張照龍 蔣應(yīng)軍 沙紅衛(wèi) 董鑫 張政 張偉

（1.陜西西韓城際鐵路有限公司，西安710054；2.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，西安710064；3.陜西西法（北線）城際鐵路有限公司，西安710065；4.陜西鐵路集團有限公司，西安710199）

黃土廣泛分布在我國西北、東北、華中和華東部分地區(qū)。在鐵路工程建設(shè)中，常采用黃土作為路基填料。黃土填料路基的壓實通常采用振動碾壓法。大量工程實踐表明，黃土填料路基振動壓實后，路基的塑性變形、滲透系數(shù)等物理力學(xué)特性均有明顯改善。研究黃土填料路基的壓實響應(yīng)特性與力學(xué)特性，對于提高路基的穩(wěn)定性、保證施工質(zhì)量有著重要意義［1-3］。

在黃土填料的壓實響應(yīng)特征方面，國內(nèi)學(xué)者從黃土路基壓實的技術(shù)，影響因素、機理等方面進行了深入研究。文獻［4-6］通過黃土路基室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ停芯苛苏穹?、振動頻率、碾壓速度與碾壓次數(shù)對黃土填料壓實系數(shù)的影響，確定了黃土路基最佳振動壓實作業(yè)參數(shù)，即：振幅1.6 mm、頻率30～32 Hz、碾壓速度1.12～1.30 km/h、振動碾壓次數(shù)不宜超過7遍。文獻［7］研究了黃土松鋪厚度、碾壓次數(shù)與壓實效果的關(guān)系，提出了針對不同松鋪厚度的適宜碾壓次數(shù)推薦值及黃土大噸位壓實工藝控制參數(shù)。在鐵路路基填料的力學(xué)特征方面，文獻［8］通過室內(nèi)模型試驗，研究了9種路基填料在不同壓實系數(shù)下地基系數(shù)K30和動態(tài)變形模量Evd的相關(guān)關(guān)系，證明了細粒土的K30與Evd存在較好的相關(guān)關(guān)系。文獻［9］通過現(xiàn)場試驗研究了7種路基填料Evd與壓實系數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明粗粒土、細粒土的Evd與壓實系數(shù)存在很好的相關(guān)性，并建立了不同填料Evd檢測路基壓實質(zhì)量標準。

綜上所述，現(xiàn)階段對于黃土填料路基壓實響應(yīng)特征與力學(xué)特征的研究大部分還停留在室內(nèi)模擬試驗階段，其結(jié)果缺乏現(xiàn)場的研究支撐。本文依托陜西新建城際鐵路西安至法門寺北線工程，現(xiàn)場深入研究黃土路基填料的壓實響應(yīng)特征與力學(xué)特征，為黃土路基填料的工程應(yīng)用及施工質(zhì)量控制提供依據(jù)。

1 研究方案

1.1 黃土物理特性

黃土填料取自西法城際鐵路北線DK32+200，其屬于黏質(zhì)黃土，呈褐黃色，以黏粒為主、粉粒次之，土質(zhì)不均勻，結(jié)構(gòu)疏松，軟塑-硬塑、硬塑為主，濕陷性等級Ⅱ級。

根據(jù)TB 1001—2016《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》對填料組別分類的要求，其塑性指數(shù)Ip≥10，液限ωL＜40，該黃土填料為低液限黏土，屬于C3組填料。通過擊實試驗確定的最佳含水率為14%，最大干密度為1.894 g/cm3。黃土填料物理性質(zhì)見表1。

表1 黃土填料基本物理性質(zhì)

1.2 試驗方案

填筑工藝試驗段長度約為60 m，底部寬約8 m。試驗段地點為西法北線DK32+200取土場。

1）路基黃土填料壓實響應(yīng)研究方案

壓路機：選用振動壓路機為柳工22 t單鋼輪振動壓路機和中大39 t單鋼輪振動壓路機。

碾壓方式：擬采用2種碾壓方案，見表2。方案rq為傳統(tǒng)碾壓方式；方案qq為改進后的碾壓方式。

表2 碾壓方式方案

不同松鋪厚度下的最大可壓實水平研究：選用22 t振動壓路機時，松鋪厚度擬為30，35，40 cm；選用39 t振動壓路機時，松鋪厚度擬為45，55 cm。

壓實系數(shù)檢測：碾壓過程中每靜壓1遍或振動碾壓2遍測定壓實系數(shù)1次。由于振動壓實土體時上層土體比中下層土體要密實，為檢測路基整層的平均壓實系數(shù)，檢測時灌砂坑的深度為碾壓后實際壓實厚度。鑒于灌砂法檢測壓實系數(shù)耗時較長，因而通過碾壓前后的高程差初步評價壓實效果，以提高碾壓效率，減少壓實度檢測次數(shù)。

