铁路客运专线前期施工技术研究成果资料汇编正文部分12

1、第9章 路基结构形式探讨9.1 路堤结构形式9.1.1 一般路堤（填高2.5m）合宁线膨胀土路堤结构形式为：基床表层：采用0.6m的级配碎石或0.5m的级配碎石O.1m的中粗砂下铺复合土工膜，采用厂拌法施工；基床底层：采用1.9m石灰改良土填筑，厂拌法施工，压实系数采用0.95。基床以下：采用石灰改良土填筑，路拌法施工，压实系数采用0.90。一般路堤的膨胀变形主要分两部分：一、路堤膨胀：二、地基土膨胀。对于第一部分：通过室内试验3.3.3.3节的分析，石灰改良土路堤膨胀变形主要集中在2.5m厚的基床范围内，而且变形量不超过3mm(未考虑道床及轨枕荷载，结果偏保守)，可以不予考虑。对于第二部分：

2、一般路堤的填高2.5m，而合宁线的气候影响深度约为2.Om，2.Om以下土层含水量趋于稳定，因此，在路堤道床、轨枕及本体荷载的作用下，地基膨胀土及路堤改良土的膨胀量不超过3mm，路堤不会发生较大的膨胀变形。路堤的工后收缩变形会造成类似软土固结沉降的结果，如果收缩变形过大会给路堤的平顺性带来一定的影响。一般路堤的收缩变形也主要集中在两部分：一、路堤；二、地基土。由于路堤对地基土的“保护”作用，地基土受气温降水的影响减弱，路堤下地基土含水量相对稳定。因此可不考虑路堤下部地基土的收缩作用而主要考虑路堤本体的收缩作用。由3.3.3.3节的分析可知，路堤大气影响范围内的收缩量为1.42.7cm，小于高速

3、铁路桥路交接处工后沉降的要求(5cm)。从这个结果可以看出改良土路堤的收缩量要大于其膨胀量，因此基床表层底部及路堤边坡的隔水保湿防护显得尤为重要。通过动三轴试验及现场动态试验，改良土路堤的强度及变形也是满足要求的。从整体上来看路堤的基床及本体全部采用石灰改良土填筑，这无疑极大的加强了路堤的强度及抗变形的能力，处理措施是完全可行的。9.1.1 低路堤低路堤的基床表层形式与一般路堤相同，设计中对路基表层静力触探Ps值不足1.5MPa或允许承载力小于0.18MPa的地基土予以换填，否则应进行地基加固。合宁段设计主要采用挖除换填碎石土处理，当挖除换填困难时，采用碎石桩加固地基的处理措施。对路堤高度H0

4、.6m的地段，在基床表层下换填改良土0.5m，整平碾压至K30110Mpa/m；对路堤高度0.6mH2.5m的地段，挖除地基表层0.30.5m，就地改良后回填碾压至K30110Mpa/m。由于低路堤本身填高较低，基床底层厚度不足1.9m，路堤本身的膨胀与收缩变形量很小，可以不予考虑，但也正是因为填高低，荷载较小，地基土的膨胀变形对上部无缝线路结构的影响更大。根据地基膨胀力试验，弱中膨胀地基土的膨胀力为4070kPa，根据时速200km客货共线铁路暂行规范里对道床及轨枕的荷载、轨道荷载计算条件如下：道床厚度30cm，轨枕长度2.6m，1667根/km轨枕及扣件重量(3.2kN0.17kN)1.6

5、675.62kN钢轨重量0.6kN/m，道碴容重20kN/m3(2.32m30.12m31.68)42.4kN计算得轨道荷载P(42.45.620.6)kN48.62kN，换算成填土高等效于50cm路堤荷载。因此，低路堤(填高2.5m的路堤)的下限荷载为0填筑路段(填高0.6m)的路堤荷载约为22kPa(为0.6m的级配碎石0.5m的道床荷载)，由地基原位膨胀力试验的结果可知，中膨胀原状地墓土膨胀力近70kPa。地基膨胀力要远大于上覆路堤荷载，即使地基换填0.5m的改良土，其上覆荷载仍只为30kPa左右，但如果按力的平衡原则来汁算换填深度的话，其结论无疑是偏保守的。由室内试验结果可知在25kP

6、a压力下弱膨胀及中膨胀地基土的膨胀率为0.8、1.8。大气影响深度按1.Om计算，其膨胀变形量为0.8cm、1.8cm。从动态试验的结果分析，低路堤断面在填高0.49m、1.11m的情况下，路基弹性变形的结果为1.13mm、1.08mm，地基土的弹性变形为0.31mm、0.79mm；地基土的塑性变形结果仅为4.06mm、2.93mm。可见在换填0.5的改良土情况下能够满足列车动荷载的要求。因此，考虑天然运营条件时，膨胀土地区低路堤经过一定深度的换填，可以满足正常运营的要求，改良深度建议如下：中、弱膨胀土地区(原地基强度满足规范要求者)填高小于1.20.6m的低路堤地基改良换填深度宜为0.30.

