徐彩風(fēng)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

浩吉鐵路是世界上一次性建設(shè)規(guī)模最大的重載鐵路，北起內(nèi)蒙古浩勒報(bào)吉，南至江西吉安，線路全長1814.5 km，設(shè)計(jì)運(yùn)量2億t/年。岳陽至吉安段穿行于連云山、九嶺山、贛西丘陵等低山丘陵區(qū)，設(shè)計(jì)長度433.4 km。沿線元古界泥質(zhì)板巖、板巖、千枚巖等軟質(zhì)巖分布廣泛，由于該類軟質(zhì)巖地質(zhì)年代久遠(yuǎn)，風(fēng)化強(qiáng)烈，路塹挖方中泥質(zhì)板巖全風(fēng)化物體量大。若能將其用于路基填筑，則可解決大方量棄土及取土問題，減小對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的破壞。

隨著國內(nèi)外鐵路和公路等基礎(chǔ)交通工程的大量修建，極大促進(jìn)了路基工程的發(fā)展，各國學(xué)者對路基填料的工程性質(zhì)[1-4]、改良措施[5-7]、應(yīng)用范圍[8-9]的研究也更加全面和深入。張晉東等[10]針對西北地區(qū)廣泛分布的泥巖，結(jié)合寶蘭客專上莊隧道工程，通過X射線和掃描電鏡測定了該泥巖礦物和化學(xué)成分，結(jié)合物理、水理性質(zhì)試驗(yàn)，研究了黃土地層泥巖軟化過程中的變化規(guī)律；葉朝良等[11-12]以我國西南山區(qū)公路、鐵路建設(shè)中出現(xiàn)的炭質(zhì)泥巖，依托貴廣高鐵某車站路基沉降治理工程，研究了該炭質(zhì)泥巖的工程力學(xué)性質(zhì)，以及在浸水前后動(dòng)荷載作用下的變形特性；MARK等[13]以風(fēng)化軟質(zhì)千枚巖填料為研究對象，對其礦物成分、物理化學(xué)性質(zhì)和強(qiáng)度特性開展了試驗(yàn)研究，并進(jìn)行化學(xué)改良，通過對比認(rèn)為改良后軟巖填料的力學(xué)性能得到了顯著增強(qiáng)；商擁輝等[14-15]針對浩吉重載鐵路三荊段沿線分布的膨脹土，通過建立三維數(shù)值模型，分析了不同荷載條件下水泥改良膨脹土路基的動(dòng)力特性，并對路基長期動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行了評估；肖慶一等[16]為解決云南紅黏土作為路基填料所面臨的收縮開裂問題，研究了不同摻配比下石灰改良土的工程特性，得出在紅黏土中摻加8%的石灰，能滿足公路工程對路基填料的技術(shù)要求；卿啟湘[17]采用模型試驗(yàn)和數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對軟巖填筑的路堤在循環(huán)荷載作用下的變形機(jī)理進(jìn)行了探討，認(rèn)為路堤填筑質(zhì)量符合規(guī)范要求，軟巖填料可用于鐵路路基填筑。

綜上所述，為提高軟質(zhì)巖棄方填料利用率，國內(nèi)相關(guān)工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量研究與工程實(shí)踐，取得了一定成果，但泥質(zhì)板巖全風(fēng)化物用于重載鐵路路基填筑尚鮮見報(bào)道。大量棄土必然帶來環(huán)水保問題，山區(qū)棄土處理不當(dāng)極易造成滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害[18]。為解決上述問題，依托浩吉重載鐵路工程建設(shè)，對泥質(zhì)板巖全風(fēng)化物及其改良土填料的基本工程性質(zhì)及改良措施進(jìn)行研究；探討用于重載鐵路路基填筑的可行性，為鐵路路基的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 泥質(zhì)板巖全風(fēng)化物填料分組

本次試驗(yàn)所用全風(fēng)化泥質(zhì)板巖土樣取自湖南省瀏陽東站進(jìn)站段深路塹工點(diǎn)，填料物理性質(zhì)按文獻(xiàn)[19]的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測試。顆粒密度ρs由量瓶法測得，粒徑組成采用篩析法及密度計(jì)法聯(lián)合測定，根據(jù)篩分法和密度計(jì)法的試驗(yàn)結(jié)果，繪制土樣顆粒大小分布曲線，如圖1所示。

