大何鐵路水泥改良粉細(xì)砂路基穩(wěn)定性研究

賈 燕

(中鐵一院集團(tuán)蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州 730000)

1 概述

新建大何鐵路(大塔—何家塔鐵路)為鄂爾多斯地區(qū)“三橫四縱”鐵路網(wǎng)建設(shè)格局中的“三橫”之一。大何鐵路全長(zhǎng)140 km，為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)單線電氣化鐵路，填料標(biāo)準(zhǔn)要求較高，基床強(qiáng)度及工后沉降控制較嚴(yán)?！惰F路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］(TB 10001—2005)規(guī)定，Ⅰ級(jí)鐵路的路堤基床表層應(yīng)選用A組填料(砂類土除外)，當(dāng)缺乏A組填料時(shí)經(jīng)經(jīng)濟(jì)比選可采用級(jí)配碎石或級(jí)配砂礫石;路堤基床底層應(yīng)選用A、B組填料，否則應(yīng)采取土質(zhì)改良或加固措施。

大何鐵路地處內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯高原和庫(kù)布其沙漠東部過渡地帶，自新包神鐵路大塔站引出后沿庫(kù)布其沙漠邊緣的低山丘陵區(qū)向北行進(jìn)，地表多分布厚度不等的第四系全新統(tǒng)風(fēng)積粉細(xì)砂。粉細(xì)砂由于其特殊的組成、結(jié)構(gòu)和物理狀態(tài)，若直接將粉細(xì)砂作為路基填料，則路基整體穩(wěn)定性差，承載能力低，在一定條件下極易產(chǎn)生液化及出現(xiàn)水流沖蝕等病害，不符合路基基床填料的設(shè)計(jì)要求［2］。如果基床表層及底層完全依靠外運(yùn)級(jí)配碎石或級(jí)配砂礫石等合格的填料，既不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)。

為節(jié)省工程投資，大何鐵路決定就地取材，采用水泥改良粉細(xì)砂作為大何鐵路路基基床底層填料［3-4］。為了有效控制水泥改良粉細(xì)砂路基的工后沉降及其沉降變形速率，決定在正線上填筑路基試驗(yàn)段，對(duì)其工后沉降及其沉降變形速率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)水泥改良粉細(xì)砂路基的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)沉降發(fā)展的趨勢(shì)、速率及剩余沉降量等試驗(yàn)結(jié)果來指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

2 試驗(yàn)段測(cè)試斷面及測(cè)試原器件布設(shè)

大何鐵路水泥改良粉細(xì)砂路基試驗(yàn)段起訖里程為DK25+550—DK25+850，全長(zhǎng)300 m，線路以填方形式在沙漠中穿過，所在區(qū)域內(nèi)粉細(xì)砂中除細(xì)粒含量＜5%且級(jí)配良好的粉細(xì)砂可作為B組填料外，其余均只能作為C組填料。試驗(yàn)段路基基底采用重錘夯實(shí)進(jìn)行處理，基床底層采用水泥摻量為5%的改良粉細(xì)砂填筑［5-7］，厚度1.9 m，基床底層以下采用現(xiàn)場(chǎng)粉細(xì)砂(屬于C組填料)直接進(jìn)行填筑。大何鐵路水泥改良粉細(xì)砂路基試驗(yàn)段共設(shè)置6個(gè)試驗(yàn)斷面，分別為DK25+570，DK25+620，DK25+670，DK25+720，DK25+770，DK25+820。各試驗(yàn)區(qū)段長(zhǎng)40 m，區(qū)段內(nèi)設(shè)置1個(gè)試驗(yàn)斷面。區(qū)段之間設(shè)置有10 m的過渡段，如圖1所示。

