（道路与铁道工程专业论文）软岩填料在高速铁路中的适用性分析与沉降研究.pdf

摘要武广客运专线沿线挖方路段分布有大量的软岩，若能将这些软岩弃碴用作该高速铁路路基填料，则可产生显著的社会经济效益。本文结合国家自然科学基金项目选取代表性软岩自垩系及第三系泥质粉砂岩的强风化弱风化混合物作为主要研究对象，对其进行了大量的室内室外试验以验证其在高速铁路中的适用性、可行性并探讨其具体的施工工艺。同时，针对无碴轨道路基沉降变形的高标准控制要求，并基于沉降监测预测评估的体系，重点研究了软岩填料实体路堤的沉降变形特性。本文所采用的主要研究方法和得到的重要结论如下：( 1 ) 通过崩解试验、循环击实试验、大三轴剪切试验、c b r 试验、模型试验、现场水稳定性试验等方法，证明泥质粉砂岩填料具有足够的抗剪强度和刚度、足够的硬度、持久的体积稳定性、易于压实、对水较敏感，完全可以用于高速铁路路堤本体的填筑，但使用时需要采取一些防排水措施来提高它的水稳定性。( 2 ) 泥质粉砂岩填料现场填筑时应进行物理改良以改善其颗粒级配，物理改良土宜采用场地集中拌和法施工，施工含水率宜控制在最佳含水率w o p ，的2 + 2 5 范围内，使用2 0 2 5 t 的振动压路机碾压6 8 遍。( 3 ) 通过对路基压实质量检测指标进行相关性分析发现，力学检测指标与物理检测指标的相关性不大；力学检测指标之间具有较强的相关性对软岩路基压实质量的控制应采用物理检测指标与力学检测指标相结合的方法，并以物理检测指标为主，即以衡量路基密实度的检测指标为主，辅以检测路基刚度的指标。( 4 ) 通过现场沉降监测发现，泥质粉砂岩填料的沉降变形以蠕变为主，受外界环境因素的影响要大于受荷载因素的影响，且后期沉降量较大。( 5 ) 通过采用多种沉降预测模型来拟合沉降时间曲线发现，泊松曲线能够较好地拟合软岩填料填筑层的沉降过程，但最终沉降预测值偏小；a s a o k a 法和g m ( 1 ，1 ) 模型拟合效果不如泊松曲线，但二者的最终沉降预测值基本一致。( 6 ) 从沉降预测的结果来看，软土地基经c f g 桩网复合结构加固后，工后沉降量很小，软岩路堤的工后沉降则以路堤自身的工后沉降为主；而路堤自身的工后沉降预测值是路堤高度的0 0 9 1 0 18 3 。( 7 ) 基于模糊随机可靠度理论的分析表明，软岩路堤因工后沉降变形而失稳的概率较小，路堤的长期稳定性能够得到保证。关键词：高速铁路；软岩填料；适用性；压实标准；施工工艺；沉降预测；模糊随机可靠度a b s t r a c tt h e r ei sp l e n t yo fs o f tr o c kd i s t r i b u t e di nt h ec u t t i n gp o s i t i o no fn e ww u h a n g u a n g z h o up a s s e n g e rr a i l w a y i ft h e yc a nb eu s e da ss u b g r a d ef i l l i n go ft h i sh i g h s p e e dr a i l w a y , s o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t sw i l lb eo b v i o u s l yo b t a i n e d a sar e p r e s e n t a t i v es o f tr o c k ，s e r i o u s l y w e a k l yw e a t h e r i n ga r g i l l a c e o u ss i l t s t o n ea tc r e t a c e o u sa n dt e r t i a r yi st h em a i nr e s e a r c ho b je c ti nt h et h e s i sw h i c hi sc o m b i n e dw i t ht h es t a t en a t u r a ls c i e n c ef u n di t e m i no r d e rt ov a l i d a t ea r g i l l a c e o u ss i l t s t o n ef i l l i n g ss u i t a b i l i t ya n df e a s i b i l i t yi nt h eh i g h - s p e e dr a i l w a ya n dd i s c u s st h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , al a r g en u m b e ro fi n d o o ra n do u t d o o re x p e r i m e n t a t i o n sw e r ec a r r i e do u t s i n c et h es e t t l e m e n to fs u b g r a d ei ss t r i c t l yc o n t r o l l e di nb a l l a s t l e s st r a c k s ，t