高速铁路粗粒土填料级配改良试验

石熊¹，张家生¹，刘蓓²，孟飞¹，邓国栋¹，胡奇凡³

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075;

2. 中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京，102600;

3. 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津，300251)

摘要：为使高速铁路路基填料符合填筑要求，探讨路基填料级配改良后的物理力学特性，对其填料进行级配改良试验研究。通过向素土中掺加不同比例的碎石，制成4种不同颗粒级配的改良填料，对素土和复合砾进行击实试验和大型三轴剪切试验，并对其中3种进行现场填筑试验。研究结果表明：试料的最大干密度随粗颗粒质量分数的增大呈先增大后减小的趋势，最优含水率随粗颗粒质量分数的增大呈线性减小；试样的黏聚力c、内摩擦角φ及切线弹性模量E_t随粗颗粒质量分数的增大而增大；在现场填筑试验中，素土的压实性能较差，各项路基检测指标较低，而改良后的复合填料压实性能较好，各主要检测指标有较大幅度提高；路基填料经级配改良后，压实特性显著提高，能较好地应用于高速铁路路基填筑。

关键词：粗粒土；级配改良；击实试验；大型三轴试验；填筑试验

中图分类号：TU44               文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)11-3964-06

Test of high-speed railway coarse grained filler of improved particle size distribution

SHI Xiong¹, ZHANG Jiasheng¹, LIU Bei², MENG Fei¹, DENG Guodong¹, HU Qifan³

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2. China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co. Ltd., Beijing 102600, China;

3. Tianjin Railway Survey Design Institute Group Corporation, Tianjin 300251, China)

Abstract: The filler of high-speed railway subgrade was studied by gradation improvement test in order to meet its filling requirements and investigate the physical and mechanical properties of improved filler. Four kinds of improved fills of different particle size distributions were obtained by adding different proportions of gravels to the soil, then compaction tests and large scale triaxial tests were performed for soil and composite gravels, and three of them were tested by in-situ filling tests. The results show that with the increase of percentage of the coarse particles, the maximum dry density firstly increases and then decreases, and the optimum moisture content linearly decreases. The cohesion c, internal friction angle φ and the tangent modulus E_t increase with the increase of percentage of the coarse particles. Non-improved soil has a bad compaction characteristic and low subgrade test indicators, while the composite gravels have better compaction characteristic and higher subgrade test indicators. The compaction characteristics of fillers can significantly be enhanced after gradation improvement and it can be better used in the construction of high-speed railway subgrade.

Key words: coarse grained soil; gradation improvment; compaction test; large scale triaxial test; filling test

