泥质粉砂岩改良土路基填料适宜性试验分析
陈湘亮1, 2，王永和1，王灿辉2
(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；
2. 湖南城市学院 土木工程学院，益阳，413000)
摘要：为研究弱-强风化泥质粉砂岩用作高速铁路路堤填料的适宜性，对泥质粉砂岩进行室内试验，对软岩改良土填料的动力稳定性、强度、压缩特性等指标进行研究，对经过改良的软岩土路基的刚度、水稳定性、变形等指标进行现场测试，并建立连续型直接数据GM(1，1)模型对路基的工后沉降进行预测。研究结果表明：泥质粉砂岩不宜直接用作路基填料，必须进行改良处理；软岩改良土路基的动力稳定性、强度、刚度、变形等能够满足高速铁路路堤填料要求，但不宜用于浸水路堤；连续型直接数据GM(1，1)模型可以要求自变量不一定为等时空距，经与等时空距GM(1，1)模型、泊松曲线模型相比，该模型的预测精度较高。
关键词：泥质粉砂岩；物理改良土；适宜性；灰色模型
中图分类号：U213.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)10-4287-07
Experimental study of suitability of argillaceous siltstone improved soil as filling for subgrade
CHEN Xiangliang1, 2, WANG Yonghe1, WANG Canhui2
(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;
2. College of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang 413000, China)
Abstract: To study the suitability of the weak to highly argillaceous siltstone as filling for embankment of high speed railway, the argillaceous siltstone was researched through the indoor experiments, the filling dynamic stability, strength and compression characteristics of argillaceous siltstone physical improved soil were studied, and then indexes such as improved soil subgrade stiffness, water stability and deformation were inspected in situ test. To predict the settlement after acceptance of subgrade, a continuous direct data GM(1,1) model was established. The results show that the argillaceous siltstone should be improved that it cannot be used directly as filling for subgrade of high speed railway. The dynamic stability, strength, stiffness and deformation of subgrade filled with improved soft rock can meet the requirements of high speed railway, but improved soil should not be used for soaking embankment. The continuous direct data GM(1,1) model may require the independent variable is not necessarily equal interval, and this model has very high prediction accuracy compared with the equal interval GM(1,1) model and Poisson curve mode.
Key words: argillaceous siltstone; physical improved soil; suitability; grey model
