陳 堅(jiān)， 羅 強(qiáng)， 張 良， 趙明志

(西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

根據(jù)粗細(xì)顆粒含量的變化，壓實(shí)后的粗顆粒土填料具有3種典型的土體結(jié)構(gòu)類型[1-3]：(1) 懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，即土體中小顆粒為主，大顆粒懸浮在小顆粒中；(2) 骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，即土體中大顆粒相互緊密接觸，形成穩(wěn)定的骨架，小顆粒密實(shí)地充滿大顆粒之間的間隙；(3) 骨架孔隙結(jié)構(gòu)，即土體中大顆粒含量較多，小顆粒的含量不足以充滿大顆粒之間的間隙。

粗顆粒土的土體結(jié)構(gòu)類型不同，其工程特性表現(xiàn)出明顯差異。大量的研究和工程實(shí)踐表明[4-11]：懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)由于細(xì)顆粒占主導(dǎo)，其工程特性主要由細(xì)顆?？刂疲憩F(xiàn)出良好的壓實(shí)特性與防滲性能，抗剪強(qiáng)度和抗變形能力相對(duì)較低，透水性較差；骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)由于既有較多數(shù)量的大顆粒緊密接觸形成受力骨架，又有相當(dāng)數(shù)量的小顆粒密實(shí)填充骨架的間隙，具有優(yōu)良的壓實(shí)特性，且表現(xiàn)出較高的抗剪強(qiáng)度和抗變形能力，具備一定的防滲能力；骨架孔隙結(jié)構(gòu)的大顆粒數(shù)量足以形成受力骨架，小顆粒含量較少不足以填充滿骨架間隙，一般表現(xiàn)出相對(duì)較好的抗剪強(qiáng)度和抗變形能力，但可能呈現(xiàn)不易壓實(shí)的特性，尤其因?yàn)榉植加诠羌茴w粒間隙中的小顆粒土處于“游離”或“松散”狀態(tài)，極易在滲流水的作用下被帶走，引起土體管涌破壞。因而，準(zhǔn)確判定粗顆粒土填料的土體結(jié)構(gòu)類型，對(duì)掌握粗顆粒土填料的工程特性具有重要意義。

級(jí)配碎石是高速鐵路路基基床表層的主要填料，為保證高速鐵路基床結(jié)構(gòu)在列車動(dòng)荷載作用下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，不發(fā)生明顯或持續(xù)的塑性累積變形，文獻(xiàn)[12]對(duì)其級(jí)配進(jìn)行了嚴(yán)格控制，明確限定了顆粒級(jí)配范圍。但顆粒級(jí)配在規(guī)定的級(jí)配范圍內(nèi)變化時(shí)，壓實(shí)后可能呈現(xiàn)不同的土體結(jié)構(gòu)類型，對(duì)基床結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期使用性能產(chǎn)生影響。一般認(rèn)為，對(duì)于長(zhǎng)期承受列車動(dòng)荷載和氣候環(huán)境作用的級(jí)配碎石填料，壓實(shí)后的土體結(jié)構(gòu)類型優(yōu)選骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，宜避免懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)。因?yàn)閼腋∶軐?shí)結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期的列車動(dòng)荷載作用下可能產(chǎn)生明顯的塑性累積變形，影響軌道的平順性，在雨水充足地區(qū)，還可能因?yàn)榭紫端畞聿患芭懦?，引起土體強(qiáng)度降低，導(dǎo)致基床破壞。嚴(yán)寒地區(qū)常常有抗凍性能的要求，在選擇級(jí)配時(shí)，宜優(yōu)先選擇細(xì)顆粒較少的骨架孔隙結(jié)構(gòu)，以利于排水，防止凍害的發(fā)生。因此，掌握級(jí)配范圍內(nèi)的級(jí)配碎石土體結(jié)構(gòu)類型特點(diǎn)，對(duì)選擇合適的級(jí)配碎石填料的顆粒級(jí)配具有參考價(jià)值。

