城際鐵路黃土填料路基壓實(shí)響應(yīng)與力學(xué)特征研究

張照龍 蔣應(yīng)軍 沙紅衛(wèi) 董鑫 張政 張偉

（1.陜西西韓城際鐵路有限公司，西安710054；2.長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710064；3.陜西西法（北線）城際鐵路有限公司，西安710065；4.陜西鐵路集團(tuán)有限公司，西安710199）

黃土廣泛分布在我國(guó)西北、東北、華中和華東部分地區(qū)。在鐵路工程建設(shè)中，常采用黃土作為路基填料。黃土填料路基的壓實(shí)通常采用振動(dòng)碾壓法。大量工程實(shí)踐表明，黃土填料路基振動(dòng)壓實(shí)后，路基的塑性變形、滲透系數(shù)等物理力學(xué)特性均有明顯改善。研究黃土填料路基的壓實(shí)響應(yīng)特性與力學(xué)特性，對(duì)于提高路基的穩(wěn)定性、保證施工質(zhì)量有著重要意義［1-3］。

在黃土填料的壓實(shí)響應(yīng)特征方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者從黃土路基壓實(shí)的技術(shù)，影響因素、機(jī)理等方面進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)［4-6］通過(guò)黃土路基室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停芯苛苏穹?、振?dòng)頻率、碾壓速度與碾壓次數(shù)對(duì)黃土填料壓實(shí)系數(shù)的影響，確定了黃土路基最佳振動(dòng)壓實(shí)作業(yè)參數(shù)，即：振幅1.6 mm、頻率30～32 Hz、碾壓速度1.12～1.30 km/h、振動(dòng)碾壓次數(shù)不宜超過(guò)7遍。文獻(xiàn)［7］研究了黃土松鋪厚度、碾壓次數(shù)與壓實(shí)效果的關(guān)系，提出了針對(duì)不同松鋪厚度的適宜碾壓次數(shù)推薦值及黃土大噸位壓實(shí)工藝控制參數(shù)。在鐵路路基填料的力學(xué)特征方面，文獻(xiàn)［8］通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了9種路基填料在不同壓實(shí)系數(shù)下地基系數(shù)K30和動(dòng)態(tài)變形模量Evd的相關(guān)關(guān)系，證明了細(xì)粒土的K30與Evd存在較好的相關(guān)關(guān)系。文獻(xiàn)［9］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了7種路基填料Evd與壓實(shí)系數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明粗粒土、細(xì)粒土的Evd與壓實(shí)系數(shù)存在很好的相關(guān)性，并建立了不同填料Evd檢測(cè)路基壓實(shí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，現(xiàn)階段對(duì)于黃土填料路基壓實(shí)響應(yīng)特征與力學(xué)特征的研究大部分還停留在室內(nèi)模擬試驗(yàn)階段，其結(jié)果缺乏現(xiàn)場(chǎng)的研究支撐。本文依托陜西新建城際鐵路西安至法門寺北線工程，現(xiàn)場(chǎng)深入研究黃土路基填料的壓實(shí)響應(yīng)特征與力學(xué)特征，為黃土路基填料的工程應(yīng)用及施工質(zhì)量控制提供依據(jù)。

1 研究方案

1.1 黃土物理特性

黃土填料取自西法城際鐵路北線DK32+200，其屬于黏質(zhì)黃土，呈褐黃色，以黏粒為主、粉粒次之，土質(zhì)不均勻，結(jié)構(gòu)疏松，軟塑-硬塑、硬塑為主，濕陷性等級(jí)Ⅱ級(jí)。

根據(jù)TB 1001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)填料組別分類的要求，其塑性指數(shù)Ip≥10，液限ωL＜40，該黃土填料為低液限黏土，屬于C3組填料。通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水率為14%，最大干密度為1.894 g/cm3。黃土填料物理性質(zhì)見表1。