h es e t t l e m e n to ft h ee m b a n k m e n tf i l l e db ys o f tr o c ki sar e s e a r c he m p h a s i sa n dt h er e s e a r c hi sb a s e do nt h es y s t e mo fs e t t l e m e n tm o n i t o r i n g p r e d i c t i o n - e v a l u a t i o n t h em a i nr e s e a r c hm e a n sa n dt h ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n si nt h et h e s i sa r et h ef o l l o w i n g s ：( 1 ) b ym e a no fc o l l a p s et e s t ，c y c l i cc o m p a c t i o nt e s t ，l a r g e s c a l et r i a x i a lt e s t ，c b rt e s t ，m o d e lt e s t ，w a t e rs t a b i l i t yt e s ti nf i e l da n ds oo n ，m a k es u r et h a ta r g i l l a c e o u ss i l t s t o n ef i l l i n gh a sc h a r a c t e r i s t i c so fe n o u g hs h e a rs t r e n g t ha n ds ：t i f f n e s s ，a d e q u a t er i g i d i t y , p e r m a n e n tv o l u m es t a b i l i t y ,b e i n gp r o n et ob ec o m p a c t e d ，a n db e i n gs e n s i t i v et ow a t e r a r g i l l a c e o u ss i l t s t o n ef i l l i n gc a nb eu s e du n d e rt h eb o t t o mo fb e d d i n gi nh i g h s p e e dr a i l w a yb u tt h ew a t e rs t a b i l i t ys h o u l db ei m p r o v e db ys o m ew a t e r p r o o fa n dd r a i n a g em e a s u r e s ( 2 ) w h e nt h ea r g i l l a c e o u ss i l t s t o n ef i l l i n gw a su s e di nt h es u b s t a n t i a l i t ye m b a n k m e n t ，i ts h o u l db ep h y s i c a l l yi m p r o v e d t h ep h y s i c a l l yi m p r o v e ds o i lo u g h tt ob em i x e dc e n t r a l l yi nf i e l da n dt h ew a t e rc o n t e n to fc o n s t r u c t i o ns h o u l db ec o n t r o l l e di nt h er a n g eo f 一2 t o + 2 5 o ft h eo p t i m u mw a t e rc o n t e n t u s i n gv i b r a t o r yr o l l e rw i t h2 0 tt o2 5 ta n dr o l l i n gb y6t o8t i m e sa r es u i t a b l e ( 3 ) t h r o u g hr e l a t i v i t ya n a l y s i so nt h ed e t e c t i n gi n d e x e so fc o m p a c t i o nq u a l i t yo ft h es u b g r a d e ，d i s c o v e rt h a tt h em e c h a n i c a ld e t e c t i n gi n d e x e sa r ei i n o tm u c hr e l a t i v et ot h ep h y s i c a ld e t e c t i n gi n d e x e s ，b u tt h em e c h a n i c a ld e t e c t i n gi n d e x e sa r er e m a r k a b l yr e l a t i v et oe a c ho t h e r , a n dt h et w