構(gòu)建基于分界粒徑-體積填充原理的粗顆粒土填料土體結(jié)構(gòu)類型測(cè)定方法，分析高速鐵路基床表層級(jí)配碎石隨粒徑級(jí)配變化的土體結(jié)構(gòu)類型特征，為完善高速鐵路基床多層結(jié)構(gòu)體系中不同功能土層的碎石填料級(jí)配技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 基于分界粒徑-體積填充原理的粗顆粒土土體結(jié)構(gòu)類型測(cè)定方法

目前，關(guān)于粗顆粒土土體結(jié)構(gòu)類型的檢驗(yàn)方法主要有兩類。一類屬于純經(jīng)驗(yàn)方法[1,3,13]，簡(jiǎn)稱“固定粒徑-固定比例法”。通常將5 mm作為骨架顆粒與非骨架顆粒(填充顆粒)的界限粒徑，用P5表示粒徑大于5 mm顆粒的含量，認(rèn)為當(dāng)P5為70%左右時(shí)，骨架顆粒能形成骨架，填充顆粒恰好能密實(shí)地填充滿骨架間隙，土體是骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)；P5大于70%時(shí)，填充顆粒不足以填充滿骨架間隙，土體是骨架孔隙結(jié)構(gòu)；P5低于70%時(shí)，由于填充顆粒含量較多，擠開了土體骨架，土體為懸浮結(jié)構(gòu)。另一類屬于半經(jīng)驗(yàn)半理論方法[14-17]，簡(jiǎn)稱“固定粒徑-體積填充法”，在公路瀝青路面集料配合比設(shè)計(jì)方法中應(yīng)用廣泛。其基本原理是：以某個(gè)固定粒徑為界限粒徑(4.75或2.36 mm)，將集料顆粒分為粗顆粒與細(xì)顆粒兩部分，認(rèn)為粗顆粒起骨架作用，細(xì)顆粒填充于粗顆粒之間的孔隙中，比較緊裝粗顆粒骨架的間隙率VCADRC或松裝粗顆粒骨架的間隙率VCADLC和填料中粗顆粒之間的間隙率VCAmix，若VCAmix>VCADLC，表明粗顆粒在填料中彼此不能相互接觸，處于“懸浮”狀態(tài)，壓實(shí)后的集料屬于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)；若VCADRC≤VCAmix≤VCADLC，表明粗顆粒在填料中能相互接觸形成受力骨架，壓實(shí)后的集料屬于骨架結(jié)構(gòu)。相比前一種檢驗(yàn)方法，該方法采用體積填充原理檢驗(yàn)集料中大于某固定粒徑的顆粒組是否形成受力骨架，具有顯著的進(jìn)步性，但由于仍采用固定粒徑作為骨架顆粒與填充顆粒的分界粒徑，當(dāng)填料的真實(shí)骨架顆粒粒徑小于該固定粒徑時(shí)，采用該檢驗(yàn)方法就會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)論。

針對(duì)已有方法的不足，本文構(gòu)建基于分界粒徑-體積填充原理的粗顆粒土土體結(jié)構(gòu)類型測(cè)定方法，其主要步驟為：

Step1測(cè)定填料中骨架顆粒與填充顆粒的分界粒徑Dc(分界粒徑確定原理)

定義ρfmax x為壓實(shí)條件下填料中粒徑大于x的顆粒在填料中的最大干分布密度，則

ρfmax x=ρdmax·px

( 1 )

式中：ρdmax為填料在某種壓實(shí)條件下的最大干密度,g/cm3；px為填料中粒徑大于x顆粒的百分含量。

定義ρdmax x為剔除填料中粒徑小于x的顆粒后，剩余顆粒(即粒徑大于x的顆粒)在相同壓實(shí)條件下的最大干密度，g/cm3。將ρfmax x、ρdmax x分別作為表征粒徑大于x顆粒在填料中分布結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和緊密接觸堆積結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的宏觀參量。比較ρfmax x和ρdmax x的大小，判定填料中粒徑大于x顆粒的分布結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。若ρfmax x=ρdmax x，表明粒徑大于x顆粒在填料中處于緊密接觸的分布結(jié)構(gòu)；若ρfmax x<ρdmax x，表明粒徑大于x顆粒在填料中處于彼此分離的“懸浮”分布結(jié)構(gòu)。