软岩的化学成分和矿物随地点、位置、环境等变化而变化，其强度低、遇水易软化,人们对其能否直接用于路基填料和是否需要改良进行了研究，如：赵明华等[1]认为完全崩解后的红岩层材料性质稳定，压实度达到95%可满足公路路基填料的要求；王智猛等[2]对红层泥岩路基进行了循环加载试验，发现红层泥岩可以作为客运专线基床底层及路堤本体填料；周援衡等[3]采用循环加载系统对全风化花岗岩改良土路基进行现场循环加载试验，并对其作为路基填料的适宜性进行了研究；卿启湘等[4]对软岩岩块作为高速铁路路堤的室内模型进行了试验研究；聂志红等[5]对全风化砂砾岩路基填料特性进行了研究；胡萍等[6-10]对软岩改良土进行了室内试验研究，认为改良后的物理力学性能明显改善，可以满足客运专线路基填料的要求。弱—强风化泥质粉砂岩具有遇水软化、易风化、性质不稳定、强度迅速降低等特征，属于C或D组填料，而高速铁路对路基填料的质量和长期稳定性要求很高，弱—强风化泥质粉砂岩不能直接用于路基填筑，只有将其改良后才能使用。为此，本文作者针对弱—强风化泥质粉砂岩及其物理改良土作为高速铁路路基填料的适宜性进行室内试验研究，然后，从改良土路基的强度、刚度、水稳定性、现场填筑质量等方面进行分析，最后通过建立连续型直接数据GM(1，1)模型对路基的工后沉降进行预测，以综合评判弱—强风化泥质粉砂岩物理改良土用于高速铁路路基填料的适宜性。
1 泥质粉砂岩弱—强风化物土质工程性质
1.1 矿物成分和物理指标
根据现行岩土分类标准[11-12]，武广(武汉—广州)高速铁路泥质粉砂岩部分填料属于C组，而大部分填料属于D组。泥质粉砂岩这类软质岩，稳定性差，在风化作用以及地表水和地下水的作用下，其强度迅速减弱。弱—强风化泥质粉砂岩化学成分和矿物成分差异性较大，随地点、位置、环境等变化而变化。武广客运专线株洲某工点弱—强风化泥质粉砂岩的矿物成分分析结果见表1。由表1可见：泥质粉砂岩中石英、方解石的质量分数较高，但存在少量的蒙脱石，这表明其抗风化强度能力较弱，水稳性较差。弱—强风化泥质粉砂岩物理指标试验结果见表2。由表2可见：弱—强风化泥质粉砂岩属于低液限粉质土。
1.2 承载比(CBR)试验
在武广高速铁路沿线多处取样，针对高速铁路无碴轨道路基的压实度要求，设计了压实度为90%，92%，95%和100%共4种试验，制样时均在最佳含水量下进行。试验样本的承载比(CBR)分布如图1所示。从直方图分布情况看：
表1 泥质粉砂岩的主要矿物成分(质量分数)
Table 1 Main mineral components of argillaceous siltstone %
表2 泥质粉砂岩基本物理指标
Table 2 Basic physical indexes of argillaceous siltstone
(1) 当压实度为100%时，CBR小于10%的样本数占总样本的47%，CBR小于5%的样本占总样本数的16.2 %；CBR主要分布区域为5%~10%，样本数占总样本数的30.8%。
(2) 当压实度为95%时，CBR小于10%的样本数占总样本的59.6%，CBR小于5%的样本占总样本数的20.2%；CBR主要分布区域为5%~10%，样本数占总样本的39.4%。
(3) 当压实度为92%时，CBR小于5%的样本占总样本的22.2%，CBR为5%~10%时的样本数占总样本的44.4%，是CBR的主要分布范围。
(4) 当压实度为90% 时，CBR小于3%的样本占总样本的22.7 %，CBR位于3%~6 %范围内的样本数占总样本的54.2%，是CBR的主要分布范围。
根据日本铁路对CBR(＞10%)和湖南气候环境特点的要求，分析图1可知：弱—强风化泥质粉砂岩的CBR较低，土样须经改良处理之后才能作为路基填料使用。
1.3 水理性试验
影响泥质粉砂岩水稳定性的因素多种多样，要在较短的时间对各因素进行完整的试验模拟难以实现，因此，必须采用强化模拟试验。根据目前的试验条件和手段，采用以下2种方法对弱—强泥质粉砂岩水理性进行强化模拟。
(1) 干湿循环试验。根据弱—强风化泥质粉砂岩所处的实际环境条件，将弱—强风化泥质粉砂岩在弱酸性(pH为6.7~6.9)溶液中浸泡3 d，然后将水溶液滤出，再将泥质粉砂岩在105 ℃下烘干后进行筛分，整个过程为1次干湿循环。如此循环15次后，分析弱—强风化泥质粉砂岩在干湿循环条件下的颗粒级配变化。
(2) 冻融循环试验。根据弱—强风化泥质粉砂岩受到季节气温的影响，进行冻融循环强化模拟试验。试验时，将弱—强风化泥质粉砂岩在-25~-15 ℃下冻结2 d后在室温下融化，测定其级配，为1次冻融循环。共进行15次冻融循环，测试弱—强风化泥质粉砂岩在冻融循环作用下的颗粒级配变化情况。
图1 CBR分布直方图
Fig. 1 Distribution histograms of CBR
采用粒径大于5 mm颗粒的破碎率对泥质粉砂岩的水理性进行分析，结果见图2。从图2可见：破碎率起始变化较大，当进行到8次循环后达10%~12%，此后变化较小；在冻融循环试验中，破碎率开始变化也较大，当进行到10次循环后变化较小，16%~18%，趋于稳定。这表明冻融循环对泥质粉砂岩级配的影响大于干湿循环的影响，大于5 mm颗粒在冻融循环或干湿循环作用下的破碎率对工程的影响较大。因此，考虑到高速铁路无砟轨道路基的要求以及湖南气候环境特点，弱—强风化泥质粉砂岩必须经改良处理之后才能使用，且使用时路基填料必须采取排水、隔水和防水措施。