ok i n d so fd e t e c t i n gi n d e x e ss h o u l db ea d o p t e di nt h es o f tr o c ke m b a n k m e n t f u r t h e r m o r e ，t h ep h y s i c a ld e t e c t i n gi n d e x e sw h i c hd e t e c tt h ec o m p a c t i o nd e g r e ea r em o r ei m p o r t a n tt h a nt h em e c h a n i c a ld e t e c t i n gi n d e x e sw h i c hd e t e c tt h es t i f f n e s s s ot h ef o r m e ra r et h ep r i m ed e t e c t i n gi n d e x e s ( 4 ) t h er e s u l t so fs e t t l e m e n tm o n i t o r i n gs h o wt h a tc r e e pi st h em a i nd i s t o r t i o no ft h ea r g i l l a c e o u ss i l t s t o n ef i l l i n gw h i c hi sm o r ea f f e c t e db ye n v i r o n m e n tt h a nl o a d t h es u b s e q u e n ts e t t l e m e n ti sl a r g e ( 5 ) b yu s i n gm u l t i f o l dm o d e l so fs e t t l e m e n tp r e d i c t i o nt of i tt h ec u r v e so fs e t t l e m e n t t i m e 。f i n dt h a tp o i s s o nc u r v ei sf i t t e rt h a na s a o k am e t h o da n dg m ( 1 ，1 ) m o d e lb u tt h ef i n a ls e t t l e m e n tp r e d i c t i o nv a l u e si sl e s sb yt h ef o r m e rt h a nt h et w ol a t t e rw h i c he l i c i tt h es a m er e s u l t s 。( 6 ) t h er e s u l t so fs e t t l e m e n tp r e d i c t i o ns h o wt h a tt h ep o s t c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n to ft h es o f tf o u n d a t i o na f t e rb e i n gt r e a t e db yc f gp i l e n e tc o m p o s i t es t r u c t u r ei ss m a l l 。a n dt h ep o s t 。c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n to ft h es o f tr o c ke m b a n k m e n tm a i n l yc o m e sf r o mt h ee m b a n k m e n ti t s e l f it h ep o s t c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n tp r e d i c t i o nv a l u eo ft h ee m b a n k m e n ti t s e l fi so ：0 91 t oo 18 3 o ft h eh e i g h to ft h ee m b a n k m e n t ( 7 ) b a s e do nt h et h e o r yo ff u z z y - r a n d o mr e l i a b i l i t y ，t h ec o n c l u s i o n st h a tt h ep r o b a b i l i t yo ft h es o f tr o c ke m b a n k m e n tw h i c hw i l ll o s es t a b i l i t yb e c a u s eo fp o s t c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n ti ss m a l la n dt h el o n g t e r ms t a b i l i t yo ft h ee m b a n k m e n ti sh i g h l ye n s u r