)法和堆厚度控制土墩法控制碎石摻量。厚度不足的位置要及時(shí)補(bǔ)充碎石,確保達(dá)到配比要求。

c.嚴(yán)格控制開采厚度,開采過(guò)程中及時(shí)調(diào)整標(biāo)桿位置,開采土層寧薄勿厚。

d.使用機(jī)械斗容摻配比例生產(chǎn)方法,碎石和土料交替挖運(yùn)并堆成土堆,鏟斗挖運(yùn)量以摻配體積比為參考,使摻配量達(dá)到要求。

e.在摻配生產(chǎn)過(guò)程中杜絕摻配成品料中出現(xiàn)級(jí)配碎石窩集現(xiàn)象,如發(fā)現(xiàn)及時(shí)進(jìn)行多次翻倒處理,確保摻配碎石均勻。

f.碎石備料區(qū)、半成品區(qū)及摻配成品料堆均須掛牌標(biāo)識(shí)。

4.2 改良效果評(píng)估

1)技術(shù)評(píng)估。

在摻配過(guò)程中,要及時(shí)進(jìn)行摻配料場(chǎng)篩分檢測(cè),確保碎石摻量達(dá)到要求。同時(shí)采用加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)摻配標(biāo)準(zhǔn)化施工管理及過(guò)程控制等手段,解決碎石摻配均勻性及摻量不穩(wěn)定等現(xiàn)象。采用該摻配方案操作簡(jiǎn)單,能充分利用土方設(shè)備,拌制強(qiáng)度高,質(zhì)量可控,滿足基床底層填筑施工的各方面要求。

2)經(jīng)濟(jì)評(píng)估。

經(jīng)計(jì)算,每方(碾壓成品方)改良土采用機(jī)械場(chǎng)拌單價(jià)為8.3元,采用料場(chǎng)立面混采、二次翻倒攪拌方案單價(jià)為4.3元,每立方米節(jié)約造價(jià)4.0元,大大降低了施工成本。本區(qū)段基床底層填方共81.2萬(wàn)m2,共計(jì)節(jié)約投資約325萬(wàn)元,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

依托某高速鐵路路基基床填筑工程,調(diào)查了現(xiàn)有與周邊料場(chǎng)的料源特性,提出了摻加碎石、黏土摻量物理改良和摻加石灰化學(xué)改良三種方案。結(jié)合改良效果和經(jīng)濟(jì)效益,明確采用摻加30%碎石的物理改良方案。在此基礎(chǔ)上,對(duì)改良土的生產(chǎn)制備方案、工藝流程及控制要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的論述,并通過(guò)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面評(píng)估了改良方案的可行性。研究表明,摻入30%碎石用于填筑基床底層路基,其壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)Ev2，Evd，K30和n均能滿足鐵路路基基床底層填筑標(biāo)準(zhǔn)要求,且經(jīng)濟(jì)效益顯著。