泥質(zhì)粉砂巖改良土路基填料適宜性試驗分析

陳湘亮 ，王永和，王燦輝

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410075；2.湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，益陽，413000)

軟巖的化學(xué)成分和礦物隨地點、位置、環(huán)境等變化而變化，其強度低、遇水易軟化,人們對其能否直接用于路基填料和是否需要改良進行了研究，如：趙明華等[1]認為完全崩解后的紅巖層材料性質(zhì)穩(wěn)定，壓實度達到 95%可滿足公路路基填料的要求；王智猛等[2]對紅層泥巖路基進行了循環(huán)加載試驗，發(fā)現(xiàn)紅層泥巖可以作為客運專線基床底層及路堤本體填料；周援衡等[3]采用循環(huán)加載系統(tǒng)對全風(fēng)化花崗巖改良土路基進行現(xiàn)場循環(huán)加載試驗，并對其作為路基填料的適宜性進行了研究；卿啟湘等[4]對軟巖巖塊作為高速鐵路路堤的室內(nèi)模型進行了試驗研究；聶志紅等[5]對全風(fēng)化砂礫巖路基填料特性進行了研究；胡萍等[6?10]對軟巖改良土進行了室內(nèi)試驗研究，認為改良后的物理力學(xué)性能明顯改善，可以滿足客運專線路基填料的要求。弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖具有遇水軟化、易風(fēng)化、性質(zhì)不穩(wěn)定、強度迅速降低等特征，屬于C或D組填料，而高速鐵路對路基填料的質(zhì)量和長期穩(wěn)定性要求很高，弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖不能直接用于路基填筑，只有將其改良后才能使用。為此，本文作者針對弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及其物理改良土作為高速鐵路路基填料的適宜性進行室內(nèi)試驗研究，然后，從改良土路基的強度、剛度、水穩(wěn)定性、現(xiàn)場填筑質(zhì)量等方面進行分析，最后通過建立連續(xù)型直接數(shù)據(jù)GM(1，1)模型對路基的工后沉降進行預(yù)測，以綜合評判弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖物理改良土用于高速鐵路路基填料的適宜性。

1 泥質(zhì)粉砂巖弱—強風(fēng)化物土質(zhì)工程性質(zhì)

1.1 礦物成分和物理指標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)行巖土分類標(biāo)準(zhǔn)[11?12]，武廣(武漢—廣州)高速鐵路泥質(zhì)粉砂巖部分填料屬于C組，而大部分填料屬于D組。泥質(zhì)粉砂巖這類軟質(zhì)巖，穩(wěn)定性差，在風(fēng)化作用以及地表水和地下水的作用下，其強度迅速減弱。弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖化學(xué)成分和礦物成分差異性較大，隨地點、位置、環(huán)境等變化而變化。武廣客運專線株洲某工點弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的礦物成分分析結(jié)果見表1。由表1可見：泥質(zhì)粉砂巖中石英、方解石的質(zhì)量分數(shù)較高，但存在少量的蒙脫石，這表明其抗風(fēng)化強度能力較弱，水穩(wěn)性較差。弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖物理指標(biāo)試驗結(jié)果見表2。由表2可見：弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖屬于低液限粉質(zhì)土。

表2 泥質(zhì)粉砂巖基本物理指標(biāo)Table 2 Basic physical indexes of argillaceous siltstone

1.2 承載比(CBR)試驗

在武廣高速鐵路沿線多處取樣，針對高速鐵路無碴軌道路基的壓實度要求，設(shè)計了壓實度為 90%，92%，95%和100%共4種試驗，制樣時均在最佳含水量下進行。試驗樣本的承載比(CBR)分布如圖1所示。從直方圖分布情況看：

(1) 當(dāng)壓實度為 100%時，CBR小于 10%的樣本數(shù)占總樣本的47%，CBR小于5%的樣本占總樣本數(shù)的16.2 %；CBR主要分布區(qū)域為5%～10%，樣本數(shù)占總樣本數(shù)的30.8%。

(2) 當(dāng)壓實度為95%時，CBR小于10%的樣本數(shù)占總樣本的59.6%，CBR小于5%的樣本占總樣本數(shù)的20.2%；CBR主要分布區(qū)域為5%～10%，樣本數(shù)占總樣本的39.4%。

(3) 當(dāng)壓實度為 92%時，CBR小于 5%的樣本占總樣本的22.2%，CBR為5%～10%時的樣本數(shù)占總樣本的44.4%，是CBR的主要分布范圍。

(4) 當(dāng)壓實度為90% 時，CBR小于3%的樣本占總樣本的22.7 %，CBR位于3%～6 %范圍內(nèi)的樣本數(shù)占總樣本的54.2%，是CBR的主要分布范圍。