e da r ed r a w n k e yw o r d s ：h i g h s p e e dr a i l w a y ；s o f tr o c kf i l l i n g ；s u i t a b i l i t y ；c o m p a c t i o ns t a n d a r d ；c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y ；s e t t l e m e n tp r e d i c t i o n ；f u z z y - r a n d o mr e l i a b i l i t yi i i 原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特j j t l d n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：日期：年由丑日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。硕士学位论文第l 章绪论第1 章绪论1 1 引言武广客运专线跨越湖北、湖南、广东三省，沿线挖方路段分布有大量的软岩。这些软岩主要为白垩系及第三系泥质粉砂岩、砂砾岩、含砾砂岩，元古界板溪群及冷家溪群砂质板岩、泥质板岩、千枚板岩、绢云母板岩，在天然状态下有呈全风化强风化状的，也有呈强风化弱风化状的。全风化强风化层厚度一般为1 4 m ，岩石结构基本破坏，呈土状；强风化弱风化层需爆破开采，爆破后呈块石状或碎块状，岩块直径一般为0 1 1m 。按照我国铁路路基设计规范( t b1 0 0 0 1 2 0 0 5 ) ，这些软块石可归于c 组或d 组填料，铁路路基施工规范o b1 0 2 0 2 2 0 0 2 ) 对其使用标准作出如表1 1 1 - 2 所示的规定；客运专线无碴轨道铁路设计指南( 铁建设函 2 0 0 5 】7 5 4 号) 对填料的使用作出了更为严格的要求：路基基床底层及基床底层以下部位均不能直接采用c 组或d 组填料中的软质岩。软岩的主要特点是粘土矿物成分含量高、强度低、性能不稳定、遇水或风化作用后其强度会急剧降低。过去由于对软岩风化料的工程性质认识不足和技术经济条件限制，采用此类填料填筑的路基，经多年运行后，在交通循环荷载作用和自然条件下产生严重路基病害，如基床翻浆冒泥、路基沉陷、边坡塌坍等，导致路基结构状态恶化和维修工程量增加。因此长久以来，此类填料在铁路、公路中的应用受到限制。随着国内外高速铁路、高速公路的大力兴建以及路基工程的大力发展，软岩填料也逐渐为人们所重视，曾尝试性地在一些高等级公路或铁路路基上得到成功应用。国内外对高速铁路路基基床填料的要求都很高，基床是路基受外界作用最频繁的部位，也是最易于发生病害的部位：特别是与上部轨道相连的基床表层，承受反复的巨大的动力荷载作用，因此不能采用软质岩块填筑。但我们可以考虑将武广客运专线上的软岩弃碴经过适当处理后用于路基基床以下部分的填筑，这样不仅可以解决路堤填料缺乏、弃土占用农田的问题，而且能节省投资、保护环境，还可以为今后软岩填料的设计与施工积累下宝贵的工程经验。一般来说，客运专线路堤下部填料应满足下列三个基本要求：一是在上部结构( 包括车辆、轨道以及基床) 自重作用下，路堤能保持长期稳定；二是路堤本体的压缩沉降能很快完成；三是路堤的力学特性不会受其它因素( 水、温度等) 影响而发生不利于路堤稳定的变化。然而软岩弃碴由于其自身存在着许多与母岩一致的不良工程性质如遇水软化崩解甚至泥化，有时还会出现膨胀现象等等，特别是其中的粗颗粒土在填筑完成以后还有可能进一步风化破碎，因此它能否用于客运专硕- i ：学位论文第1 章绪论线路基基床以下部位的填筑，还有待深入细致地研究。本文即是基于这一目的，选取上述几种软岩弃碴中工程性质相对较好但并不算是最好的强风化弱风化泥质粉砂岩为代表，对软岩填料的物理力学特性及水稳定性做全面系统的研究分析。通过大量的室内、现场试验以及现场检测监测措施，验证软岩填料用作武广客运专线路堤基床以下部分填料的适宜性与可行性，并提出相应的压实质量控制指标，从而为软岩弃碴在高速铁路或公路中的应用提供可靠的理论依据与重要的实践参考。表1 - i 基床填料使用范围表1 2 基床以下路堤填料使用范围地区年平均降雨鼙( m m )岩性不大于5 0 0大于5 0 0表层底层表层底层微风化( 非宜可宜可泥质岩石)弱风化不得可不得可强风化严禁不得严禁不得不浸水条什说明浸水部分部分微风化( 非泥宜- 3质岩石)弱风化可不宜强风化不得不得1 2 软岩填料的研究与应用现状1 2 1 软岩填料的工程特性( 1 ) 软化性大量室内试验与工程实践表明，软岩具有很强的软化性，即一定尺寸的软岩块与大气及水相遇后容易软化，力学性质会发生较大变化，其强度及刚度均大幅度降低u 3 】。在岩土工程中，用“软化系数”来表征这一性质，其定义为岩石浸水后的抗压强度与干燥岩石的抗压强度之比。显然，软化系数越小，浸水后岩石强度的变化也越显著。当软化系数大于0 7 5 时，一般认为软化性很小，当软化系数接近于l 时，可认为岩石不软化。