包西鐵路榆林地區風積沙填料物理改良研究

胡三喜

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司地質路基處,西安 710043)

1 工程地質概況

包西鐵路DK173+000～DK255+624.92段線路途經毛烏素沙漠邊緣,其中大保當至榆林段為陜北黃土高原風積沙覆蓋區,風沙分布廣泛,大部分為風積沙覆蓋,地面呈波狀起伏之梁窩狀沙丘地貌,局部為新月形沙丘及沙丘鏈,相對高差5～15 m,風積沙層厚1～15 m,植被覆蓋率15%～40%,局部地段為裸露之黃土梁峁和沖湖積灘地；榆林至魚河峁段為片狀風積沙覆蓋區,表層多有片狀風積沙分布,系毛烏素沙地南侵部分,積沙較薄,一般1～10 m,植被覆蓋率大于40%。

線路主要以路基形式通過風積沙地區,挖方邊坡高度1～13 m,長約20 km,填方邊坡高度3～6 m,長約55 km；涉及風積沙的挖方56.14萬m3、填方176.79萬m3。 路基填料設計的關鍵在于如何利用挖棄的風積沙、減少取土量,避免在風沙地區長遠距離取土,以降低工程投資、減少施工對周邊環境的破壞。DK173+000～DK255+624.92段地質概況如下。

(1)DK173+000～DK180+000段地層巖性由上到下依次為：

①細砂(Q4al4)：分布于地表。淺黃色,厚度0.5～2 m。稍密,潮濕-飽和,Ⅰ級松土,σ0=120 kPa。

②細砂(Q4al4)：分布于第四系全新統沖積細沙之下?；尹S色-青灰色為主,厚度5～20 m。5 m以上稍密,以下中密,潮濕-飽和,Ⅰ級松土,σ0=120～150 kPa。

③細砂(Q3al4)：分布于上更新統沖積細沙層之下。淺灰色-深黃色為主,厚度5～15 m。中密,潮濕-飽和,Ⅰ級松土,σ0=150～200 kPa。

④黏質黃土(Q2eol3):主要分布于沖積細沙層之下,厚度5～20 m。棕褐色,土質較均一,局部含少量砂礓石,堅硬,Ⅲ級硬土,σ0=150～200 kPa。

(2)DK185+320.78～DK204+000段地層巖性由上到下依次為：

①細砂(Q4eol4)：分布于地表。淺黃色-深黃色,厚度10～20 m。稍密-中密,稍濕-潮濕,Ⅱ級普通土,σ0=100～150 kPa。

②砂質黃土(Q2eol3)：下伏于風積細沙層之下,黃白色-淺黃色,厚度5～15 m。土質不均一,可見孔隙,局部含少量砂礓石。硬塑,Ⅱ級普通土,σ0=150～180 kPa。

(3)DK220+000～DK232+000段地層巖性由上到下依次為：

①人工填筑粉細砂(Q4ml4)：分布于既有路基,以細砂為主,稍濕,中密,Ⅱ級普通土；

②細砂(Q4eol4)：分布于地表。淺黃色,顆粒均勻,沙質純凈,稍濕-潮濕,稍密,Ⅱ級普通土,σ0=100 kPa。

③細砂(Q3al4)：灰黃色,顆粒均勻,潮濕-飽和,中密,Ⅰ級松土,σ0=150 kPa。

(4)DK235+807.14～IDK251+624.92段地層巖性由上到下依次為：

①人工填筑粉細砂(Q4ml4)：分布于既有路基,成分以細砂為主,稍濕,中密,Ⅱ級普通土。

②細砂(Q3al4)：分布于地表,厚度大于10 m。淡黃色,顆粒均勻,沙質純凈,稍濕-潮濕,稍密,Ⅱ級普通土,σ0=100 kPa。

2 風積沙填料物理改良試驗研究與施工

2.1 風積沙填料試驗研究

風積沙填料試驗段選在DK226+120～DK226+350段，主要考慮該段的風積沙填料為均勻、級配不良風積沙,屬于C組填料,且該試驗段臨近210國道,交通便利。

(1)DK226+120～DK226+350段(長230 m)填料性質：為均勻、級配不良風積沙,屬于C組填料。其不均勻系數Cu為1.85,曲率系數Cc為0.90。風積沙天然含水率6.5%,最大干密度1.82 g/cm3, 最佳含水率11.5%,液限含水率17%,塑性指數15.8。