ρfmax x和ρdmax x隨顆粒粒徑x變化見圖1。曲線A、B分別ρdmax x和ρfmax x，Dc為填充顆粒與骨架顆粒的分界粒徑。xDc時(shí)，粒徑大于x的顆粒在原填料中處于彼此分離的“懸浮”分布結(jié)構(gòu)，宏觀上ρdmax x>ρfmax x，在圖1中表現(xiàn)為B曲線低于A曲線。A、B曲線的分叉點(diǎn)即骨架顆粒與填充顆粒的分界粒徑。

通過由小到大逐級(jí)剔除填料中的顆粒，得到相應(yīng)剩余顆粒的最大干分布密度ρfmax x與相同壓實(shí)條件的最大干密度ρdmax x，繪制出土體結(jié)構(gòu)分析曲線圖，找到曲線A、B的分叉點(diǎn),即可得到填料骨架顆粒與填充顆粒的分界粒徑Dc。若曲線A、B的分叉點(diǎn)出現(xiàn)在填料的最小粒徑Dmin處,表明填料所有顆粒均為骨架顆粒的組成部分，填料為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)。

Step2確定填充顆粒在骨架間隙中填充密實(shí)程度 (體積填充原理)

體積填充原理認(rèn)為骨架顆粒形成受力骨架，填充顆粒于骨架顆粒間隙中。比較填充顆粒在骨架間隙中的填充干密度ρt與填充顆粒在相同壓實(shí)條件的最大干密度ρtmax，判定填料屬于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)還是骨架孔隙結(jié)構(gòu)。若ρt=ρtmax，表明填充顆粒充滿骨架間隙，填料為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)；若ρt<ρtmax，填料為骨架孔隙結(jié)構(gòu)。特別地，若ρt?ρtmax，表明填充顆粒在骨架間隙中處于游離狀態(tài)。

ρt計(jì)算公式為

ρt=ρdmax(1-pDc)/ng

( 2 )

式中：pDc為粒徑大于Dc的顆粒的百分含量，即骨架顆粒在填料中的百分含量；ng為骨架顆粒之間的間隙率，ng=1-ρdmax·pDc/ρa(bǔ)，g，其中ρa(bǔ)，g為骨架顆粒的毛體積密度，由毛體積密度試驗(yàn)得到，g/cm3。

通過上述步驟，即可測(cè)定出填料的土體結(jié)構(gòu)類型。

構(gòu)建的基于分界粒徑-體積填充原理的粗顆粒土土體結(jié)構(gòu)類型測(cè)定方法克服了現(xiàn)有“固定粒徑-體積填充法”中采用固定粒徑作為分界粒徑的不足，測(cè)定出的土體結(jié)構(gòu)完全代表了填料的真實(shí)土體結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

2 高速鐵路基床表層級(jí)配碎石填料土體結(jié)構(gòu)類型分析

為分析高速鐵路基床表層級(jí)配碎石填料在滿足文獻(xiàn)[12]級(jí)配限值范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)類型特性，分別選擇級(jí)配控制范圍的上限值、中值及下限值作為代表性級(jí)配，采用基于分界粒徑-體積填充原理的粗顆粒土土體結(jié)構(gòu)類型測(cè)定方法測(cè)定3種級(jí)配下的土體結(jié)構(gòu)類型，研究控制范圍內(nèi)級(jí)配碎石的土體結(jié)構(gòu)類型特點(diǎn)。

試驗(yàn)所用的母料取自某高速鐵路試驗(yàn)段的級(jí)配碎石填料，最大粒徑37.5 mm，材質(zhì)為二疊系硬質(zhì)灰?guī)r。通過篩分試驗(yàn)將烘干后的母料分成若干粒徑組，按級(jí)配控制范圍的上限值、中值及下限值配制試樣，級(jí)配曲線見圖2。圖2中3條虛線為文獻(xiàn)[12]給出的高速鐵路基床表層級(jí)配碎石的級(jí)配范圍上限值、中值及下限值級(jí)配曲線。從圖2可以看出，實(shí)際配出的填料級(jí)配曲線與規(guī)范控制值基本相同，認(rèn)為配出的3種級(jí)配分別代表規(guī)范規(guī)定的上限、中值以及下限級(jí)配。