周翠英等卜5 】通过扫描电镜、偏光显微镜、能谱分析、粉晶x 射线衍射以及岩石的物理力学测试等手段测定软岩微观结构、矿物成分、物理力学性质、水溶液的化学成分及其随时间的变化特点，揭示软岩软化的动态变化规律，探讨其软化微观机制，在饱水试验的基础上指出软岩的软化机制包括：粘土矿物吸水膨胀与崩解机制、离子交换吸附作用、易溶性矿物溶解与矿物生成、软岩与水作用的微观力学作用机制以及软岩软化的非线性化学动力学机制等，其中，粘土矿物吸水膨胀与崩解机制、离子交换吸附机制及软岩与水相互作用的微观力学作用机制起主要的作用。将时间序列的分维分析方法应用于软岩与水相互作用系统中，通过重建相空间，确定了描述该系统所需的最少变量数。2硕：l ：学位论文第1 章绪论试验中发现，软岩的微观结构、力学参数是反映软岩软化的控制性因素，因而取微结构孔隙分布分维值眈、粘聚力c 和内摩擦角够值作为描述该系统的3 个变量。在此基础上，应用反演分析理论，确定了软岩软化的非线性动力学模型，再将以上3 个变量的时间序列值通过求残差平方和极小值的方法与模型进行逼近，得到模型中各个未确定的参数，从而对软岩与水相互作用过程进行非线性动力学分析。结果表明：所给出的非线性动力学模型计算得到的微结构孔隙分布分维值d s 、粘聚力c 和内摩擦角缈值与试验获得的相应参数值的分布曲线非常接近，说明软岩与水相互作用具有显著的非线性动力学特点；同时，利用所建立的模型可较好地预测软岩在饱水条件下，一定时间后的微观结构参数和力学性质变化规律。( 2 ) 崩解性软岩不仅具有很强的软化性，还具有很强的崩解性。对于软岩的崩解现象和崩解机理，许多学者进行了大量的研究，如余宏明等【6 j 在地质调查及大量岩土实验的基础上，研究了巴东县新城区中三叠统巴东组二段t 2 b 2 紫红色泥岩的膨胀崩解特性，测定了强风化泥岩的矿物及化学成分，对岩石在不同状态和不同浸水时间条件下表现出的快速胀裂、崩解现象进行了细致观察，同时对不同浸水状态的岩石进行了强度试验，发现该区紫红色泥岩风化后具有微弱的膨胀性，以及沿微裂面快速崩解的特性，其膨胀崩解特性与岩石的物理状态密切相关：随岩石天然含水率的提高，崩解速度加快，且崩解的程度提高；经烘干后的岩块的崩解速度明显加快，因为失水后再浸水的岩块结构和化学成分发生了变化，可以认为岩块崩解与其微观性质密切相关；随岩块泥质含量的增高，崩解速度加快，程度增高；可溶盐类的含量越高，由可溶盐类溶解后形成的空洞越多，则其崩解速度越快，崩解的程度越高。颜文等r 7 】通过对泥质千枚状板岩、砂质千枚状板岩和泥质粉砂岩这三种软岩的水理特性进行试验研究，得出：全风化的泥质千枚状板岩耐崩解性能力差，最好将其当作土来对待；泥质千枚状板岩与砂质千枚状板岩在施工过程中应充分破碎，以防止填土因材料的软化与崩解而发生过大的沉降，影响路基的稳定性与耐久性；软质岩的水理性强弱与所含的粘土矿物有关，也与含水率的交替变化程度有关，一般保持天然含水率状态下浸水的矿岩，水理性显现程度较小，而发生失水过程的矿岩再浸水后，其水理性就变得极其强烈。张永安等瞵j 对滇中红层泥岩的水理特性作了研究分析，指出该红层由砂岩、粉砂岩、泥岩组成，通常为岩性比较软弱的泥岩、泥质粉砂岩等，特别是红层泥岩富含的高岭石、伊利石、蒙脱石、伊蒙混层等粘土矿物颗粒细小，亲水性强，在地下水入渗的情况下结构面泥化，岩体发生软化，强度降低。在失水情况下，发生不均匀收缩，岩体就崩解为碎裂块体，同时在地下水的作用下发生溶蚀溶解。红层还具有很强的崩解性，边坡开挖后发生崩解，降雨及其形成的坡面流作用下破坏流失的现象。硕：学位论文第l 章绪论但是由于软岩崩解过程的复杂性，一直很难找到一个定量的指标来描述，在工程应用上极为不便，因此迫切需要研究能表征崩解机理的定量指标。为此，苏永华等【9 】将非线性的分形几何引入到软岩膨胀崩解力学机理研究中，利用分形理论分析崩解机制，认为软岩的吸水膨胀崩解是软岩属于多重分形，其稳定分数维可以作为膨胀崩解的一个定量指标，更可以作为路基填筑施工工艺的控制指标。在此基础之上，刘晓明等l lo j 采用灰色关联度法对红层软岩的粒度分形特征以及矿物、化学成分试验数据与其崩解性进行了关联分析。分析发现：与化学成分相比，红层软岩的粒度分布分形特征参数与崩解特性具有更高的关联度，表明沉积形成时的环境决定了成岩后的红层软岩崩解性强弱。因为红层软岩中蒙脱石含量少，因此在各种成分中伊利石含量对红层软岩崩解性影响最大，说明水理特性不稳定的矿物含量始终是影响软岩崩解的主要因素。化学成分中，f e 2 0 3 含量对红层软岩崩解性影响最大，在红层软岩成分分析中应注意对f e 2 0 3 质量分数测试和分析。赵明华等【l l j 通过红层软岩的室内恒温保水和模拟大气条件的渐进崩解实验，跟踪观察崩解产物的粒度变化，引入分形几何的理论模型，提出利用分维数来定量描述红砂岩崩解破碎的非线性动态过程，并结合湘南某高速公路红层软岩路基工程建设，提出相应的崩解稳定分维数。研究结果表明：基于质量的分形分布模型能较好地描述岩石崩解破碎过程中粒度的分布特征，其分维数可作为判断红层软岩崩解完成与否的控制指标。通过计算机数值模拟，进一步验证了分形理论应用于崩解破碎过程定量描述的适甩性，并以数值模拟实验得到的筛分数据，统计得出基于质量的分形分布和常用的r 尺分布的参数之间的关系。( 3 ) 路用性为了研究种堆积软质岩能否作为路基填料，日本专门组织了一个委员会，对该种软质岩填筑的既有路基进行全面的调查，并进行了现场填筑试验和动态试验，整个研究工作持续了数年。