根據(jù)日本鐵路對 CBR(＞10%)和湖南氣候環(huán)境特點的要求，分析圖1可知：弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的CBR較低，土樣須經(jīng)改良處理之后才能作為路基填料使用。

1.3 水理性試驗

影響泥質(zhì)粉砂巖水穩(wěn)定性的因素多種多樣，要在較短的時間對各因素進行完整的試驗?zāi)M難以實現(xiàn)，因此，必須采用強化模擬試驗。根據(jù)目前的試驗條件和手段，采用以下2種方法對弱—強泥質(zhì)粉砂巖水理性進行強化模擬。

(1) 干濕循環(huán)試驗。根據(jù)弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖所處的實際環(huán)境條件，將弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖在弱酸性(pH為6.7～6.9)溶液中浸泡3 d，然后將水溶液濾出，再將泥質(zhì)粉砂巖在105 ℃下烘干后進行篩分，整個過程為1次干濕循環(huán)。如此循環(huán)15次后，分析弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖在干濕循環(huán)條件下的顆粒級配變化。

(2) 凍融循環(huán)試驗。根據(jù)弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖受到季節(jié)氣溫的影響，進行凍融循環(huán)強化模擬試驗。試驗時，將弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖在?25～?15 ℃下凍結(jié)2 d后在室溫下融化，測定其級配，為1次凍融循環(huán)。共進行15次凍融循環(huán)，測試弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖在凍融循環(huán)作用下的顆粒級配變化情況。

采用粒徑大于5 mm顆粒的破碎率對泥質(zhì)粉砂巖的水理性進行分析，結(jié)果見圖2。從圖2可見：破碎率起始變化較大，當(dāng)進行到8次循環(huán)后達10%～12%，此后變化較?。辉趦鋈谘h(huán)試驗中，破碎率開始變化也較大，當(dāng)進行到10次循環(huán)后變化較小，16%～18%，趨于穩(wěn)定。這表明凍融循環(huán)對泥質(zhì)粉砂巖級配的影響大于干濕循環(huán)的影響，大于5 mm顆粒在凍融循環(huán)或干濕循環(huán)作用下的破碎率對工程的影響較大。因此，考慮到高速鐵路無砟軌道路基的要求以及湖南氣候環(huán)境特點，弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖必須經(jīng)改良處理之后才能使用，且使用時路基填料必須采取排水、隔水和防水措施。

圖1 CBR分布直方圖Fig.1 Distribution histograms of CBR

圖2 破碎率曲線Fig.2 Curves of relative breakage rate

1.4 弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖路基填料的適宜性分析

日本道路公團利用破碎率和崩解率2項指標(biāo)作為填料的可用性判別標(biāo)準(zhǔn)，判別圖如圖3所示。圖3 中：C區(qū)為可用填料；A區(qū)為不可用填料；B區(qū)為慎用填料。

表3 顆粒級配試驗結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))Table 3 Experimental results of particle size distribution %

圖3 填料可用性的判別標(biāo)準(zhǔn)Fig.3 Suitability criteria of filling

試驗測得弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的破碎率為25%～33%，崩解率為33%～38%。故由圖2可知，其破碎率與崩解率所構(gòu)成的點落于B區(qū)與C區(qū)之間，這說明它直接用于路基填筑并不是一種非常好的填料。

而由礦物成分分析可知：泥質(zhì)粉砂巖部分填料屬于C組，大部分填料屬于D組。由表1及水理性試驗結(jié)果可知：弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的礦物成分存在一定的蒙脫石，其抗風(fēng)化強度能力較弱，水穩(wěn)性較差。由圖1可知：弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖土樣的CBR普遍較低，不能滿足高速鐵路路基填料的要求。

綜上所述，弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖不可直接用作高速鐵路路基填料，必須進行改良處理后才能使用。

1.5 弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖顆粒級配改良及分析

試驗工點弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖破碎料及外摻粗砂的篩分試驗結(jié)果見表3。從表3可見：摻20%的中粗砂后，弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖破碎料可以滿足高速鐵路路基對填料級配的顆粒粒徑要求；改良后的曲率系數(shù)為1.9，不均勻系數(shù)為85.7，級配良好。