铁路路基填料承受着列车长期重复作用产生的动应力，随着列车运营速度的提高，高速铁路建设对路基填料的工程性质提出了更高的要求。我国规范中依据土在压实后的工程性质能否满足要求，将填料分为A，B，C，D和E 5组^[1]。对于高速铁路路基填料的选用，文献[2]规定：基床底层应采用A和B组填料或改良土；基床以下路堤宜选用A和B组填料及C组碎石、砾石类填料。但在现场填筑中发现，颗粒级配不同的粗粒土填料，填筑后的工程性质差异极大，因此，有必要对不符合填筑要求的C组或D组填料进行改良，并对改良后路基填料的物理力学性质及工程特性进行研究。随着高速铁道建设的大规模进行，国内外对铁路路基填料改良技术进行了大量的研究，并取得了许多成果，如：傅毅静等^[3]对南钦铁路沿线风化软岩填料进行现场路堤填筑试验，采用水泥对强风化粉砂岩粉砂质泥岩填料进行改良研究；连继峰等^[4]结合沪汉蓉通道武康二线铁路路基膨胀土填料进行改良， 改良剂分别为石灰、水泥、粉煤灰和二灰；刘祖富^[5]对海南东环线广泛分布的全风化花岗岩 C和D类填料进行了改良研究，李方华^[6]对高液限土填料进行掺砂砾石进行改良试验研究，通过大量的试验得到了不同高液限土的最佳掺砂砾石比；张志伟^[7]通过掺加石灰、水泥和NCS土壤固化剂对过湿土路基填料进行改良，并进一步研究改良土的击实特性、液塑限、水稳定性等路用性能参数；王晓明^[8]通过往河卵石填料中掺细粒土和粉煤灰的方式改善填料级配，并对改善前后填料的工程力学性质进行了研究；王天亮等^[9-10]通过试验对水泥改良土的性质进行了较全面的研究。国外学者在石灰改良土方面也取得了一系列的研究成 果^[11-13]。随着粗粒土材料在路基工程、堆石坝工程中的广泛应用，国内外已有许多学者对其开展了大量的研究，如：Wang等^[14]考虑粗粒土中粗颗粒的骨架作用，通过三轴试验研究了粗粒土的应力应变特性和剪胀特性，提出了一个塑性本构模型，并对Rowe剪胀模型进行了改进；孙吉主等^[15]基于状态参数的概念，建立了一个数学描述简单、模型参数较少的粗粒土弹塑性模型；陈晓斌^[16]在大型三轴试验的基础上研究了红砂岩粗粒土的应力应变关系，并应用Rowe剪胀模型研究其剪胀特性；陈宏伟^[17]通过室内击实试验与现场压实试验，研究了高速公路路基粗粒土填料的压实特性。本文作者选用长沙地区的一种土质中砂，向其中掺加不同比例的碎石制成4种不同颗粒级配的改良填料，并对5种试料进行了击实试验、大型三轴剪切试验和现场填筑试验，研究不同颗粒级配高速铁路路基填料的击实特性、强度特性及工程压实特性。

1  改良方案

级配改良的方法为向素土中掺加不等量的碎石，制成不同颗粒级配的改良填料。为使4种改良填料的颗粒级配具有一定的代表性，素土与碎石的质量比分别取为4:1，3:2，2:3和1:4，定名为复合砾1、复合砾2、复合砾3和复合砾4。掺加的碎石由5~10，10~20和20~40 mm 3种粒径范围按1:2:1的质量比混合而 成^[18]。碎石为人工开采料，规则的块状颗粒较多，针状、片状颗粒少。素土及碎石的物理参数如下：对于素土，相对密度为2.64，液限为28.0，塑限为16.9；对于碎石，密度为2.58 g/cm³，洛杉矶磨损率为11.5%，硫酸钠溶液浸泡损失率为1.5%。

图1所示为素土与4种复合砾的颗粒级配曲线。由图1可见：5种试料覆盖了较大的颗粒级配范围。表1所示为5种试料的粗颗粒质量分数、黏粒质量分数、不均匀系数C_u、曲率系数C_c等参数，并根据铁路路基设计规范，由上述参数对5种试料进行二级定名及填料分组。

图1  5种试料的颗粒级配曲线

Fig. 1  Particle size distribution curves of five kinds of specimens

2  试验方案

2.1  击实试验

在路基填筑的质量控制中，填料的压实特性是不可或缺的指标。根据5种试料的颗粒级配，本试验采用重型击实标准对素土及4种复合砾进行击实试验，获得5种试料的含水率-干密度曲线，确定了最大干密度和最优含水率。试验采用的击实筒内径为152 mm，高为116 mm，试样分3层击实，每层击数94次，单位体积击实功能约为2 701 kJ/m³。

表1  5种试料定名及填料分组

Table 1  Names and assortments of five kinds of specimens

2.2  大型三轴试验

强度、变形指标是路基填料最重要的力学指标，是反映试料能否达到高速铁路路基填筑要求的主要影响因素。为研究素土与4种复合砾强度、变形特性，采用大型三轴剪切仪对5种试料进行了常规三轴剪切试验。试验试样直径为28.8 cm，高为60.0 cm，压实系数为0.95。每组试样分别在4个围压条件下进行固结排水剪切试验，根据高速铁路路基基床底层、路基本体内应力^[18]，围压分别取为100，200，300和400 kPa。