2）壓實黃土路基力學(xué)特征

分別在壓實系數(shù)K≈0.90，0.93，0.95段落上檢測K30（碾壓完成后4 h內(nèi)），距離K30檢測點位不超過30 cm范圍內(nèi)選擇不少于5個點位檢測Evd、并用灌砂法檢測該點壓實系數(shù)。研究壓實系數(shù)對壓實黃土K30和Evd的影響，并建立K30-Evd之間關(guān)系。

地基系數(shù)K30檢測：使用地基系數(shù)K30測試儀在路基頂面進行靜壓平板載荷試驗，剛性荷載板的直徑為30 cm，采用單循環(huán)逐級加載的方式，以0.04 MPa的增量進行加載，在每級荷載作用穩(wěn)定下，讀取相對應(yīng)的沉降量和荷載強度值，總沉降量大于1.25 mm時，本次試驗結(jié)束，計算式為

式中：P為沉降量對應(yīng)的荷載強度值，MPa；S為沉降量，m。

動態(tài)變形模量Evd檢測：使用動態(tài)變形模量測試儀通過自由下落的落錘進行沖擊路基面，并測定路基土在沖擊荷載作用下產(chǎn)生的沉陷值，從而計算路基土體的動態(tài)變形模量Evd，計算式為

式中，S1為承載板沉陷值，mm。

2 黃土填料路基壓實響應(yīng)特征分析

2.1 碾壓工藝

22 t壓路機在不同碾壓方式下對黃土路基的壓實效果見圖1。松鋪厚度35 cm，碾壓時含水率約為14%。

圖1 22 t壓路機不同碾壓工藝下路基壓實效果

由圖1中方案rq可知，靜壓1遍，弱振第2遍時，路基表面變形值基本不再變化，此時壓實系數(shù)為0.862，壓實厚度約33 cm。改為強振后，隨著強振遍數(shù)增加，黃土路基壓實系數(shù)繼續(xù)增大，當(dāng)強振7遍后，繼續(xù)碾壓路基表面變形值基本不再變化，此時壓實系數(shù)為0.906，壓實厚度約30 cm。

由圖1中方案qq可知，靜壓1遍，隨著強振遍數(shù)增加，黃土路基壓實系數(shù)不斷增大，當(dāng)強振8遍后，路基表面變形值基本不再變化，此時壓實系數(shù)為0.950，壓實厚度約29 cm。

因此，建議采用靜壓1遍，強振8遍，靜壓收面1遍的碾壓工藝。

2.2 不同松鋪厚度下的最大可壓實水平

22 t和39 t壓路機下碾壓次數(shù)與壓實系數(shù)的關(guān)系見圖2。按方案qq方式碾壓，碾壓時含水率約14%。

圖2 不同壓路機碾壓次數(shù)與壓實系數(shù)的關(guān)系

由圖2（a）可知：松鋪厚度約30 cm，22 t壓路機靜壓1遍，強振6遍，黃土路基達到最大可壓實水平，壓實系數(shù)0.956，壓實厚度約25 cm；松鋪厚度約35 cm，22 t壓路機靜壓1遍，強振8遍，黃土路基達到最大可壓實水平，壓實系數(shù)0.953，壓實厚度約30 cm；松鋪厚度約40 cm，22 t壓路機靜壓1遍，強振8遍，黃土路基達到最大可壓實水平，壓實系數(shù)0.913，壓實厚度約35 cm。

由圖2（b）可知，松鋪厚度約45 cm，39 t壓路機靜壓1遍，強振7遍，黃土路基達到最大可壓實水平，壓實系數(shù)0.955，壓實厚度35 cm；松鋪厚度約55 cm，39 t壓路機靜壓1遍，強振6遍，黃土路基達到最大可壓實水平，壓實系數(shù)0.915，壓實厚度40 cm。