现场填筑试验完全按照实际路基的设计施工标准进行，试验路堤高6 3m 、上宽l o 1m 、底宽3 1 7m 、长4 3 6m 。试验分三个过程，第一是观测路堤的静沉降，历时5 0 0 天。路基变形在1 0 0 天后基本稳定，路基最大沉降为4 5 m m 左右。第二是共振试验，动荷载由激振器提供，动载大小范围为l 1 6t ，将频率由0 变化到4 0h z ，求得路堤的共振频率在3 6h z 附近。第三是重复加载试验，荷载与共振试验相同，频率为3 3 h z ，重复加载2 0 0 万次，测得路基面累积残余沉降为1 6m i l l ，弹性变形幅值为0 9m l n 。在其现场填筑试验中，他们还对软质岩填料的力学性质和级配等进行了研究，所采用的填料为粒径不大于6 0m l n 的隧道软质岩弃碴，日本道路公团基于上述分析并提出了用破碎率和崩解率两方面来评价软质岩填料的压缩性【1 2 1 4 1 ，其判别图如图1 1 。在a 区破碎率小而崩解大，填料的水稳性不好，在机械碾压作用下不易破碎，填土得不到充分压实，4硕十学位论文第l 章绪论而在反复干湿循环下，岩块很快崩解破碎造成下沉，一般a 区的压缩变形e 1 5 ；在c 区则反之，其压缩变形e 2 0 m m ) 而混合法约占2 0 ，混合法所采集的填料的颗粒级配明显优化了。在推铲混合的过程中，会使水分降低，若降低到低于最佳含水率时，可适当洒水，一方面达到最佳含水率要求，另一方面使填料中的岩块易于破碎，加速填料的细粒化。软岩路堑爆破时，要注意爆破方法选择和爆破参数的选取，这对于控制软岩颗粒级配很重要。由于软岩强度低、空隙度大，为控制弃碴块度要采用浅孔爆破，并且孔径、孔距要小，装药密度相应较少。长荆线口7 j 采用浅孔台阶微差爆破，台阶高度3 4m ，炮孔直径7 5m i n ，孔深3 5m ，装药密度2 0 0 2 5 0g m 。对于泥质页岩，当孔距为9 0c m 时，爆破后弃碴块大于1 5c m 的达2 0 0 0 , - 3 5 ；当孔距为8 0c m 时，弃碴块径大于l5 c m 的在5 15 。对于泥质页岩选择孔距为8 0c m ，对于红泥岩选择孔距为9 0c m 。填料中块径较大的岩块，填筑前进行二次破碎，以满足填料颗粒级配的要求。( 2 ) 摊铺厚度软岩的填层厚度与碾压的设备性能、填料的颗粒直径以及压实质量的检查设备有关系。当填料颗粒直径较大，采用重型振动压路机碾压时，则填层可用较大的厚度。客运专线铁路路基施工技术指南规定，基床以下路堤，采用碎石类土7硕十学位论文第1 章绪论填筑时，分层的最大压实厚度不应大于4 0 c m ；采用砂类土和改良细粒土填筑时，分层的最大压实厚度不应大于3 0 c m ；最小分层压实厚度不宜小于1 0 c m 。由于密度湿度核子仪所测深度一般为表层0 3m ，又配备一定数量的恐。承载板检测，考虑到压缩因素，填层松铺厚度采用o 3 0 4 m 为宜。( 3 ) 填筑含水率软岩填筑时的施工含水率以室内击实试验所得的最佳含水率为基础，有资料表吲2 抛9 】：未风化的软岩填料与硬质岩填料的压实机理相近，对含水率不敏感，压实质量基本上不受含水率的影响，填筑时采用天然含水率即可；风化岩块填料存在碾压最佳含水率，这一点与土质填料相似，但需注意的是，软岩由于其特殊的工程性质( 易风化易崩解易软化) ，其碾压含水率及碾压最大干密度与室内击实试验所得到的最佳含水率和最大干密度会有差别，需在填筑现场利用碾压机械再次确定填料的最佳含水率和最大干密度。表l 一3 列出了长荆线上软质岩填料室内击实试验和现场碾压试验测得的肪m 找、w o p , 对比值。表1 - 3 室内击实试验和现场碾压试验对比岩块风天然含室内击实试验现场碾压试验化程度序号水率岛m 戕，( g c m 一3 )p d 懈| f ( g c m 一3 )l1 2 81 6 41 8 51 2 82 0朱风化21 5 61 4 41 8 41 5 61 9 631 3 41 6 81 8 61 3 42 0岩块41 4 21 7 01 9 01 4 22 151 6 01 5 91 8 41 6 01 9 811 4 61 5 21 7 91 2 11 9 1风化岩21 5 31 6 91 7 71 3 01 9 031 6 21 5 51 7 81 3 81 9 2块41 2 81 9 61 7 51 2 61 8 951 3 11 4 41 7 71 2 71 9 2西安南京铁路与汉丹线的联络线p o j 在确定风化软岩填筑路基的施工方案时，选定l d k5 3 + 5 1 0 一+ 6 0 0 为试验段，施工机械为移山t 1 8 0 l 型推土机，y z j1 6 a型振动压路机，检测仪器为铁科院生产飓。地基系数测定仪。首层填土厚度为4 0 c m 。先用1 2 t 压路机碾压8 遍，再用1 6t 压路机碾压3 遍，其表面观测较好。经检测，地基系数蝎。均大于0 8m p a j c m ，实测土的含水率为1 0 6 。继续填筑第二层填筑厚度4 0 c m ，测土的含水率9 3 。用1 6 t 压路机静压2 遍，振压2 遍，目测压实路基有一部分裂纹，经检测仅有2 点局。值合格，分析为碾压不足。