采用基于分界粒徑-體積填充原理的粗顆粒土填料土體結(jié)構(gòu)類型測(cè)定方法，分析級(jí)配為下限時(shí)級(jí)配碎石的土體結(jié)構(gòu)類型。

Step1測(cè)定填料中骨架顆粒與填充顆粒的分界粒徑Dc

由常規(guī)土工試驗(yàn)得試樣的最大干密度ρdmax為2.194 g/cm3。為方便操作，結(jié)合篩孔尺寸，將整個(gè)試樣由小到大分為12個(gè)粒徑顆粒組，見表1。由小到大逐級(jí)剔除試樣的粒徑顆粒組，得到每次剔除顆粒后相應(yīng)剩余顆粒的最大干分布密度ρfmax x以及相同壓實(shí)條件的最大干密度ρdmax x，見表2，繪制土體結(jié)構(gòu)分析曲線，見圖3(a)。從圖3(a)可以看出，曲線A、B的分叉點(diǎn)出現(xiàn)在顆粒粒徑1.18 mm處，試樣屬于骨架土體結(jié)構(gòu)，骨架顆粒與填充顆粒的分界粒徑Dc=1.18 mm。

表1 顆粒分組及各粒徑組質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表(下限)

粒徑/mm質(zhì)量含量/%粒徑/mm質(zhì)量含量/%37．5～26．526．22．36～1．189．226．5～19．012．61．18～0．602．919．0～13．28．00．60～0．304．013．2～9．58．10．30～0．152．69．5～4．7516．30．15～0．0750．54．75～2．369．2<0．0750．4

表2 剔除顆粒后剩余顆粒的最大干分布密度及最大干密度表

Step2確定填充顆粒在骨架間隙的填充密實(shí)程度

由毛體積密度試驗(yàn)得骨架顆粒(粒徑大于1.18 mm)的毛體積密度為2.80 g/cm3，由常規(guī)土工試驗(yàn)得填充顆粒(粒徑小于1.18 mm)在相同壓實(shí)條件下的最大干密度為1.78 g/cm3。由式( 2 )得填充顆粒在骨架間隙中的填充干密度為0.766 g/cm3，遠(yuǎn)小于1.78 g/cm3，表明填充顆粒在骨架間隙中處于“游離”狀態(tài)，試樣為骨架孔隙土體結(jié)構(gòu)。

重復(fù)上述過程，得到符合中值和上限級(jí)值級(jí)配的級(jí)配碎石土體結(jié)構(gòu)分析曲線，見圖3(b)～3(c)，相應(yīng)的剔除顆粒后剩余顆粒的最大干分布密度及最大干密度見表2。圖3(b)～3(c)中，曲線A、B的分叉點(diǎn)均出現(xiàn)在試樣最小粒徑處，說明符合中值或上限級(jí)配值的級(jí)配碎石均為懸浮密實(shí)土體結(jié)構(gòu)。

綜上，填料的土體結(jié)構(gòu)類型隨填料中粗細(xì)顆粒比例的變化而變化。具體表現(xiàn)為：填料中粗顆粒比例較大時(shí)，由于細(xì)顆粒含量不足以填充滿粗顆粒形成的骨架，填料屬于骨架孔隙結(jié)構(gòu)；隨著填料中細(xì)顆粒比例的增大(粗顆粒減少)，當(dāng)細(xì)顆粒恰好能密實(shí)地填充滿粗顆粒形成的骨架間隙時(shí)，填料的土體結(jié)構(gòu)由骨架孔隙結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌苊軐?shí)結(jié)構(gòu)；隨著細(xì)顆粒含量的繼續(xù)增大(粗顆粒繼續(xù)減少)，細(xì)顆粒擠開由粗顆粒形成的骨架，填料的土體結(jié)構(gòu)由骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)變化為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)。因此，粗顆粒土填料中粗顆粒含量的逐漸減小或細(xì)顆粒含量的逐漸增大，土體結(jié)構(gòu)類型按“骨架孔隙結(jié)構(gòu)→骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)→懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)”的規(guī)律變化。由圖2可以看出，級(jí)配碎石由規(guī)范上限級(jí)配向下限級(jí)配變化時(shí)，填料中粗顆粒含量逐漸增大，細(xì)顆粒含量逐漸降低。