(2)風積沙試驗結果

檢測結果顯示壓實系數K值為0.80～0.85,不滿足規范要求的0.9；地基系數K30值為37.6～62.4 MPa/m,亦不能滿足規范要求的基床底層K30為100 MPa/m、路堤本體K30為80 MPa/m[1]。具體數值見表1。

表1 風積沙填筑試驗結果

2.2 風積沙填料物理改良試驗研究

風積沙填料物理改良試驗段選在DK223+450～DK223+630段。風積沙填料設計選用摻粉土進行物理改良,物理改良試驗按風積沙:粉土(體積比)為：1∶0.5、1∶1.0、1∶1.5、1∶2.0 4種摻量同步進行。

(1)物理改良風積沙填料試驗目的

①確定最佳摻配比例[2]；

②確定適宜的松鋪系數；

③確定合適的碾壓遍數和碾壓速度。

(2)試驗所需設備[3]

具體見表2、表3。

(3)物理改良風積沙填料土工試驗

表2 試驗和測量設備

表3 機械設備

由表4及圖1～圖4可以看出。

①含水率隨著粉土摻量的增大而增大,即隨著粉土摻量的增加施工灑水量越少。

②塑性指數隨著粉土摻量的增大而減小,即隨著粉土摻量的增加,物理改良風積沙填料的可塑狀態的范圍就越小[4],使得施工過程更易于控制。

③最大干密度隨著粉土摻量的增大而增大；最優含水量隨著粉土摻量的增大而減小。

表4 物理改良風積沙填料土工試驗

圖1 土工擊實(一)

圖2 土工擊實(二)

圖3 土工擊實(三)

圖4 土工擊實(四)

(4)不同摻配比例下碾壓遍數與壓實度、地基系數K30的關系

圖5～圖12分別為風積沙土摻配比1∶0.5、1∶1.0、1∶1.5、1∶2.0第1層土的試驗數據,圖13～圖16分別為風積沙土摻配比1∶1.5、1∶2.0第3層土的試驗數據。

圖5 碾壓遍數與壓實度關系

圖6 碾壓遍數與地基系數K30的關系

圖7 碾壓遍數與壓實度關系

圖8 碾壓遍數與地基系數K30的關系

圖9 碾壓遍數與壓實度關系

圖10 碾壓遍數與地基系數K30的關系

圖11 碾壓遍數與壓實度關系

圖12 碾壓遍數與地基系數K30的關系

圖13 碾壓遍數與壓實度關系

圖14 碾壓遍數與地基系數K30的關系

圖15 碾壓遍數與壓實度關系

圖16 碾壓遍數與地基系數K30的關系

由圖5～圖16可以看出。

①在同一碾壓遍數的情況下,壓實度隨著粉土摻

量的增大而增大,即碾壓遍數為6遍,在摻配比為1∶0.5時,物理改良風積沙填料的壓實度為0.61；摻配比為1∶2.0時,物理改良風積沙填料的壓實度為0.93。

②在同一碾壓遍數的情況下,地基系數K30隨著粉土摻量的增大而增大,即碾壓遍數為6遍,在摻配比為1∶0.5時,物理改良風積沙填料的地基系數K30為46.5；摻配比為1∶2.0時,物理改良風積沙填料的地基系數K30為107.3。

③在同一碾壓遍數和同一摻配比的情況下,地基系數K30隨著碾壓層數的增加而增大。即摻配比1∶2.0,碾壓遍數為6遍時,第1層地基系數K30為107.3 MPa/m；第3層地基系數K30為113.3。

④在同一碾壓遍數和同一摻配比的情況下,壓實度隨著碾壓層數的增加而增大,即摻配比為1∶2.0,碾壓遍數為6遍時,第1層壓實度為0.93；第3層壓實度為0.94。

(5)不同摻配比下松鋪系數的確定

表5 第1層風積沙摻配比1∶1.5松鋪系數

表6 第3層風積沙摻配比1∶1.5松鋪系數

表7 第1層風積沙摻配比1∶2.0松鋪系數

表8 第3層風積沙摻配比1∶2.0松鋪系數

由表5～表8可以得到以下結論：

①風積沙摻配比1∶1.5、松鋪厚度為0.40 m時,壓實厚度為0.35 m；

②風積沙摻配比1∶2.0、松鋪厚度為0.35 m時,壓實厚度為0.30 m；

③松鋪厚度隨著粉土摻量的增大而減小[5]。

(6) 物理改良風積沙填料試驗結果

通過對以上試驗結果數據比對分析,物理改良風積沙試驗表明：風積沙摻配比為1∶1.5的混合用22 t壓路機以2.5～3.0 km/h,碾壓遍數為6遍、松鋪系數1.15,可以做全標段路堤填筑指導施工。風積沙摻配比1∶2.0,用22 t壓路機以2.0～2.5 km/h, 碾壓遍數為6遍,松鋪系數1.21可以做全標段基床底層填筑指導施工[6]。