继续碾压，静压、振压各4 遍，由于天气晴朗气温高，表层土已出现失水现象，表层压不实，经检测只有一点合格，考虑到失水严重，决定将压好的土层推掉重新填8硕士学位论文第1 章绪论土压实，测得含水率为6 8 ，k 3 0 值0 7m p a c m 。经分析含水率不够，随即喷洒水施工并用推土机将碾压层推起，使其喷洒水与土质均匀混合，然后静、振压3遍，测定含水率为9 3 ，k 3 0 值o 8 m p a c m ，达到设计标准。次日凌晨充分利用一阵小雨的自然条件继续填土厚5 0 c m ，测得含水率9 6 ，静压3 遍，振压4 遍后土层表面无裂纹，测得地基系数局。值为0 8m p a c m 以上，随即填筑上层土，按下层填土方案静压、振压后进行测试其结果符合设计标准。经过反复试验，结合施工现场碾压情况，从积累的检测数据分析看，此种风化软岩作为铁路路基填料其含水率控制在10 左右最为理想。( 4 ) 碾压机具与碾压遍数目前，压实路基时较常使用的机械有静力光面钢轮压路机、轮胎式压路机和振动压路机。静力光面钢轮压路机在土层上碾压时，在滚动轮作用下产生的应力主要集中在土表层，应力随深度的增加而减小。同时由于碾压轮与土层的接触面积大，单位压力较小，所以压实土层中上层密实度大于下层的现象很容易产生。但是用静力光面钢轮压路机既可以获得密实的结果，又可以得到平整的表面。鉴于以上特点，轻型和中型静力光面钢轮压路机在机械化施工程度不高的施工条件下广泛被采用。光面钢轮压路机一般可用作预压，重型静力光面钢轮压路机在钢轮上加装“羊蹄”后可以压实黏性土。对于含砂量较大或无黏性的砂土不宜采用静力光面钢轮压路机。轮胎式压路机的压实，除了白重的垂直压实力外，还有水平的纵、横向压实力，加上轮胎的“搓揉”作用，产生极好的压实效果。轮胎式压路机可以增减配重，更适用于各种材料的压实。振动压路机有很强的压实功能。一般的振动压路机都设有调频、调幅装置。可以根据需要调成不振、弱振或强振等不同状况。振动压路机有边压实边振动的特点。它特别适合于压实黏性小的土、砂粒料等。这一特性刚好与静力光面钢轮压路机形成互补性。另外，振动压路机碾压过的土层密实度表层很小，随着深度的增加，密实度不断增大。当达到一定深度时，随着深度的增加，密实度反而不断减小，会使表层材料变得疏松。为了消除这些缺点，在振动碾压过后需要继续静力碾压。振动压路机比相同质量的普通光面钢轮压路机的压实效果好得多，不但密实度大，而且有效的压实深度也大( 含水率大的黏土除外) 。在填料的颗粒级配、填层厚度、含水率等条件都相同的情况下，不同的碾压设备与碾压遍数，其碾压效果是不一样的。如长荆线软岩弃碴填筑路堤试验，填层厚o 5m ，最大岩块粒径为1 0 0 1 5 0m i i l ，含水率为1 2 - 1 4 ( 即天然含水率) ，碾压试验采用三种碾压机具碾压，不同的碾压遍数的填土干密度如表1 4 。路基填9硕 ：学位论文第1 章绪论土在各种碾压机械作用下，开始其干密度均随碾压遍数的增加而增加，使用的机械不同，其密度增加速度不同。从三种机械碾压所表示的密度值与室内标准击实试验( 砌m 瓢= 1 8 4 9 c m 3 ) 所取得结果相比较：2 5 t 振动碾碾压到第6 遍，填土干密度就达到室内标准击实试验确定的最大干密度，用镐开挖可以看出岩块中问的孔隙存在，压实不均匀；随着碾压遍数的增加，填土干密度仍在增加，碾压到第8 遍以后，填土干密度依然会增加，但增加的幅度很小；当碾压到第1 0 遍时，用镐挖开试坑观察已很难看到岩块搭接成的孔隙，均匀程度也大有改善；第1 4 遍以后，填土干密度不再随碾压遍数的增加而变化。y j 2 5 t 轧道机，碾压6 7 遍达到室内标准击实试验的最佳干密度，继续碾压的最大干密度为1 8 8 玑m 3 。1 2 0 型推土机，无论碾压多少遍均达不到室内标准击实试验的最佳干密度。其最大干密度为1 7 5 c m 3 。可以看出黏土岩弃碴作路堤填料选用2 5 t 振动压路机，碾压8 1 0 遍，其压实度k 0 9 5 ( 可达0 9 7 ) ；如采用y j 0 7 6 型2 5 t 轧道机，碾压1 2 1 4 遍，其压实度达k = 0 9 3 。表1 4 碾压遍数与填方干密度( g c m 3 )序号碾压遍数24681 01 21 41 61 8l2 5 t 振动压路机1 6 41 7 71 8 71 9 41 9 61 9 71 9 81 9 81 9 82y j 2 5 t 轧道机1 6 l1 6 91 7 71 8 21 8 61 8 81 8 81 8 81 8 831 2 0 型推土机1 5 41 6 21 6 91 7 21 7 41 7 51 7 51 7 51 7 5表1 - 5 达成铁路红层泥岩碾压试验结果( 部分资料)颗粒级配压实度状态碾压不均匀曲率填层天然含水最大干的碾压遍数机具 7 0 n m a 1 0标准压路机6 8 22 8 0 71 6 5 6o 2 5 1 5 6 46 2 3 14 82 0 30 51 0 1 0击实1 7 t 铲起io 46 1 0试验机3 3 24 7 6 71 6 5 6o 2 5 1 5 6 47 6 1 5 72 0 3o 58 1 0达成铁路中段红层泥岩碾压试验，分别选择：1 7 t 铲运机、1 2 t 静力压路机和1 2 t 振动压路机三种碾压设备作碾压试验，其结果见表1 5 。