2 室內(nèi)試驗分析

2.1 顆粒破碎試驗

細顆粒數(shù)量明顯增加和超過限制對路基的長期沉降行為有不利影響，應(yīng)予以限制。為檢驗填料的第二類動力穩(wěn)定性和自身抗凍性問題[13]，對同批填料進行連續(xù)5次輕型普氏擊實。5次的擊實功總和涵蓋了填料運輸、填筑過程和運營交通動力荷載的作用。根據(jù)德國鐵路的研究和工程經(jīng)驗，對比擊實前后級配曲線和細顆粒含量的變化可以評價施工階段運輸、碾壓過程和運營階段動力荷載的作用。而顆粒破碎主要發(fā)生在填料的運輸和填筑碾壓過程中，運營階段動力荷載引起的顆粒破碎并不明顯，或者說居次要地位。

現(xiàn)場采用20 t壓路機對路基碾壓了7次后，取路基填料進行篩分，篩分結(jié)果見圖4。從圖4可以看出：壓路機作用下弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖物理改良土表現(xiàn)為粒度為60～20 mm的顆粒質(zhì)量分數(shù)減小，粒度小于5 mm的顆粒質(zhì)量分數(shù)有所增大；粒度小于0.075 mm的顆粒質(zhì)量分數(shù)約為 30%，增大 5%，小于德國鐵路規(guī)范[14]路基本體的規(guī)定要求。改良土碾壓前后顆粒級配變化較小，說明土樣性質(zhì)較穩(wěn)定。

圖4 碾壓前后填料粒徑分布曲線Fig.4 Filler particle sizes distribution curves of before/after compaction

2.2 抗剪強度

將弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖過孔徑為60 mm篩，摻加20%中粗砂，并在不同壓實度、最佳含水量下采用靜壓法制作試件，試樣直徑為 300 mm，高度為 700 mm。然后，進行三軸試驗，共進行了4組實驗,其壓實度分別為90%，92%，95%和97%，由此得到4組試驗的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，見表4。

表4 抗剪參數(shù)試驗結(jié)果Table 4 Experimental results of shear parameters

由表4可見：隨著壓實度增加，試樣的黏聚力c增加，而內(nèi)摩擦角φ則基本沒有變化。這是因為壓實度越高，意味著顆粒之間的空隙越小，顆粒之間的分子吸力越大，因此，黏聚力就越大。

2.3 CBR與膨脹性

CBR試驗按照JTJ 051—93(《公路土工試驗規(guī)程》)進行，在最優(yōu)含水量下制樣，分別制作壓實度為92%，95%和98%共3種試件。

泡水 4 d的弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖物理改良土CBR隨壓實度的提高而增大，當(dāng)壓實度為 92%時，CBR達12.5%以上。根據(jù)日本鐵路對路基填料CBR＞10%的要求，該土樣摻中砂改良后，能用于高速鐵路路基填筑。弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖摻砂后CBR增加，泡水膨脹量減少，吸水量雖有所減少，但總量仍然較大。因此，該填料用作高速鐵路路基填筑時，還應(yīng)注意隔水防水，且不能用于浸水路堤填料。

2.4 壓縮特性

根據(jù)泥質(zhì)粉砂物理改良土擊實試件的壓縮試驗，可求出其壓縮性的指標(biāo)，以此判別壓實后路基沉降的快慢程度。

泥質(zhì)粉砂巖風(fēng)化料擊實試驗的壓縮試驗結(jié)果如下：孔隙比e1為0.43～0.56；壓縮模量Es為33.7～50.3 MPa；壓縮系數(shù) a1-2為 0.031～0.043 MPa?1?？梢姡簤簩嵍葹?2%的泥質(zhì)粉砂巖風(fēng)化料屬于低壓縮性土。據(jù)壓縮系數(shù)指標(biāo)和壓縮模量，泥質(zhì)粉砂巖改良土是一種較好的路基填筑材料，可以用于路基填筑，壓實后路基不易沉降。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 改良土路基下雨前后質(zhì)量檢測指標(biāo)對比

弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖物理改良土降雨前后檢測指標(biāo)對比結(jié)果見表5。從表5可見：雨后路基的含水量wa約增加1%，增幅不大；其他檢測指標(biāo)均有不同程度降低，但仍滿足路堤本體的設(shè)計要求；在各檢測指標(biāo)中，壓實系數(shù)K平均降低約4%，孔隙率n增加約14%，地基系數(shù)K30降低約22%，動態(tài)變形模量Evd降低約26%，二次變形模量Ev2降低約31%。由此可見：隨著路基含水量的增大，路基的壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，但衰減較快，說明泥質(zhì)粉砂巖物理改良土對水的敏感性較強。所以，對泥質(zhì)粉砂巖物理改良土填筑路基必須采取嚴格的隔水、排水措施。在弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖物理改良土路基試驗段，在其填筑頂面全斷面鋪設(shè)隔水復(fù)合土工膜，且在路基邊坡鋪設(shè)土工格柵進行加筋補強，對其進行良好的隔排水處理。要進行路基填筑表面排水，加強雨天后的晾曬、補壓。泥質(zhì)粉砂巖物理改良土作為路基本體填料，其水穩(wěn)性滿足要求。