1.4 弱—强风化泥质粉砂岩路基填料的适宜性分析
日本道路公团利用破碎率和崩解率2项指标作为填料的可用性判别标准，判别图如图3所示。图3 中：C区为可用填料；A区为不可用填料；B区为慎用填料。
图2 破碎率曲线
Fig. 2 Curves of relative breakage rate
表3 颗粒级配试验结果(质量分数)
Table 3 Experimental results of particle size distribution %
图3 填料可用性的判别标准
Fig. 3 Suitability criteria of filling
试验测得弱—强风化泥质粉砂岩的破碎率为25%~33%，崩解率为33%~38%。故由图2可知，其破碎率与崩解率所构成的点落于B区与C区之间，这说明它直接用于路基填筑并不是一种非常好的填料。
而由矿物成分分析可知：泥质粉砂岩部分填料属于C组，大部分填料属于D组。由表1及水理性试验结果可知：弱—强风化泥质粉砂岩的矿物成分存在一定的蒙脱石，其抗风化强度能力较弱，水稳性较差。由图1可知：弱—强风化泥质粉砂岩土样的CBR普遍较低，不能满足高速铁路路基填料的要求。
综上所述，弱—强风化泥质粉砂岩不可直接用作高速铁路路基填料，必须进行改良处理后才能使用。
1.5 弱—强风化泥质粉砂岩颗粒级配改良及分析
试验工点弱—强风化泥质粉砂岩破碎料及外掺粗砂的筛分试验结果见表3。从表3可见：掺20%的中粗砂后，弱—强风化泥质粉砂岩破碎料可以满足高速铁路路基对填料级配的颗粒粒径要求；改良后的曲率系数为1.9，不均匀系数为85.7，级配良好。
2 室内试验分析
2.1 颗粒破碎试验
细颗粒数量明显增加和超过限制对路基的长期沉降行为有不利影响，应予以限制。为检验填料的第二类动力稳定性和自身抗冻性问题[13]，对同批填料进行连续5次轻型普氏击实。5次的击实功总和涵盖了填料运输、填筑过程和运营交通动力荷载的作用。根据德国铁路的研究和工程经验，对比击实前后级配曲线和细颗粒含量的变化可以评价施工阶段运输、碾压过程和运营阶段动力荷载的作用。而颗粒破碎主要发生在填料的运输和填筑碾压过程中，运营阶段动力荷载引起的颗粒破碎并不明显，或者说居次要地位。
现场采用20 t压路机对路基碾压了7次后，取路基填料进行筛分，筛分结果见图4。从图4可以看出：压路机作用下弱—强风化泥质粉砂岩物理改良土表现为粒度为60~20 mm的颗粒质量分数减小，粒度小于5 mm的颗粒质量分数有所增大；粒度小于0.075 mm的颗粒质量分数约为30%，增大5%，小于德国铁路规范[14]路基本体的规定要求。改良土碾压前后颗粒级配变化较小，说明土样性质较稳定。
图4 碾压前后填料粒径分布曲线
Fig. 4 Filler particle sizes distribution curves of before/after compaction
2.2 抗剪强度
将弱—强风化泥质粉砂岩过孔径为60 mm筛，掺加20%中粗砂，并在不同压实度、最佳含水量下采用静压法制作试件，试样直径为300 mm，高度为700 mm。然后，进行三轴试验，共进行了4组实验,其压实度分别为90%，92%，95%和97%，由此得到4组试验的黏聚力c和内摩擦角φ，见表4。
表4 抗剪参数试验结果
Table 4 Experimental results of shear parameters
由表4可见：随着压实度增加，试样的黏聚力c增加，而内摩擦角φ则基本没有变化。这是因为压实度越高，意味着颗粒之间的空隙越小，颗粒之间的分子吸力越大，因此，黏聚力就越大。
2.3 CBR与膨胀性
CBR试验按照JTJ 051—93(《公路土工试验规程》)进行，在最优含水量下制样，分别制作压实度为92%，95%和98%共3种试件。
泡水4 d的弱—强风化泥质粉砂岩物理改良土CBR随压实度的提高而增大，当压实度为92%时，CBR达12.5%以上。根据日本铁路对路基填料CBR＞10%的要求，该土样掺中砂改良后，能用于高速铁路路基填筑。弱—强风化泥质粉砂岩掺砂后CBR增加，泡水膨胀量减少，吸水量虽有所减少，但总量仍然较大。因此，该填料用作高速铁路路基填筑时，还应注意隔水防水，且不能用于浸水路堤填料。
2.4 压缩特性
根据泥质粉砂物理改良土击实试件的压缩试验，可求出其压缩性的指标，以此判别压实后路基沉降的快慢程度。
泥质粉砂岩风化料击实试验的压缩试验结果如下：孔隙比e1为0.43~0.56；压缩模量Es 为33.7~50.3 MPa；压缩系数a1-2 为 0.031~0.043 MPa-1。可见：压实度为92%的泥质粉砂岩风化料属于低压缩性土。据压缩系数指标和压缩模量，泥质粉砂岩改良土是一种较好的路基填筑材料，可以用于路基填筑，压实后路基不易沉降。
3 现场试验
3.1 改良土路基下雨前后质量检测指标对比