隨著機械制造水平的不斷進步，壓路機逐漸向大噸位、大激振力方向發(fā)展，且在實際工程中的應(yīng)用也越來越多［10-11］，與之相對的是大噸位壓路機的成本問題。施工現(xiàn)場所用中大39 t壓路機的租賃費用是柳工22 t壓路機的10倍，油耗約為3倍。使用1臺大噸位壓路機的成本相當(dāng)于使用3～4臺傳統(tǒng)噸位壓路機的成本。由圖2可知，要滿足TB 1001—2016《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的壓實系數(shù)K≥0.90的要求，當(dāng)松鋪厚度約40 cm時，22 t壓路機靜壓1遍，強振6遍即可；當(dāng)松鋪厚度約55 cm時，39 t壓路機靜壓1遍，強振4遍即可。鑒于在施工效率方面39 t大噸位壓路機與22 t等常規(guī)振動壓路機相比并無明顯優(yōu)勢，因此推薦選用傳統(tǒng)噸位壓路機作為主要的壓實設(shè)備。在需大厚度壓實的特殊路段，大噸位壓路機的應(yīng)用前景較為廣闊［12-14］。

3 黃土填料路基壓實力學(xué)特征分析

路基壓實質(zhì)量采用物理和力學(xué)的雙指標控制，物理指標統(tǒng)一采用壓實系數(shù)K；力學(xué)指標一般為地基系數(shù)K30和動態(tài)變形模量Evd。K30表示土體表面在平面壓力作用下產(chǎn)生的可壓縮性的大小。Evd為路基中某點的動應(yīng)力與動應(yīng)變之比，由于其操作簡便，可以作為K30試驗的補充手段。

3.1 壓實系數(shù)與地基系數(shù)、動態(tài)變形模量的關(guān)系

黃土填料路基K與K30、Evd的相關(guān)關(guān)系見圖3。碾壓時含水率約14%。

圖3 黃土填料路基K與K30、Evd的相關(guān)關(guān)系

由圖3（a）可知，K與K30呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R＝0.97。當(dāng)壓實系數(shù)為0.90時，根據(jù)擬合公式，K30＝116 MPa/m。

由圖3（b）可知，K與Evd呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R＝0.96。當(dāng)壓實系數(shù)為0.90時，根據(jù)擬合公式，Evd＝43 MPa。

3.2 動態(tài)變形模量與地基系數(shù)的關(guān)系

黃土填料路基Evd與K30的關(guān)系見圖4，碾壓時含水率約14%。

圖4 K30與Evd的關(guān)系

由圖4可知，K30與Evd呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R＝0.96。Evd可以很好地反應(yīng)路基真實的壓實情況。在黃土填料路基的施工中，為節(jié)約檢測時間，提高效率，完全可以以Evd為主要力學(xué)控制指標控制路基的壓實質(zhì)量，同時檢測20%左右的K，K30作為校驗［15］。由于Evd的檢測有很大的離散性，在檢測時應(yīng)取多個測點，使用格拉布斯法取代表值作為最終的結(jié)果。根據(jù)擬合公式，當(dāng)K＝0.90時，Evd＝42.5 MPa；當(dāng)K30＝90 MPa/m時，Evd＝40.6 MPa。推薦的Evd的壓實標準值為45 MPa。

4 結(jié)論

1）壓實黃土路基選用靜壓1遍后直接強振的振碾方式具有較好的壓實效果。

2）使用2種噸位壓路機研究了黃土路基在不同松鋪厚度下的現(xiàn)場最大可壓實水平。結(jié)果表明：當(dāng)現(xiàn)場含水率為最佳含水率時，使用22 t壓路機靜壓1遍，強振7遍，黃土路基達到最大可壓實水平，松鋪厚度約30 cm，壓實系數(shù)0.956；松鋪厚度約35 cm，壓實系數(shù)0.953；松鋪厚度約40 cm，壓實系數(shù)0.913。使用39 t壓路機靜壓1遍，強振6遍，黃土路基達到最大可壓實水平，松鋪厚度約45 cm，壓實系數(shù)0.955；松鋪厚度約55 cm，壓實系數(shù)0.915。

3）黃土填料路基的Evd與K30，K呈良好的相關(guān)關(guān)系，可以選用Evd對黃土路基的壓實質(zhì)量進行快速檢測，其壓實標準值為45 MPa。