从达成线试验资料可看出：红层泥岩作填料其压实密度k = 0 9 0 时采用三种碾压机具均可，如果压实密1 0硕士学位论文第i 章绪论度要求k 0 9 5 时，应采用1 2 t 振动压路机碾压，其碾压遍数当填层厚为0 4m 时为5 遍；填层厚0 5 m 时为6 遍。据调研资料分析，结合施工现场实际，高速铁路路堤基床以下部位填层应选用超重载2 0 t 或2 5 t 振动碾压机具碾压，以碾压遍数8 1 0 为宜。1 2 3 软岩填料的应用状况通过大量的调查发现，在现有的软质岩填筑的公路及铁路路基中，采用砾岩填筑的路基一般未产生过病害，如3 2 0 国道湖南省湘乡县山枣乡境内的一段路堤( 高达7m ) ，用路堑开挖的泥质铁质砾岩块石土作填料填筑的，8 年来路基无沉陷，公路运营一直良好。施工工艺简单的一些低等级公路，如湖南省1 8 0 7 、1 8 2 8 和1 8 3 5 等省道、1 0 7国道k 1 7 7 8 k 1 7 8 0 段，采用泥质板岩或页岩、白垩系红砂岩、第三系泥岩、石炭系泥灰岩、炭质页岩等软质岩块填筑的路基，均出现较大的路基变形。若采用未风化或微风化的软岩来填筑路基，则路基的变形量会更大。如长潭高速公路k 1 8 - k 1 9 段采用弱风化的泥盆系泥岩填筑，下部岩块较大，级配不良，虽经分层碾压夯实，在1 9 9 6 年春季雨水渗过路面基层，致使路基中的岩块吸水软化风化而破碎，路基顶面两侧均出现了两条长6 0 7 0m ，宽2c m 的裂缝，且伴有明显沉降。后经灌泥浆处理，一个月后路基沉降1 8 3 0c m ，2 个月后沉降稳定。山东某铁路有一段利用隧道弃碴填筑的路堤，弃碴为未风化的泥灰岩，因其有崩解性，故在填后洒水，经一夜时间下沉了1 0c m ，该铁路一号桥头路堤，利用炭质页岩弃碴填筑，三年后下沉了5 0c m 以上。某公路路堤高2 0m ，用第三纪泥岩填筑，两年之内，因泥岩尚未大量风化破碎，路堤下沉量较小，仅1 0 余厘米；之后。随着风化的加重路堤开始大量下沉，通车后八年间共下沉7 0c m 。某部门曾对用软岩填筑的路堤进行填土条件与下沉的调查，并与用粉土填筑的路堤之下沉情况作对比，从而发现：用未风化岩块所填路堤较用粉土填筑路堤下沉量还大，在有水或高于1 0 m的地方下沉量都大。但软质岩填料填筑的路基若经过专门试验研究，严格的施工工艺和质量控制，一般均未产生过病害，如长辛店至大灰场铁路修建于5 0 年代初，用风化砾岩填筑至今已4 0 年，下沉不超过1 0c m ，无病害；北京西客站路堤试验段用风化严重的第三纪砾岩填筑，填土容重达到2 0k n m 3 ，密实度达到9 5 ，地基系数飓。达到16 0m p a m ，经过两年的观测沉降仅3c m ；某水坝用风化细砂岩填筑，填土容重达到1 5 1 5 6k n m 3 ，密实度达到9 4 0 0 , - 9 8 。某公路路堤用第三纪风化凝灰岩填筑，岩块崩解率高，在反复的干湿状态后崩解率即达1 0 0 ，路堤坡脚下为水塘，但采用合理的设计施工，路堤工程稳定。另外，国内外许多成功的经验证明，过去因抗压强度低、软化系数小而不被硕j j 学位论文第l 章绪论采用的软岩堆石料，经过专门设计，仍可作为堆石料填筑在坝轴线以下、下游水位以上的部位。如萨尔瓦兴娜、温尼克、红树溪和我国的株树桥、十三陵抽水蓄能电站上池、天生桥一级、大坳和鱼跳等面板堆石坝，经过坝体优化设计，在其相应的部位填筑了大量的软岩料，施工完成后一直运行完好。这些工程实践表明，风化软岩不一定不可作为路基填料，而未风化软岩也不一定都能作为路基填料，其适用性必须根据填料的具体室内试验结果而定，即必须对具体填料的路用性质作试验研究分析，从而为设计施工提供科学的参考依据。1 3 高速铁路路基压实标准研究现状1 3 1 国内外高速铁路路基压实标准路基作为铁路轨道的基础，在列车重复荷载及轨道静载作用下会产生一定的变形。对于高速铁路而言，。为了保证列车的高速、安全、平稳运行，路基除满足一定的强度标准外，还需满足一定的刚度标准。随着高速铁路设计时速的不断提高，对路基在高速列车重复荷载作用下的稳定性与耐久性要求愈来愈突出，路基变形已成为高速铁路设计中的主要控制因素。为了尽可能提高路基的稳定性，减小路基的变形，保证路基的质量，世界各国除了设定科学规范的路基结构型式以及制定严格的路基填料使用标准，还提出了严格的路基压实标准。表1 - 6 列出了m 多 l - 几个高速铁路先进国家的路基压实标准【3 卜3 4 】。从表上可以看出，国外对路基压实质量的检测评估是采取物理指标( 如压实度) 和力学指标( 如地基系数或变形模量) 相结合的双控标准来进行；尽管各国采取的压实指标稍有差异，但他们均是依据自己国家的国情来制定的，并在不断的实践检验中加以修正完善，因此他们所采取的指标是完全能够满足他们国家高速铁路建设需要的，我们可以在全面借鉴这些压实标准的基础上，制定出一套适合我国国情的高速铁路路基压实标准。我国铁道部2 0 0 5 年发布实施的客运专线无碴轨道铁路设计指南( 铁建设函【2 0 0 5 】7 5 4 号) 以及2 0 0 7 年发布实施的新建时速3 0 0 3 5 0k m 客运专线铁路设计暂行规定( 上、下) ( 铁建设 2 0 0 7 1 4 7 号) ，对客运专线无碴轨道路基基床表层、基床底层及基床以下路堤的填料要求与压实标准作了如表1 7 1 1 0 所示