鐵路路基水溝基底輕型壓實方法及標準研究

孫嘉良

(中國鐵建股份有限公司 北京 100855)

1 引言

水是造成路基病害發(fā)生和發(fā)展、影響路基穩(wěn)定與安全的重要原因，路基排水溝就是為了保證地表和地下水順利匯集、排出所采取的措施。地表排水設施主要有側(cè)溝、邊溝、天溝、截水溝、吊溝(急流槽)等[1－3]。地下水的滲流和侵入也會對路基強度和耐久性造成影響，圬工加固強度、水溝地基強度及圬工與地基的結(jié)合強度，都是影響排水設施強度的重要因素[4－8]。排水設施應與地基良好結(jié)合，防止初期破壞，當?shù)鼗鶑姸容^低時，地基土遇水變形過程中可能導致排水設施破壞，當圬工與地基間結(jié)合不密貼時，可能出現(xiàn)圬工與地基土間發(fā)生位移、掏空等病害[9－10]?，F(xiàn)場實際情況表明，水溝基底的壓實質(zhì)量對水溝的整體質(zhì)量和壽命有很大影響。因此，路堤排水溝開挖后，需要對底部進行壓實處理，以免水溝因溝底沉降而發(fā)生開裂等損壞。但目前我國現(xiàn)行的《鐵路工程路基施工質(zhì)量驗收標準》(TB 10414—2018)中尚無對水溝溝底壓實標準的要求，且由于受到場地邊界等因素的影響，水溝基底無法使用大型壓實設備進行碾壓。因此，有必要對水溝基底的壓實方法、壓實質(zhì)量控制指標和控制標準進行研究。

2 水溝基底壓實方法

由于水溝溝底較窄，大約只有30～50 cm，即使小型壓路機都無法進入，同時，相對于路基等重要承載部位，水溝基底對壓實標準要求相對較低。課題組選用振動平板夯、手扶壓路機、振動沖擊夯對路堤邊溝和站場排水溝基底進行碾壓遍數(shù)和壓實系數(shù)K、動態(tài)變形模量Evd的對比試驗研究[11－12]。

課題組對路堤邊溝進行對比試驗，根據(jù)篩分資料，路堤邊溝基底屬于粉土(原狀土)。試驗結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 不同壓實機械壓實路堤邊溝基底碾壓遍數(shù)與壓實系數(shù)關(guān)系曲線

圖2 不同壓實機械壓實路堤邊溝碾壓遍數(shù)與動態(tài)變形模量Evd關(guān)系曲線

由試驗結(jié)果可知，無論采用哪種壓實方法均能將該試驗路堤邊溝基底壓實。其中振動平板夯和手扶壓路機的壓實效果基本相同，動態(tài)變形模量Evd、壓實系數(shù)K均隨著碾壓次數(shù)的增加而增加，當壓實到第5遍時趨于平穩(wěn)，再增加壓實遍數(shù)動態(tài)變形模量Evd、壓實系數(shù)K均變化不大。振動沖擊夯在壓實到第4遍時檢測數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)，再次增加壓實遍數(shù)動態(tài)變形模量Evd、壓實系數(shù)K均變化不大。由于振動沖擊夯的壓實次數(shù)較難統(tǒng)計和計算，壓實次數(shù)受操作人員影響很大[13－14]。

課題組又對站場排水溝基底進行對比試驗，根據(jù)篩分資料，站場排水溝基底屬于B組填料，是在已壓實的路堤上開挖而成。試驗結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 不同壓實機械壓實站場排水溝基底碾壓遍數(shù)與壓實系數(shù)關(guān)系曲線

圖4 不同壓實機械壓實站場排水溝基底碾壓遍數(shù)與動態(tài)變形模量Evd關(guān)系曲線

無論采用哪種壓實方法均能將該試驗站場排水溝基底壓實。其中振動平板夯和手扶壓路機的壓實效果基本相同，動態(tài)變形模量Evd、壓實系數(shù)均隨著碾壓次數(shù)的增加而增加，當壓實到第6遍時趨于平穩(wěn)，再增加壓實遍數(shù)動態(tài)變形模量Evd、壓實系數(shù)均變化不大。振動沖擊夯在壓實到第7遍時檢測數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)，再次增加壓實遍數(shù)動態(tài)變形模量Evd、壓實系數(shù)均變化不大。

3 壓實質(zhì)量控制參數(shù)

德國相關(guān)標準規(guī)定管道坑槽的回填材料應碾壓密實，壓實質(zhì)量控制參數(shù)采用壓實系數(shù)Dpr(輕型擊實標準的壓實系數(shù))控制，與我國《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB 50268—2008)類似。另外，由于動態(tài)平板載荷試驗省時省力，且可以在狹窄空間作業(yè)，動態(tài)平板載荷檢測方法在管道溝渠開掘中獲得廣泛應用。一般是，通過動態(tài)平板載荷試驗與密度試驗的對應關(guān)系，因地制宜地確定溝槽壓實質(zhì)量的動態(tài)平板載荷試驗值，但是在較重要的場地(部位)，必須至少進行一次密度測試來驗證動態(tài)平板載荷試驗檢測結(jié)果的可靠性。