2.3  现场填筑试验

为研究素土与复合砾的工程压实特性，进行现场填筑试验。由于现场填筑花费较高，只进行了素土、复合砾2、复合砾4共3种填料的现场填筑试验。现场填筑中采用18 t钢轮式震动压路机进行压实，压实方案为静压2遍—微震2遍—强震4~6遍，试料填筑时的含水率控制在击实试验获得的(最优含水率±2%)范围内。路基检验指标包括压实系数K、变形模量E_v2和动态变形模量E_vd。

3  试验结果分析

3.1  击实试验

通过击实试验获得的5种试料的最大干密度及最优含水率见表2；粗颗粒质量分数与最大干密度、最优含水率的关系见图2。

从图2可以看出：当粗颗粒质量分数小于60%时，最大干密度随粗颗粒质量分数的增大而逐渐增大，但随着粗颗粒质量分数的进一步增大，土的最大干密度则明显减小。这是因为当粗颗粒质量分数较小时，增大的粗颗粒取代了比表面积大、密度较小的细颗粒，致使最大干密度增大；随着粗颗粒继续增大，较大的粗颗粒在土体中逐渐形成连续的骨架结构，细颗粒充填于粗颗粒间的孔隙内，由于粗颗粒的骨架作用而得不到压实，试料的最大干密度反而减小。从图3可以看出：试料的最优含水率随粗颗粒质量分数的增大而减少，两者之间存在明显的线性关系。

表2  试料的最大干密度、最优含水率

Table 2  Maximum dry densities and optimum moisture contents of specimens

图2  粗颗粒质量分数与最大干密度关系曲线

Fig. 2  Relationship between maximum dry densities and coarse particle contents

3.2  三轴剪切试验

依据试验方案对5种试料进行了粗粒土大型三轴剪切试验，试验中所有试样均未出现应变软化现象。复合砾4由于粗颗粒质量分数高，剪切试验完成后试样黏聚力较小，难以观察最终的破坏形式，其他4组试样均呈现鼓状破坏。5组试样在100，200，300和400 kPa围压下的偏应力-轴向应变关系曲线如图4所示。

图3  粗颗粒质量分数与最优含水率关系曲线

Fig. 3  Relationship between optimum moisture contents and coarse particle contents

从图4可见：不同组试样间的偏应力-轴向应变关系曲线差异明显；随着粗颗粒质量分数的增大，曲线逐渐上移，轴向应变为0.15时对应的破坏主应力差(σ₁－σ₃)_f逐渐增大。试验结果表明试样的剪切强度与粗颗粒质量分数之间有明显的正相关性。

从土体强度产生的原因分析，在粗粒土中，当细粒质量分数较高时，土体的强度主要由细颗粒之间的化学胶结力及滑动摩擦力组成，此时滑动面的粗糙度低，在相同应力下摩擦力较小；随着粗颗粒质量分数的增大，细颗粒间的化学胶结力减少，但由于粗颗粒间的镶嵌、咬合作用产生的颗粒间作用力增大，这就使得试样的抗剪强度增大，试验结果也反映出这一趋势。在土体的各种本构模型中，Duncan-Chang非线性弹性模型由于物理意义明确，参数易于确定，在岩土工程中得到了广泛应用。Duncan-Chang模型包括E-ν模型和E-K模型。这2种模型均假定偏应力(σ₁-σ₃)与轴向应变ε_a呈双曲线关系，因此，切线弹性模量的计算公式相同。切线弹性模量E_t的计算公式为