3.2 施工后水穩(wěn)定性試驗

弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖物理改良土碾壓完成后，曾經(jīng)歷過長時間大雨沖刷，在此期間進行持續(xù)觀察，發(fā)現(xiàn)路基整體情況較好，但表面有軟化現(xiàn)象，用鐵鍬對路基進行挖掘，軟化深度為2～3 cm。

在路基上面修筑浸水試驗坑，周圍用水泥砂漿砌筑防止水滲出。再在試坑內(nèi)灌水，待坑內(nèi)積水滲完后，發(fā)現(xiàn)表層填土出現(xiàn)淤泥狀，厚度約為5 cm，且路基在連續(xù)雨水浸泡后，重車在其上行駛，形成較明顯車轍，這說明其不能作為浸水路基填料。

表5 弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖物理改良土降雨前后檢測指標(biāo)對比Table 5 Comparison of detection indexes of argillaceous siltstone physical improved soil before/ after rain

4 改良土路基的工后沉降分析

為進一步驗證泥質(zhì)粉砂巖物理改良土的長期穩(wěn)定性，在改良土路基試驗工點的地基及路基本體內(nèi)埋設(shè)沉降觀測原件，觀測其沉降情況并對工后沉降進行預(yù)測。目前的沉降預(yù)測模型主要有雙曲線法、指數(shù)曲線法、泊松曲線法、灰色理論、組合預(yù)測法等?；疑碚?GM(1,1)模型及泊松曲線法一般需要為等時空距。若為非等時空距，則需采用最小二乘原理生成等時距序列，然后，根據(jù)生成的等時距序列利用拉格朗日插值法生成等時距沉降值。本文通過建立連續(xù)型直接數(shù)據(jù) GM(1,1)沉降模型[15]對路基沉降進行預(yù)測，該方法對于自變量可以為非等時空距。設(shè)

ti∈R，且ti與ti?1之間并不一定要求等時空距，即X(t)為t的連續(xù)函數(shù)。

設(shè)其相應(yīng)的模型為

響應(yīng)方程為

可求得

同樣，按最小二乘法，有

其中：

這樣，經(jīng)2次參數(shù)擬合后得到：

采用GM(1，1)模型、泊松曲線法及式(11)對改良土路基的地基沉降進行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果見表6。從表6可以看出：GM(1，1)模型起始預(yù)測結(jié)果精度較高，但離建模數(shù)據(jù)序列越遠，預(yù)測精度越低；泊松曲線法、GM連續(xù)模型預(yù)測精度都較高；泊松曲線預(yù)測的最終沉降量為16.749 mm，但在第594天時，實際測得的地基沉降為16.810 mm，而連續(xù)型直接數(shù)據(jù)GM(1,1)模型預(yù)測結(jié)果為16.898 mm，可見GM(1,1)連續(xù)模型最終預(yù)測結(jié)果更加準(zhǔn)確。而鋪軌時地基沉降為16.680 mm，故鋪軌后的工后沉降預(yù)測最大沉降量為 0.220 mm，為預(yù)測總沉降的1.3%，說明目前工后沉降基本完成。

表6 地基沉降預(yù)測Table 6 Foundation settlement prediction mm

采用GM連續(xù)模型對路基本體沉降進行預(yù)測，預(yù)測最大沉降量為 7.574 mm，鋪軌時路基本體已沉降7.300 mm，工后沉降預(yù)測值為0.274 mm，為預(yù)測總沉降量的 3.6%，故可認為路基本體固結(jié)沉降已基本完成。綜上所述，泥質(zhì)粉砂巖改良土路基工后沉降較小，滿足武廣高速鐵路工后沉降15 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)，達到武廣高速鐵路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與運營要求。

5 結(jié)論

(1) 弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖摻入 20%中粗砂改良后，當(dāng)壓實度達到92%及以上時，滿足高速鐵路路基對強度、剛度、變形及動力穩(wěn)定性的要求，可以用作高速鐵路的路基填料。

(2) 弱—強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖一般含少量蒙脫石，對于填料的水穩(wěn)定性不利。經(jīng)過物理改良后可以用作高速鐵路的路基填料，但不適于浸水路堤的填筑，施工時應(yīng)注意隔水防水。

(3) 連續(xù)型直接數(shù)據(jù) GM(1,1)模型可以不要求自變量為等時空距，與等時空距(GM1，1)模型、泊松曲線模型相比較，精度較高，且可以在自變量連續(xù)變化時對沉降進行預(yù)測。

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