澳大利亞有的州，為保證溝槽施工質(zhì)量，公路部門對于溝槽回填施工制定了壓實標準。溝槽包括敷設管道的溝槽和穿過路堤設置涵洞溝槽，溝槽壓實要求為:槽底的壓實系數(shù)K(輕型擊實標準)不小于1.0，回填壓實系數(shù)K(輕型擊實標準)不少于0.95。對于一般管道的地基要求壓實系數(shù)K(重型擊實標準)不小于0.93，回填壓實系數(shù)K(重型擊實標準)不少于0.95。

我國鐵路路基驗收標準中沒有對水溝溝底壓實標準的要求，《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB 50268—2008)中規(guī)定，對于剛性管道溝槽回填土灰石土墊層壓實系數(shù)K不小于0.93(重型擊實標準)，壓實系數(shù)K(輕型擊實標準)不少于0.95，柔性管道溝槽回填土管底基礎壓實系數(shù)K(輕型擊實標準)不少于0.90。

從國內(nèi)外情況看，水溝基底壓實質(zhì)量控制參數(shù)主要采用密度指標壓實系數(shù)，但由于水溝溝底空間狹小，在壓實系數(shù)試驗中，往往操作較為困難，且易產(chǎn)生誤差。動態(tài)變形模量Evd指標已廣泛應用于我國鐵路路基壓實質(zhì)量控制，其操作簡便、檢測速度快、便攜的特點，適合用于路基特殊部位檢測，且德國已有相關(guān)應用。因此，課題組研究采用動態(tài)變形模量Evd指標評價水溝基底壓實質(zhì)量的可行性和相關(guān)標準。

4 水溝基底壓實標準研究

在鐵路路基工程中，無論是路堤排水溝還是路塹側(cè)溝，其大多位于天然地層中，而天然地層細粒土往往較多。因此，課題組對粉土(細粒土)和B組填料(粗粒土)進行了壓實系數(shù)K和動態(tài)變形模量Evd對比試驗，試驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 粉土Evd與壓實系數(shù)擬合關(guān)系

圖6 B組填料Evd與壓實系數(shù)擬合關(guān)系

通過數(shù)據(jù)擬合分析，分別對上述兩種填料進行分析，其擬合公式如下:

粉土擬合公式為:y＝268.12x－212.08；R＝0.889 8。

B組填料擬合公式為:y＝265.65x－205.53；R＝0.844 5。

參考《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB 50268—2008)中對管道溝槽基礎填土壓實系數(shù)K應不小于0.90的規(guī)定，根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果，給出初步的鐵路水溝溝底基礎壓實質(zhì)量控制指標建議值，具體分析如下所示:

粉土擬合公式為:Evd＝268.12K－212.08，當壓實系數(shù)K等于0.9時，動態(tài)變形模量Evd為29.2 MPa。

B組填料擬合公式為:Evd＝265.65K－205.53，當壓實系數(shù)K等于0.9時，動態(tài)變形模量Evd為33.6 MPa。

粉土(細粒土)的動態(tài)變形模量Evd與壓實系數(shù)K之間的相關(guān)系數(shù)為0.889 8，B組填料(粗粒土)的動態(tài)變形模量Evd與壓實系數(shù)K之間的相關(guān)系數(shù)為0.844 5，說明粉土和B組填料的動態(tài)變形模量Evd與壓實系數(shù)K存在著一定的相關(guān)性，采用動態(tài)變形模量Evd指標控制壓實質(zhì)量具有可行性。

通過以上分析可知，當壓實系數(shù)K等于0.9時，粉土(細粒土)和B組填料(粗粒土)其動態(tài)變形模量有些許差別，因此對不同類型的水溝溝底填料，宜制定不同的動態(tài)變形模量Evd壓實標準，即細粒土地基Evd≥30 MPa，粗粒土地基Evd≥35 MPa。

5 結(jié)束語

(1)無論采用哪種小型壓實機械均能將水溝基底壓實，其中振動平板夯和手扶壓路機的壓實效果基本相同。但因為水溝基底空間狹小，更宜使用平板振動夯或振動沖擊夯進行碾壓。

(2)從動態(tài)變形模量試驗特點及現(xiàn)場試驗得出的粉土和B組填料的動態(tài)變形模量Evd與壓實系數(shù)K相關(guān)關(guān)系可以看出，采用動態(tài)變形模量指標控制水溝基底壓實質(zhì)量具有可行性。

(3)建議在具體工程中可采用動態(tài)變形模量指標作為快速檢測手段判斷水溝基底壓實質(zhì)量，抽檢壓實系數(shù)指標作為補充驗證。采用動態(tài)變形模量指標時，可參考以下建議值，如表1所示。

表1 水溝基底壓實控制指標及控制標準建議值