圖1 顆粒大小分布曲線

由圖1可知，土樣中5 mm以上粒徑含量不足1.0%，0.075～5 mm粒徑約占14.3%，0.005～0.075 mm粒徑約占81.9%，0.002～0.005 mm粒徑約占2.9%，0.002 mm以下粒徑含量幾乎為零，可見全風(fēng)化泥質(zhì)板巖填料以粉粒為主。最大干密度ρdamx和最優(yōu)含水率wopt采用Z2重型擊實(shí)試驗(yàn)得到；液限wL和塑限wp采用液塑限聯(lián)合測定儀測得。綜上可得土樣的基本物理指標(biāo)如表1所示。

表1 土樣基本物理指標(biāo)

由表1可知，全風(fēng)化泥質(zhì)板巖填料的10 mm液限為41.4%，大于40%；塑性指數(shù)Ip為12.2，位于10～17之間，根據(jù)文獻(xiàn)[20]可知全風(fēng)化物為高液限粉質(zhì)黏土，屬于D2組填料，用于重載鐵路路基填筑時(shí)應(yīng)采取改良或加固措施。

2 化學(xué)改良試驗(yàn)研究

化學(xué)改良是通過摻入一定比例的活性改良劑，使其與土體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到改良土體物理力學(xué)性能的效果。試驗(yàn)采用的改良劑為普通硅酸鹽水泥和生石灰，水泥摻配比為3.0%，3.5%和4.0%，石灰摻配比為3.5%，4.5%和6.5%。

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

不同壓實(shí)系數(shù)下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是評價(jià)改良土填料性能的力學(xué)指標(biāo)，通過研究不同摻配比、養(yǎng)護(hù)齡期、壓實(shí)系數(shù)等因素對改良土強(qiáng)度的影響，根據(jù)路基不同部位實(shí)際需要選擇改良土填料最佳摻配比與壓實(shí)系數(shù)。在進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)之前，先通過擊實(shí)試驗(yàn)獲得不同摻配比下，水泥和石灰改良土填料的最優(yōu)含水率wopt和最大干密度ρdmax，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 水泥和石灰改良土最優(yōu)含水率和最大干密度

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)獲得的擊實(shí)參數(shù)，按最優(yōu)含水狀態(tài)制作試樣，進(jìn)行不同摻配比(水泥摻配比為3.0%，3.5%，4.0%，石灰摻配比為3.5%，4.5%，6.5%)、不同壓實(shí)系數(shù)(0.90，0.92和0.95)和不同養(yǎng)護(hù)齡期(1 d，7 d，28 d)條件下，水泥和石灰改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方案

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣采用靜力壓樣法制作，試樣尺寸為φ50 mm×H50 mm，試樣養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃，相對濕度為95%，采用應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程如圖2所示。

圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)得到水泥和石灰改良土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，匯總?cè)绫?所示。

表4 改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果匯總

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制不同壓實(shí)系數(shù)條件下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與摻配比的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 改良土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)關(guān)系曲線

由圖3可知，摻配比的變化對改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有顯著影響，摻配比增加1.0%，強(qiáng)度增長20%～30%。在同一摻配比和壓實(shí)系數(shù)下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長，強(qiáng)度逐漸增大；水泥和石灰改良土1 d，7 d與28 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比的平均值分別為81.3%，95.3%和70.4%，90.4%。說明水泥改良土在早期即可獲得較高強(qiáng)度，而石灰改良土早期強(qiáng)度上升則相對較慢。相同摻配比的水泥改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著高于石灰改良土。

3 改良土重載鐵路路基填料適宜性評價(jià)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是衡量改良土填料工程性質(zhì)的重要指標(biāo)，在鐵路路基工程中得到了廣泛運(yùn)用。現(xiàn)行規(guī)范對重載鐵路路基基床表層的填料要求為級(jí)配碎石或A1組礫石類土，化學(xué)改良土不適用；基床底層與基床以下路堤允許采用化學(xué)改良土，填料壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)如表5所示[21]。表5中括號(hào)內(nèi)數(shù)值為嚴(yán)寒地區(qū)化學(xué)改良土考慮凍融循環(huán)作用所需強(qiáng)度值。

表5 重載鐵路化學(xué)改良土填料的壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)