表1 黃土填料基本物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方案

填筑工藝試驗(yàn)段長(zhǎng)度約為60 m，底部寬約8 m。試驗(yàn)段地點(diǎn)為西法北線DK32+200取土場(chǎng)。

1）路基黃土填料壓實(shí)響應(yīng)研究方案

壓路機(jī)：選用振動(dòng)壓路機(jī)為柳工22 t單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)和中大39 t單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)。

碾壓方式：擬采用2種碾壓方案，見表2。方案rq為傳統(tǒng)碾壓方式；方案qq為改進(jìn)后的碾壓方式。

表2 碾壓方式方案

不同松鋪厚度下的最大可壓實(shí)水平研究：選用22 t振動(dòng)壓路機(jī)時(shí)，松鋪厚度擬為30，35，40 cm；選用39 t振動(dòng)壓路機(jī)時(shí)，松鋪厚度擬為45，55 cm。

壓實(shí)系數(shù)檢測(cè)：碾壓過(guò)程中每靜壓1遍或振動(dòng)碾壓2遍測(cè)定壓實(shí)系數(shù)1次。由于振動(dòng)壓實(shí)土體時(shí)上層土體比中下層土體要密實(shí)，為檢測(cè)路基整層的平均壓實(shí)系數(shù)，檢測(cè)時(shí)灌砂坑的深度為碾壓后實(shí)際壓實(shí)厚度。鑒于灌砂法檢測(cè)壓實(shí)系數(shù)耗時(shí)較長(zhǎng)，因而通過(guò)碾壓前后的高程差初步評(píng)價(jià)壓實(shí)效果，以提高碾壓效率，減少壓實(shí)度檢測(cè)次數(shù)。

2）壓實(shí)黃土路基力學(xué)特征

分別在壓實(shí)系數(shù)K≈0.90，0.93，0.95段落上檢測(cè)K30（碾壓完成后4 h內(nèi)），距離K30檢測(cè)點(diǎn)位不超過(guò)30 cm范圍內(nèi)選擇不少于5個(gè)點(diǎn)位檢測(cè)Evd、并用灌砂法檢測(cè)該點(diǎn)壓實(shí)系數(shù)。研究壓實(shí)系數(shù)對(duì)壓實(shí)黃土K30和Evd的影響，并建立K30-Evd之間關(guān)系。

地基系數(shù)K30檢測(cè)：使用地基系數(shù)K30測(cè)試儀在路基頂面進(jìn)行靜壓平板載荷試驗(yàn)，剛性荷載板的直徑為30 cm，采用單循環(huán)逐級(jí)加載的方式，以0.04 MPa的增量進(jìn)行加載，在每級(jí)荷載作用穩(wěn)定下，讀取相對(duì)應(yīng)的沉降量和荷載強(qiáng)度值，總沉降量大于1.25 mm時(shí)，本次試驗(yàn)結(jié)束，計(jì)算式為

式中：P為沉降量對(duì)應(yīng)的荷載強(qiáng)度值，MPa；S為沉降量，m。

動(dòng)態(tài)變形模量Evd檢測(cè)：使用動(dòng)態(tài)變形模量測(cè)試儀通過(guò)自由下落的落錘進(jìn)行沖擊路基面，并測(cè)定路基土在沖擊荷載作用下產(chǎn)生的沉陷值，從而計(jì)算路基土體的動(dòng)態(tài)變形模量Evd，計(jì)算式為

式中，S1為承載板沉陷值，mm。

2 黃土填料路基壓實(shí)響應(yīng)特征分析

2.1 碾壓工藝

22 t壓路機(jī)在不同碾壓方式下對(duì)黃土路基的壓實(shí)效果見圖1。松鋪厚度35 cm，碾壓時(shí)含水率約為14%。

圖1 22 t壓路機(jī)不同碾壓工藝下路基壓實(shí)效果

由圖1中方案rq可知，靜壓1遍，弱振第2遍時(shí)，路基表面變形值基本不再變化，此時(shí)壓實(shí)系數(shù)為0.862，壓實(shí)厚度約33 cm。改為強(qiáng)振后，隨著強(qiáng)振遍數(shù)增加，黃土路基壓實(shí)系數(shù)繼續(xù)增大，當(dāng)強(qiáng)振7遍后，繼續(xù)碾壓路基表面變形值基本不再變化，此時(shí)壓實(shí)系數(shù)為0.906，壓實(shí)厚度約30 cm。