試驗(yàn)段路基面設(shè)計(jì)寬度為7.8 m，平均填方高度5.0 m，邊坡坡率為1∶2，6個(gè)試驗(yàn)斷面中對(duì)地表水平位移、地層內(nèi)水平位移、路基面沉降、地基不同深度沉降、全斷面沉降等路基變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)［8］。各試驗(yàn)的試驗(yàn)斷面測(cè)試原器件布設(shè)方式如圖2所示，各試驗(yàn)的試驗(yàn)斷面測(cè)試原器件布設(shè)數(shù)量如表1所示。

圖1 大何鐵路水泥改良粉細(xì)砂試驗(yàn)段路基縱向平面布置

圖2 DK25+720代表斷面測(cè)試原器件布設(shè)示意

表1 試驗(yàn)斷面里程及元器件布設(shè)匯總

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 地基分層沉降變形

為分析由地基沉降引起的豎向應(yīng)變?cè)谏疃确较蛏系姆植家?guī)律，采用沉降板、分層沉降管等元器件，在各試驗(yàn)斷面的線路中心處、距離路肩0.5 m處、坡腳外1.0 m處的豎直面分別進(jìn)行了沉降變形數(shù)據(jù)的采集。以DK25+570測(cè)試斷面為例，線路中心處的沉降變形量隨埋深的增加而遞減，且隨路基填筑完成時(shí)間而遞減，如圖3所示。即在路基面下0.5 m處的累計(jì)變形量為40～180 mm，而路基面下10.4 m處的累計(jì)變形量則為0.3～0.5 mm。

圖3 DK25+570試驗(yàn)斷面路基線路中心處變形曲線

同時(shí)，DK25+570試驗(yàn)斷面的路肩面下與坡腳面下的沉降變形規(guī)律同線路中心的沉降變形規(guī)律基本一致，但其累計(jì)變形量小于路基中心的累計(jì)變形量，即路肩面下0.5～10.6 m深度范圍內(nèi)的最大累計(jì)變形量為7～70 mm(如圖4所示)，坡腳面下0.5～6.0 m深度范圍內(nèi)的最大累計(jì)變形量為29～70 mm(如圖5所示)。

圖4 DK25+570試驗(yàn)斷面路肩面下變形曲線

圖5 DK25+570試驗(yàn)斷面坡腳面下變形曲線

試驗(yàn)路基各試驗(yàn)斷面的累計(jì)變形量如表2所示。

表2 試驗(yàn)路基各試驗(yàn)斷面累計(jì)變形量

從表2看出，在2011年11月8日至2013年3月20日的觀測(cè)期內(nèi)，各試驗(yàn)斷面路基中心表面的累計(jì)變形量最大，為150～191 mm，路肩表面的累計(jì)變形量次之，為50～110 mm，坡腳表面的累計(jì)變形量最小，為26～45 mm。且各路基表面的累計(jì)變形量與路基填高有較為密切的關(guān)系，除個(gè)別路段外，即總體而言路基填筑高度越大，表面的累計(jì)變形量越大，這與路基填筑荷載有關(guān)。但從總體上看，該試驗(yàn)段內(nèi)DK25+720斷面的路基填筑高度最大，為5.5 m，而路基中心表面的累計(jì)變形量?jī)H為191 mm，也即工后變形量在不大于200 mm的可控范圍之內(nèi)［1］，以5%水泥改良粉細(xì)砂作基床底層填料的路基整體是穩(wěn)定的，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 路基橫剖面沉降變形

為監(jiān)測(cè)和評(píng)估各試驗(yàn)斷面的路基橫向沉降變形，采用剖面沉降管對(duì)各試驗(yàn)斷面進(jìn)行了橫剖面沉降變形觀測(cè)。DK25+570試驗(yàn)斷面的路基橫剖面沉降變形曲線如圖6所示。