通過上述研究可知，填料級(jí)配位于上限值與中值之間時(shí)，土體結(jié)構(gòu)類型為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，即級(jí)配上限值與中值之間的區(qū)域?yàn)閼腋∶軐?shí)結(jié)構(gòu)區(qū)；填料的級(jí)配從中值逐漸向下限值變化時(shí)，土體結(jié)構(gòu)類型先從懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌苊軐?shí)結(jié)構(gòu)，最終演變?yōu)楣羌芸紫督Y(jié)構(gòu)，即在中值與下限值之間的級(jí)配區(qū)域由3種不同土體結(jié)構(gòu)類型的級(jí)配區(qū)域組成，其中緊鄰中值附近的區(qū)域?yàn)閼腋∶軐?shí)結(jié)構(gòu)區(qū)，緊鄰下限值附近的區(qū)域?yàn)楣羌芸紫督Y(jié)構(gòu)區(qū)，中間部分為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)區(qū)。根據(jù)粗顆粒土填料土體結(jié)構(gòu)類型隨粒徑組成變化規(guī)律以知，填料為骨架孔隙結(jié)構(gòu)和懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)應(yīng)的粒徑級(jí)配一般可在一個(gè)較寬的級(jí)配區(qū)域內(nèi)變化；填料為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)應(yīng)的級(jí)配區(qū)域通常為一條特定的級(jí)配曲線，方便起見，實(shí)際工程中通常將該特定級(jí)配曲線附近的級(jí)配區(qū)域均劃定為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)區(qū)。對(duì)級(jí)配碎石，通過試驗(yàn)在中值級(jí)配與下限值之間找到骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的特定級(jí)配曲線十分困難。本文綜合考慮試驗(yàn)成本、試驗(yàn)精度等因素，將懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的級(jí)配中值與骨架孔隙結(jié)構(gòu)的下限值級(jí)配之間的級(jí)配區(qū)域進(jìn)行3等分，近似將中間部分劃定為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)區(qū)域，緊鄰下限值的部分劃定為骨架孔隙結(jié)構(gòu)區(qū)域，其余區(qū)域均為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，見圖4。各區(qū)域粒徑級(jí)配見表3。

表3 高鐵基床表層各區(qū)級(jí)配碎石粒徑級(jí)配與土體結(jié)構(gòu)狀態(tài)

方孔篩孔邊長(zhǎng)/mm過篩質(zhì)量百分比/%45．0--100．042．8-100．0100．0～96．040．5100．0100．0～97．097．0～93．231．5100．0～88．088．0～85．085．0～82．022．491．0～75．075．0～71．071．0～67．07．175．0～52．352．3～46．746．7～41．01．746．0～24．024～18．518．5～13．00．532．0～15．315．3～11．211．2．0～7．00．111．0～3．73．7～1．81．8～0．0土體結(jié)構(gòu)懸浮密實(shí)骨架密實(shí)骨架孔隙

粗顆粒土填料的土體結(jié)構(gòu)類型不僅受填料粒徑級(jí)配的影響，與填料的材質(zhì)特性與顆粒形狀也有一定關(guān)系。當(dāng)2種填料的材質(zhì)特性或顆粒形狀相差較大時(shí)，即使具有相同的粒徑級(jí)配，壓實(shí)后的土體結(jié)構(gòu)類型也不同。針對(duì)高速鐵路基床表層的級(jí)配碎石填料，為保證其穩(wěn)定優(yōu)良的物理力學(xué)性質(zhì)，文獻(xiàn)[12]對(duì)填料的材質(zhì)特性與顆粒形狀均做了嚴(yán)格的限定，滿足規(guī)范要求的級(jí)配碎石填料的材質(zhì)特性與顆粒形狀相差不大，相應(yīng)地對(duì)級(jí)配碎石填料的土體結(jié)構(gòu)類型影響也較小。因此，圖4與表3的級(jí)配區(qū)域同樣適用于其他滿足文獻(xiàn)[12]的級(jí)配碎石填料。實(shí)際工程應(yīng)用中所采用的級(jí)配曲線貫穿圖4中2個(gè)或2個(gè)以上級(jí)配區(qū)域時(shí)，需采用上述基于分界粒徑-體積填充原理的粗顆粒土土體結(jié)構(gòu)類型測(cè)定方法對(duì)土體結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行具體測(cè)定。