由圖1中方案qq可知，靜壓1遍，隨著強(qiáng)振遍數(shù)增加，黃土路基壓實(shí)系數(shù)不斷增大，當(dāng)強(qiáng)振8遍后，路基表面變形值基本不再變化，此時(shí)壓實(shí)系數(shù)為0.950，壓實(shí)厚度約29 cm。

因此，建議采用靜壓1遍，強(qiáng)振8遍，靜壓收面1遍的碾壓工藝。

2.2 不同松鋪厚度下的最大可壓實(shí)水平

22 t和39 t壓路機(jī)下碾壓次數(shù)與壓實(shí)系數(shù)的關(guān)系見圖2。按方案qq方式碾壓，碾壓時(shí)含水率約14%。

圖2 不同壓路機(jī)碾壓次數(shù)與壓實(shí)系數(shù)的關(guān)系

由圖2（a）可知：松鋪厚度約30 cm，22 t壓路機(jī)靜壓1遍，強(qiáng)振6遍，黃土路基達(dá)到最大可壓實(shí)水平，壓實(shí)系數(shù)0.956，壓實(shí)厚度約25 cm；松鋪厚度約35 cm，22 t壓路機(jī)靜壓1遍，強(qiáng)振8遍，黃土路基達(dá)到最大可壓實(shí)水平，壓實(shí)系數(shù)0.953，壓實(shí)厚度約30 cm；松鋪厚度約40 cm，22 t壓路機(jī)靜壓1遍，強(qiáng)振8遍，黃土路基達(dá)到最大可壓實(shí)水平，壓實(shí)系數(shù)0.913，壓實(shí)厚度約35 cm。

由圖2（b）可知，松鋪厚度約45 cm，39 t壓路機(jī)靜壓1遍，強(qiáng)振7遍，黃土路基達(dá)到最大可壓實(shí)水平，壓實(shí)系數(shù)0.955，壓實(shí)厚度35 cm；松鋪厚度約55 cm，39 t壓路機(jī)靜壓1遍，強(qiáng)振6遍，黃土路基達(dá)到最大可壓實(shí)水平，壓實(shí)系數(shù)0.915，壓實(shí)厚度40 cm。

隨著機(jī)械制造水平的不斷進(jìn)步，壓路機(jī)逐漸向大噸位、大激振力方向發(fā)展，且在實(shí)際工程中的應(yīng)用也越來(lái)越多［10-11］，與之相對(duì)的是大噸位壓路機(jī)的成本問(wèn)題。施工現(xiàn)場(chǎng)所用中大39 t壓路機(jī)的租賃費(fèi)用是柳工22 t壓路機(jī)的10倍，油耗約為3倍。使用1臺(tái)大噸位壓路機(jī)的成本相當(dāng)于使用3～4臺(tái)傳統(tǒng)噸位壓路機(jī)的成本。由圖2可知，要滿足TB 1001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的壓實(shí)系數(shù)K≥0.90的要求，當(dāng)松鋪厚度約40 cm時(shí)，22 t壓路機(jī)靜壓1遍，強(qiáng)振6遍即可；當(dāng)松鋪厚度約55 cm時(shí)，39 t壓路機(jī)靜壓1遍，強(qiáng)振4遍即可。鑒于在施工效率方面39 t大噸位壓路機(jī)與22 t等常規(guī)振動(dòng)壓路機(jī)相比并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，因此推薦選用傳統(tǒng)噸位壓路機(jī)作為主要的壓實(shí)設(shè)備。在需大厚度壓實(shí)的特殊路段，大噸位壓路機(jī)的應(yīng)用前景較為廣闊［12-14］。