弱—强风化泥质粉砂岩物理改良土降雨前后检测指标对比结果见表5。从表5可见：雨后路基的含水量wa约增加1%，增幅不大；其他检测指标均有不同程度降低，但仍满足路堤本体的设计要求；在各检测指标中，压实系数K平均降低约4%，孔隙率n增加约14%，地基系数K30降低约22%，动态变形模量Evd降低约26%，二次变形模量Ev2降低约31%。由此可见：随着路基含水量的增大，路基的压实质量检测指标均满足设计要求，但衰减较快，说明泥质粉砂岩物理改良土对水的敏感性较强。所以，对泥质粉砂岩物理改良土填筑路基必须采取严格的隔水、排水措施。在弱—强风化泥质粉砂岩物理改良土路基试验段，在其填筑顶面全断面铺设隔水复合土工膜，且在路基边坡铺设土工格栅进行加筋补强，对其进行良好的隔排水处理。要进行路基填筑表面排水，加强雨天后的晾晒、补压。泥质粉砂岩物理改良土作为路基本体填料，其水稳性满足要求。
3.2 施工后水稳定性试验
弱—强风化泥质粉砂岩物理改良土碾压完成后，曾经历过长时间大雨冲刷，在此期间进行持续观察，发现路基整体情况较好，但表面有软化现象，用铁锹对路基进行挖掘，软化深度为2~3 cm。
在路基上面修筑浸水试验坑，周围用水泥砂浆砌筑防止水渗出。再在试坑内灌水，待坑内积水渗完后，发现表层填土出现淤泥状，厚度约为5 cm，且路基在连续雨水浸泡后，重车在其上行驶，形成较明显车辙，这说明其不能作为浸水路基填料。
表5 弱—强风化泥质粉砂岩物理改良土降雨前后检测指标对比
Table 5 Comparison of detection indexes of argillaceous siltstone physical improved soil before/ after rain
4 改良土路基的工后沉降分析
为进一步验证泥质粉砂岩物理改良土的长期稳定性，在改良土路基试验工点的地基及路基本体内埋设沉降观测原件，观测其沉降情况并对工后沉降进行预测。目前的沉降预测模型主要有双曲线法、指数曲线法、泊松曲线法、灰色理论、组合预测法等。灰色理论GM(1,1)模型及泊松曲线法一般需要为等时空距。若为非等时空距，则需采用最小二乘原理生成等时距序列，然后，根据生成的等时距序列利用拉格朗日插值法生成等时距沉降值。本文通过建立连续型直接数据GM(1,1)沉降模型[15]对路基沉降进行预测，该方法对于自变量可以为非等时空距。设
(1)
，且ti与ti-1之间并不一定要求等时空距，即X(t)为t的连续函数。
设其相应的模型为
(2)
响应方程为
(3)
其中：b=u/a；
，由最小二乘法估计，
(4)
(5)
(6)
可求得
(7)
同样，按最小二乘法，有
(8)
其中：
(9)
(10)
这样，经2次参数拟合后得到：
(11)
采用GM(1，1)模型、泊松曲线法及式(11)对改良土路基的地基沉降进行预测，预测结果见表6。从表6可以看出：GM(1，1)模型起始预测结果精度较高，但离建模数据序列越远，预测精度越低；泊松曲线法、GM连续模型预测精度都较高；泊松曲线预测的最终沉降量为16.749 mm，但在第594天时，实际测得的地基沉降为16.810 mm，而连续型直接数据GM(1,1)模型预测结果为16.898 mm，可见GM(1,1)连续模型最终预测结果更加准确。而铺轨时地基沉降为16.680 mm，故铺轨后的工后沉降预测最大沉降量为0.220 mm，为预测总沉降的1.3%，说明目前工后沉降基本完成。
采用GM连续模型对路基本体沉降进行预测，预测最大沉降量为7.574 mm，铺轨时路基本体已沉降7.300 mm，工后沉降预测值为0.274 mm，为预测总沉降量的3.6%，故可认为路基本体固结沉降已基本完成。综上所述，泥质粉砂岩改良土路基工后沉降较小，满足武广高速铁路工后沉降15 mm的控制标准，达到武广高速铁路的技术标准与运营要求。
表6 地基沉降预测
Table 6 Foundation settlement prediction mm
5 结论
(1) 弱—强风化泥质粉砂岩掺入20%中粗砂改良后，当压实度达到92%及以上时，满足高速铁路路基对强度、刚度、变形及动力稳定性的要求，可以用作高速铁路的路基填料。
(2) 弱—强风化泥质粉砂岩一般含少量蒙脱石，对于填料的水稳定性不利。经过物理改良后可以用作高速铁路的路基填料，但不适于浸水路堤的填筑，施工时应注意隔水防水。
(3) 连续型直接数据GM(1,1)模型可以不要求自变量为等时空距，与等时空距(GM1，1)模型、泊松曲线模型相比较，精度较高，且可以在自变量连续变化时对沉降进行预测。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2013-01-10；修回日期：2013-03-21
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50678177)；铁道部科技研究开发计划项目(2005K002-B-1)
通信作者：陈湘亮(1974-)，男，湖南新宁人，博士研究生，从事路基研究；电话：13508473429；E-mail：cxlwch425@163.com