式中：c为黏聚力；φ为内摩擦角；K，n，F，G，R_f，D，K_b和m均为模型参数；p_a为大气压强。

图4  主应力差-轴向应变关系曲线

Fig. 4  Relationship between axial strain and principle stress difference

表3  3种试料现场填筑试验检测结果

Table 3  Results of in-situ filling tests of three kinds of specimens

基于Duncan-Chang模型的参数分析表明：土体的主要抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ随粗粒质量分数的升高而逐渐增大；确定初始弹性模量E_i的指标K和n中，K随粗粒质量分数的升高而增大，n的变化无明显规律；对于不同的试料，破坏比R_f差别不大，5组试样的平均值约为0.87。

由试验求得的参数及Duncan-Chang模型切线弹性模量E_t、切线泊松比ν_t的计算公式可得到不同围压下试料的弹性模量与泊松比。当围压σ₃=100 kPa，主应力差为0~800 kPa时，5种试料的切线弹性模量变化曲线如图5所示。从图5可以看出：在应力相同时，随着粗颗粒质量分数的增大，试料的弹性模量逐渐增大。

3.3  现场填筑试验

在现场填筑试验中，素土在碾压时易出现软弹现象，压实性能差，各项路基检测指标较低，填筑效果不佳，难以达到规定的填筑控制标准。而复合砾2和复合砾4的填筑试验表明这2种填料的压实性能较好，各项路基检验指标可以满足要求。3种填料现场填筑试验检测结果见表3。其中，压实度K反映了填料的工程压实特性，变形模量E_v2、动态变形模量E_vd反映了路基的强度、变形特性。图6和图7所示分别为E_v2和E_vd的分布情况，图6和图7中纵坐标为3种试料中颗粒粒径≥5 mm的质量分数，同时将E_v2和E_vd最大值与最小值去掉，取平均值。

图5  σ₃=100 kPa时切线弹性模量-主应力差关系曲线

Fig. 5  Relationship between principal stress difference and tangent modulus under confining pressure of 100 kPa

图6  变形模量E_v2检测结果

Fig. 6  Results of E_v2 of deformation modulus

图7  动态变形模量E_vd 检测结果

Fig. 7  Results of E_vd of dynamic deformation modulus E_vd

4  结论

1) 当粗颗粒质量分数小于60%时，最大干密度随粗颗粒质量分数的增大而增大，但随着粗颗粒质量分数进一步增大，土的最大干密度明显减小；试料的最优含水率随粗颗粒质量分数的增大而减小，两者之间存在明显的线性关系；在一定压实度下，含水率的变化范围随粗颗粒质量分数的增大而逐渐减小，两者之间存在明显的线性关系。

2) 在5种试料的级配范围内，试样的抗剪强度与粗颗粒质量分数之间呈明显的正相关性。黏聚力c与内摩擦角φ随粗颗粒质量分数的增大而增大。

3) 偏应力(σ₁-σ₃)与轴向应变ε_a呈明显的双曲线关系。试料的切线弹性模量E_t随粗颗粒质量分数的增大而逐渐增大。

4) 最大干密度与切线弹性模量之间并没有明显的关系；但当粗粒质量分数过高时，土体孔隙率大，粗颗粒间多呈点接触，随着路基内长期动应力的作用以及路堤蠕变的发展，土体中的粗颗粒有可能发生较严重的破碎现象，从而导致路基的长期沉降反而较大。

5) 本文结论虽具有一定的代表性，但由于文中仅针对长沙地区的一种土质中砂开展工作，因而其普适性还有待进一步研究。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2013-10-12；修回日期：2013-12-16

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51378514)；高速铁路建造技术国家工程实验室基金资助项目(2008G031-Q) (Project(51378514) supported by National Natural Science Foundation of China; Project(2008G031-Q) supported by Fund of National Engineering Laboratory of High Speed Railway Construction Technology)

通信作者：石熊(1985-)，男，湖南邵阳人，博士研究生，从事高速铁路路基动力学研究；电话：15674818848；E-mail: shixiong126@126.com