3 黃土填料路基壓實(shí)力學(xué)特征分析

路基壓實(shí)質(zhì)量采用物理和力學(xué)的雙指標(biāo)控制，物理指標(biāo)統(tǒng)一采用壓實(shí)系數(shù)K；力學(xué)指標(biāo)一般為地基系數(shù)K30和動(dòng)態(tài)變形模量Evd。K30表示土體表面在平面壓力作用下產(chǎn)生的可壓縮性的大小。Evd為路基中某點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力與動(dòng)應(yīng)變之比，由于其操作簡(jiǎn)便，可以作為K30試驗(yàn)的補(bǔ)充手段。

3.1 壓實(shí)系數(shù)與地基系數(shù)、動(dòng)態(tài)變形模量的關(guān)系

黃土填料路基K與K30、Evd的相關(guān)關(guān)系見圖3。碾壓時(shí)含水率約14%。

圖3 黃土填料路基K與K30、Evd的相關(guān)關(guān)系

由圖3（a）可知，K與K30呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R＝0.97。當(dāng)壓實(shí)系數(shù)為0.90時(shí)，根據(jù)擬合公式，K30＝116 MPa/m。

由圖3（b）可知，K與Evd呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R＝0.96。當(dāng)壓實(shí)系數(shù)為0.90時(shí)，根據(jù)擬合公式，Evd＝43 MPa。

3.2 動(dòng)態(tài)變形模量與地基系數(shù)的關(guān)系

黃土填料路基Evd與K30的關(guān)系見圖4，碾壓時(shí)含水率約14%。

圖4 K30與Evd的關(guān)系

由圖4可知，K30與Evd呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R＝0.96。Evd可以很好地反應(yīng)路基真實(shí)的壓實(shí)情況。在黃土填料路基的施工中，為節(jié)約檢測(cè)時(shí)間，提高效率，完全可以以Evd為主要力學(xué)控制指標(biāo)控制路基的壓實(shí)質(zhì)量，同時(shí)檢測(cè)20%左右的K，K30作為校驗(yàn)［15］。由于Evd的檢測(cè)有很大的離散性，在檢測(cè)時(shí)應(yīng)取多個(gè)測(cè)點(diǎn)，使用格拉布斯法取代表值作為最終的結(jié)果。根據(jù)擬合公式，當(dāng)K＝0.90時(shí)，Evd＝42.5 MPa；當(dāng)K30＝90 MPa/m時(shí)，Evd＝40.6 MPa。推薦的Evd的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)值為45 MPa。

4 結(jié)論

1）壓實(shí)黃土路基選用靜壓1遍后直接強(qiáng)振的振碾方式具有較好的壓實(shí)效果。

2）使用2種噸位壓路機(jī)研究了黃土路基在不同松鋪厚度下的現(xiàn)場(chǎng)最大可壓實(shí)水平。結(jié)果表明：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)含水率為最佳含水率時(shí)，使用22 t壓路機(jī)靜壓1遍，強(qiáng)振7遍，黃土路基達(dá)到最大可壓實(shí)水平，松鋪厚度約30 cm，壓實(shí)系數(shù)0.956；松鋪厚度約35 cm，壓實(shí)系數(shù)0.953；松鋪厚度約40 cm，壓實(shí)系數(shù)0.913。使用39 t壓路機(jī)靜壓1遍，強(qiáng)振6遍，黃土路基達(dá)到最大可壓實(shí)水平，松鋪厚度約45 cm，壓實(shí)系數(shù)0.955；松鋪厚度約55 cm，壓實(shí)系數(shù)0.915。

3）黃土填料路基的Evd與K30，K呈良好的相關(guān)關(guān)系，可以選用Evd對(duì)黃土路基的壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行快速檢測(cè)，其壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)值為45 MPa。