由表5可知，采用化學(xué)改良土填料填筑基床以下路堤時(shí)，壓實(shí)系數(shù)應(yīng)≮0.92，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≮300 kPa。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，摻配比為3.0%，3.5%和4.0%的水泥改良土，對應(yīng)的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為375.6，422.4，446.6 kPa；摻配比為3.5%，4.5%和6.5%的石灰改良土，對應(yīng)的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為225.6，272.4，344.4 kPa。因此，摻配比為3.0%的水泥改良土和6.5%的石灰改良土可滿足規(guī)范強(qiáng)度要求。

當(dāng)采用化學(xué)改良土填料填筑基床底層時(shí)，壓實(shí)系數(shù)應(yīng)≮0.95，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≮350 kPa。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，摻配比為3.0%，3.5%和4.0%的水泥改良土，對應(yīng)的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為451.8，465.4，505.3 kPa；摻配比為3.5%，4.5%和6.5%的石灰改良土，對應(yīng)的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為231.6，297.1，394.5 kPa。因此，摻配比為3.0%的水泥改良土和6.5%的石灰改良土可滿足規(guī)范強(qiáng)度要求。

綜上所述，摻配比為3.0%的水泥改良土和6.5%的石灰改良土，可滿足重載鐵路路基基床底層與基床以下路堤的填筑要求。相同需求的改良土，水泥摻量不足生石灰一半，考慮工程成本，水泥改良土填料經(jīng)濟(jì)效益更顯著。考慮現(xiàn)場施工拌和的損耗和安全儲(chǔ)備，建議增加0.5%的水泥摻配比，選取3.5%作為水泥改良土填料的最佳摻配比，用于現(xiàn)場路基的填筑施工。

4 水泥改良土工程應(yīng)用情況

通過查閱相關(guān)期刊文獻(xiàn)，對于軟質(zhì)巖填料在鐵路路基中的應(yīng)用，已有研究大多以高速鐵路和公路為主[22-27]，在重載鐵路路基中的應(yīng)用，目前國內(nèi)外尚無成熟經(jīng)驗(yàn)可供參考。對全風(fēng)化泥質(zhì)板巖和水泥改良土填料的基本工程性質(zhì)及改良措施進(jìn)行了系統(tǒng)研究，認(rèn)為采用摻配比為3.5%的水泥改良后，可用于重載鐵路路基基床底層和基床以下路堤的填筑，并在浩吉鐵路岳陽至吉安段路基施工中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，累計(jì)使用泥質(zhì)板巖全風(fēng)化物水泥改良土填料166.7萬m3。從2019年9月28日浩吉重載鐵路正式開通至今，已安全運(yùn)營2年多，未見異常。

5 研究結(jié)論

浩吉鐵路岳陽至吉安段沿線元古界泥質(zhì)板巖、板巖、千枚巖等軟質(zhì)巖分布廣泛，路塹挖方中泥質(zhì)板巖全風(fēng)化物體量大。選取湖南省瀏陽東站進(jìn)站段深路塹工點(diǎn)泥質(zhì)板巖全風(fēng)化物，通過系列的室內(nèi)土工試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了其用作重載鐵路路基填料的適用性，提出了相應(yīng)的改良措施，得到以下結(jié)論。

(1)泥質(zhì)板巖全風(fēng)化物顆粒組成以粉粒為主，粒徑17 mm和粒徑10 mm液限分別為46.5%和41.4%，塑限為29.2%，塑性指數(shù)為12.2，為高液限粉質(zhì)黏土，屬于D2組填料，用于重載鐵路路基填筑時(shí)，應(yīng)進(jìn)行加固或改良。

(2)摻配比為3.0%的水泥改良土和6.5%的石灰改良土可滿足重載鐵路基床底層與基床以下路堤部位的填筑要求。考慮施工安全儲(chǔ)備和工程成本，建議選取摻配比為3.5%的水泥改良土填料用于現(xiàn)場路基填筑。

(3)浩吉鐵路岳陽至吉安段路基施工階段累計(jì)使用166.7萬m3泥質(zhì)板巖全風(fēng)化物水泥改良土填料，解決了大方量棄土及取土問題，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)水保效益。

值得一提的是，沿線不同段落泥質(zhì)板巖成分差異較大，其全風(fēng)化物及化學(xué)改良土的填料性能均應(yīng)通過試驗(yàn)確定。