表4為各級(jí)配區(qū)域界限級(jí)配曲線的級(jí)配參數(shù)。由表4可以看出：

(1) 骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)區(qū)的曲率系數(shù)在2.18～2.05之間，不均勻系數(shù)在34.44～38.38之間，表明骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的填料粒徑組成合理；

(2) 填料級(jí)配曲線遠(yuǎn)離骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)區(qū)并趨于上限值級(jí)配時(shí)，填料級(jí)配的不均勻系數(shù)略有增加，但由于填料中細(xì)顆粒含量越來越多，曲率系數(shù)由2.18減小至0.55；

(3) 填料級(jí)配曲線遠(yuǎn)離骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)區(qū)并趨于下限值級(jí)配時(shí)，填料曲率系數(shù)略有減小，但隨著填料中粗顆粒含量的增多，粒徑分布的集中，不均勻系數(shù)由34.44減小至16.64；

(4) 3類土體結(jié)構(gòu)類型級(jí)配區(qū)域的級(jí)配參數(shù)具有較好的規(guī)律性。骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的填料級(jí)配區(qū)域較窄，粒徑組成最優(yōu)；填料級(jí)配曲線遠(yuǎn)離骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)區(qū)時(shí)，引起填料級(jí)配劣化。

表4 各級(jí)配區(qū)域界限級(jí)配曲線的級(jí)配參數(shù)

3 基于土體結(jié)構(gòu)類型的高速鐵路基床表層多層結(jié)構(gòu)體系功能組合探討

為保證在列車動(dòng)荷載和氣候環(huán)境雙重作用下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，高速鐵路基床表層結(jié)構(gòu)不僅要有較高的承載能力，還要有良好的隔水與排水的功能，以降低水的不利影響。尤其水溫環(huán)境和土質(zhì)條件較差的路塹地段高速鐵路，對(duì)基床表層結(jié)構(gòu)的隔水與排水功能提出了更高要求。日本高速鐵路采用在級(jí)配碎石(或高爐礦渣碎石)強(qiáng)化層表面鋪設(shè)瀝青混凝土隔水層和在其底面增設(shè)排水墊層的基床表層結(jié)構(gòu)形式[18]；德國(guó)與法國(guó)高速鐵路均采取在土質(zhì)基床頂部設(shè)置路基保護(hù)層或道砟墊層的構(gòu)造措施[18]，在土質(zhì)條件較差的路塹地段設(shè)置具有隔水、承載、排水功能土層的多層結(jié)構(gòu)體系。目前，我國(guó)高速鐵路統(tǒng)一采用單層結(jié)構(gòu)的級(jí)配碎石強(qiáng)化層作為基床表層的基本形式。由不同土體結(jié)構(gòu)類型的工程特性可知，針對(duì)一種特定粒徑組成的級(jí)配碎石填料，承載、隔水與排水3種功能互斥，即擁有最強(qiáng)承載能力的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，其隔水與排水能力相對(duì)較弱；擁有最強(qiáng)隔水能力的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，承載與排水能力不足；擁有最強(qiáng)排水能力的骨架孔隙結(jié)構(gòu)，其隔水與承載能力較低?？梢?，采用相同粒徑組成的單一級(jí)配碎石層較難實(shí)現(xiàn)基床表層結(jié)構(gòu)同時(shí)具有良好的隔水、承載及排水功能。根據(jù)級(jí)配碎石填料的3種土體結(jié)構(gòu)類型特性及其相應(yīng)的工程性質(zhì)，基于級(jí)配碎石土體結(jié)構(gòu)類型構(gòu)建具有良好功能組合的高速鐵路基床表層多層結(jié)構(gòu)體系，見圖5。其上表層為層厚相對(duì)較薄的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)隔水層，中表層為層厚相對(duì)較厚的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)承載層，下表層為層厚相對(duì)較薄的骨架孔隙結(jié)構(gòu)排水層。通過上表層的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)隔水層阻止路基面上大部分水滲入基床結(jié)構(gòu)，對(duì)于少部分滲入到承載層中的水通過下表層的骨架孔隙結(jié)構(gòu)排水層排出，最大限度地降低水的劣化作用，保證基床表層結(jié)構(gòu)具有良好的長(zhǎng)期服役性能。該體系適用于對(duì)基床表層結(jié)構(gòu)隔水與排水功能要求較高的路塹地段高速鐵路。由于基床表層結(jié)構(gòu)的隔水與排水功能要求隨軌道類型、路基形式、地域以及地形條件不同而異，實(shí)際工程中根據(jù)不同條件進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化。對(duì)于高速鐵路基床表層結(jié)構(gòu)各功能層的具體控制指標(biāo)，如各分層厚度的合理匹配、不同功能層填料需要滿足的物理力學(xué)指標(biāo)等，亟待進(jìn)一步的細(xì)化研究。