2.3 風積沙填料物理改良施工工藝

(1)施工前準備

首先對圖紙進行審核,然后進行現場核實與設計相符。沿路基兩側征地邊界線開挖臨時排水溝,保證流水通暢,防止施工便道積水。取土場選用DK223+000右20 m，此取土場為風積沙；DK223+500左1 020 m,此取土場為低液限粉土。取土場均清表30 cm，無雜草等異物,6 m寬施工便道順暢。施工用水距離試驗段約1 km,采用灑水車運輸至施工現場,做好施工準備[7]。

(2)路堤填筑工藝流程

①摻拌改良過程為將風積沙置于試驗區內攤鋪平整,然后按配比將粉土攤鋪于風積沙上,用路拌機拌和3遍使填料均勻,然后碾壓、檢測[8]。

②填筑前清理→基底壓實→放樣畫線→按照土工擊實，最優含水率灑水→攤鋪刮平[9]。

③壓路機橫、縱向各3遍碾→靜壓、振壓→檢測壓實度→檢測高程→重復至K30和壓實度達到設計標準的1.1倍為止[10]。

3 風積沙填料物理改良的重要意義

(1)技術效益

通過對風積沙填料進行物理改良試驗,物理改良按體積比(風積沙：低液限粉土)1∶0.5、1∶1、1∶1.5、1∶2四個摻量同時進行,試驗完成后獲得了大量寶貴的試驗數據,可指導其他段落風積沙填料填筑施工。在技術上新穎、可靠。本設計的成功實施對今后在風沙地區鐵路、公路風積沙填料填筑路堤施工提供了寶貴的經驗,對今后類似工程具有指導意義。

(2)經濟效益

經過與遠運取土方案的經濟比較,采取風積沙物理改良方案較遠運方案可節約投資2 100萬元,且減小了后期運營養護維修,其直接和間接的經濟效益非常顯著。見表9。

(3)環保效益

風積沙地區環境脆弱,風積沙物理改良可以很好的利用挖方棄土,可大大減少取棄土場的設置,有效減少了對周邊環境的破壞,對線路沿線生態保護具有非常重要的意義,特別是風積沙物理改良土能大大提高路基邊坡的植物成活率,迅速改變鐵路周邊環境,對建設綠色包西鐵路意義重大。

表9 填料設計方案的投資對比

4 結語

包西鐵路榆林地區的風積沙填料物理改良設計方案不僅解決了直接用風積沙填料填筑地基系數檢測達不到規范要求的難題,且充分的利用了挖方棄土,減少了取棄土,消除了填料遠運過程中的揚塵,既保護環境,又節省投資。目前本段路基已經建成通車,工程初驗各參驗單位一致認為風積沙摻粉土物理改良設計新穎、安全可靠,滿足鐵路運營安全要求。

參考文獻：

[1] 鐵道第一勘察設計院.TB10001—2005 鐵路路基設計規范[S].北京：中國鐵道出版社,2005.

[2] 鐵道第一勘察設計院.TB10001—2005 鐵路路基設計規范[S].北京：中國鐵道出版社,2005．

[3] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.TB10102—2010 鐵路工程土工試驗規程[S].北京：中國鐵道出版社,2010.

[4] 劉成宇.土力學[M].北京：中國鐵道出版社,2002．

[5] 祝朝旺,劉升傳.高速公路高填路基松鋪厚度與碾壓遍數的優化[J].路基工程,2011(1):19-25.

[6] 吳榮燕.風積沙填料在高等級鐵路中的改良應用[J].甘肅科技縱橫,2009(3):126-127.

[7] 鮑茂新.使用風積沙作路基填料施工工藝[J].西部探礦工程,2005(2):26-27.

[8] 馬海勤.風積沙路基施工工藝探討[J].科技信息(學術研究),2008(13): 45-47.

[9] 司馬霞.風積沙路基施工工藝探討[J].青海交通科技,2011(5):114-117.

[10] 代冠春.風積沙公路路基填筑施工工藝初探[J].科技風,2010(1):28-30.