圖6 DK25+570試驗(yàn)斷面路基橫剖面沉降變形曲線

從圖6可以看出，DK25+570試驗(yàn)斷面路堤與地面交接處的橫向沉降變形曲線基本呈拋物線形分布，在路堤坡腳處的累計(jì)變形量較小，為10～30 mm，路堤中心位置處的累計(jì)變形量較大，為50～65 mm。各測(cè)試點(diǎn)的累計(jì)變形量2013年3月較2011年11月有所增大，路堤中心處的最大值相差為16.6 mm。

其它各試驗(yàn)斷面 DK25+620，DK25+670，DK25+720，DK25+770，DK25+820路堤與地面交接處橫向沉降變形曲線與DK25+570試驗(yàn)斷面相似，其中心最大變形量分別為 65.8，88.1，91.2，87.3，64.0 mm，2013年3月與2011年11月相比，6個(gè)試驗(yàn)斷面的變形增加量為15.3～22.6 mm，如圖7所示。

圖7 各試驗(yàn)路堤與地面交接處橫剖面最大沉降量及增量

3.3 試驗(yàn)路基穩(wěn)定性分析

從圖3～圖6可以看出，路基中心表面(路基面下0.5 m)的累積變形量最大。由表2可以看出，試驗(yàn)斷面 DK25+570，DK25+620，DK25+670，DK25+720，DK25+770，DK25+820中心表面工后最大累積沉降變形量分別為 180，170，150，191，190，160 m，均小于《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10001—2005)規(guī)定的累積變形量不應(yīng)大于200 mm的要求［1］。

同時(shí)，從圖3還可以看出，試驗(yàn)斷面DK25+570中心表面(路基面下0.5 m)2013年3月較2012年3月的最大累積變形量增量為20 mm，即最大沉降變形速率為20 mm/年。同理可知，DK25+620，DK25+670，DK25+720，DK25+770，DK25+820 等 5 個(gè)試驗(yàn)斷面工后最大沉降變形速率分別為 32，17，23，27，19 mm/年，均小于《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10001—2005)規(guī)定的累積變形速率不應(yīng)大于50 mm/年的要求［1］。

4 結(jié)語

1)新建大何鐵路沿線廣泛分布的粉細(xì)砂無法滿足Ⅰ級(jí)鐵路對(duì)路基基床填料的要求。因此，在DK25+550—DK25+850設(shè)立試驗(yàn)段，以5%水泥摻量改良后的粉細(xì)砂做基床底層填料進(jìn)行填筑試驗(yàn)，并對(duì)其工后沉降及沉降變形速率進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，有利于就地取材，同時(shí)為控制工后沉降提供理論依據(jù)。

2)以5%水泥摻量改良后的粉細(xì)砂作基床底層B組填料時(shí)，填筑高度為4.0～5.5 m的試驗(yàn)路堤中心表面的工后累積沉降變形量為150～191 mm，其工后沉降變形速率介于17～32 mm/年，滿足《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10001—2005)規(guī)定的累積變形量不應(yīng)大于200 mm、累積變形速率不應(yīng)大于50 mm/年的具體要求。

3)以5%水泥摻量改良后的粉細(xì)砂作基床底層B組填料時(shí)，路堤整體是穩(wěn)定的，既滿足設(shè)計(jì)要求，又節(jié)約建設(shè)成本。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10001—2005 鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10035—2006 鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.

［3］葉彩娟，辛文棟.水泥改良細(xì)砂填料工程性能試驗(yàn)研究［J］.山西建筑，2008，34(10):166-167.

［4］雷杰，黃志軍.水泥改良粉細(xì)砂在干濕環(huán)境下力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2012(11):84-87.

［5］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10102—2004 鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2010.

［6］王素靈.水泥改良土路基填筑施工技術(shù)［J］.鐵道建筑，2008(3):56-58.

［7］趙光鵬，馬楠.水泥土性能及其影響因素的分析［J］.山西建筑，2008，34(13):98-101.

［8］周家，成方燾.粉細(xì)砂填筑路基結(jié)構(gòu)形式探討［J］.鐵道建筑，2010(5):71-73.