4 結(jié)論

準(zhǔn)確測(cè)定高速鐵路基床表層級(jí)配碎石填料的土體結(jié)構(gòu)類型，是制定功能目標(biāo)不同的級(jí)配碎石填料的粒徑組成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。本文構(gòu)建了基于分界粒徑-體積填充原理的粗顆粒土填料土體結(jié)構(gòu)類型測(cè)定方法，分析了高速鐵路基床表層級(jí)配碎石填料的土體結(jié)構(gòu)類型隨顆粒級(jí)配的變化特點(diǎn)，基本結(jié)論如下：

(1) 文獻(xiàn)[12]給出的基床表層級(jí)配碎石填料的顆粒級(jí)配在上限值、中值、下限值附近分別對(duì)應(yīng)土體結(jié)構(gòu)的不同類型，隨著級(jí)配碎石中粗顆粒含量由少至多變化或細(xì)顆粒含量由多至少變化，引起土體結(jié)構(gòu)由懸浮密實(shí)型向骨架密實(shí)型、再向骨架孔隙型的轉(zhuǎn)變。

(2) 確定了高速鐵路基床表層級(jí)配碎石填料的土體結(jié)構(gòu)類型分別呈現(xiàn)出懸浮密實(shí)、骨架密實(shí)、骨架孔隙等3種狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的粒徑級(jí)配控制值，對(duì)優(yōu)化選擇高速鐵路基床多層結(jié)構(gòu)體系中滿足封閉、承載、排水等技術(shù)要求的不同功能土層的粗顆粒土填料級(jí)配具有重要意義。

(3) 高速鐵路基床表層級(jí)配碎石填料的3種土體結(jié)構(gòu)類型所對(duì)應(yīng)的級(jí)配參數(shù)表現(xiàn)出良好的規(guī)律性。形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的級(jí)配區(qū)域范圍較窄，Cc≈2.18～2.05，Cu≈34.44～38.38；懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)所含的細(xì)顆粒含量相對(duì)較多，其Cu小幅增大，Cc減小至0.55；骨架孔隙結(jié)構(gòu)中的細(xì)顆粒含量較少，其Cc略有降低，Cu減小至16.64。

(4) 針對(duì)粒徑組成相同的單一級(jí)配碎石層難同時(shí)實(shí)現(xiàn)基床表層結(jié)構(gòu)隔水、承載與排水功能的問題，結(jié)合級(jí)配碎石填料的3種不同土體結(jié)構(gòu)類型特性及其相應(yīng)的工程性質(zhì)特點(diǎn)，構(gòu)建了以具有良好隔水能力的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)層為上表層、具有較高承載能力的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)層為中表層、具有較好排水能力的骨架孔隙結(jié)構(gòu)層為下表層的高速鐵路基床表層多層結(jié)構(gòu)體系，對(duì)實(shí)現(xiàn)基床表層結(jié)構(gòu)不同功能要求的良好組合、保證基床結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役性能的良好發(fā)揮具有一定意義。

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