7、6m，填高大于1.2m的低路堤改良换填深度同一般路基的地基处理。在总换填深度达到1.2m的情况下，列车荷载的动应力值也可衰减至30kPa左右，在换填了0.30.6m的改良土后不仅地基土的膨胀性得到改善，而且可以阻止部分地下水的入渗及蒸发，也相应减少了地基土干湿变化的范围，路基的膨胀变形是可以控制的。9.2 路堑处理形式 合宁段路堑处理初步设计形式为：基床表层：采用0.6m的级配碎石或0.5m的级配碎石0.1m的中粗砂下铺复合土工膜处理，采用厂拌法施工；基床底层：采用0.5m石灰改良土填筑，下铺复合土工膜，厂拌法施工，压实系数为0.95。路堑与低路堤的问题相似，主要存在地基土的膨胀与收缩变形，根

8、据9.1节分析，建议膨胀土地区地基换填改良土深度为1.2m(为0.6m级配碎石，下铺一层复合土工膜0.6m的改良土)。从动态试验的3个断面试验情况来看，厂拌三碴在100kPa模拟列车动荷载作用下弹、塑性变形较大，特别是DK1144+015左线断面其塑性变形达到了37.18mm，弹性变形达到了1.58mm，甚至三碴层出现了裂纹，地表水下渗的情况。虽然动态试验的荷载是一个局部荷载与实际工况不太一样，而且存在饱水等不利条件，但考虑到三碴层的厚度较薄，刚度较大，在列车长期荷载怍用下会产生开裂，厂拌三碴不宜作为路堑封闭层。根据动三轴试验的结果天然地基土的动强度是能够满足要求的，但含水量的变化会急剧降低天

9、然地基土的动强度，必须严格做好基床土含水率变化的控制。地基土在模拟列车动荷载作用下的塑性变形别为23.78mm、10.17mm，而低路堤在填高(改良土填筑厚度，不含级配碎石厚度)分别为1.1m、0.5m的情况下其动态试验地基土的塑性变形分别为4mm、3mm。由此可见，路堑地段基床底层上部换填0.30.6m的改良土可大幅降低路堑地基土的塑性变形。 9.3级配碎石从动态试验可以看出低路堤DK1144+225、+278断面激振后塑性变形分别为56.32mm、45.88mm。其中级配碎石层的塑性变形分别为28.23mm、29.68mm，其占总变形量的50、64.7：路矩段DK1143+850、DK11

10、44+015路斩断面总塑性变形为72.5mm、85.7mm，其中级配碎石层塑性变形分别达到了44.79mm、38.35mm，占总变形量的61.8、44.7。在100kPa动荷载作用下，路矩断面级配碎石层的弹性变形也达到了1.58mm、2.62mm。因此，从变形总量来说，级配碎石层的塑性变形量较大。根据秦沈线的经验，基床表层的弹性变形，最好控制在lmm以下，否则对轨道的平顺性及行车的舒适性会造成一定的影响。为了查明级配碎石变形过大的原因，对全试验段级配碎石100多个试验点位的孔隙率资料进行了核查统计，发现级配碎石层的孔隙率为7.417.9，平均值为15.3，全部达到设计要求(+18)：对全段第一

11、层54个点位的K30资料进行统计，其K30值范围为160.6223.3MPa/m，平均值为192.2MPa/m，其中小于规范标准(190MPa/m)的点位有20处占全部点位的37，小于170MPa/m的点位有2处，170180MPa/m的点位有3处。其主要原因据施工单位介绍是因为做K30检测的时间为级配碎石刚填筑完毕，级配碎石没达到其应有的强度，第二层级配碎石的强度全部达到规范要求。根据DK1144+015动态试验断面开挖的情况来看，对14个不同取样地点不同取样深度的级配碎石样品进行了颗粒分析试验，除一个样品0.075mm粒径的含量超标以外，其余样品均符合规范要求，但细颗粒含量均在上限值附近。

12、因此，对级配碎石的级配标准、细集料的液限及塑性指数，模量及刚度仍需进一步研究。级配碎石层在降雨条件下列车动荷载作用时仍表现出了一定的透水性。为了保持路堤及地墓含水量的稳定建议路堤基床表层底部加强防水措施，建议采用：0.5m级配碎石0.1m中粗砂复合土工膜的处理形式。第10章 边坡防护10.1 概述10.1.1 路堤边坡防护膨胀土路基：路基边坡高度H3m时，喷播植草防护；3mH6m时，采用三维植被网垫或立体植被网喷播植草防护10.1.2 路堑边坡防护当路堑高度3mH6m时，可采用土工网垫喷播植草防护；大于6m时，采用M5浆砌片石拱形截水骨架护坡，骨架净间距3m，内喷播植草。在变坡点设2米边坡平台

13、；当路堑高度大于10m时，进行稳定检算，并采用片石混凝土挡土墙浆砌片石拱形截水骨架护坡，片石混凝土挡土墙高不超过4米。地下水发育的膨胀土路堑宜设边坡支撑渗沟。本次试验除了采用常规的边坡防护办法外，还进行了化学试剂改良试验，采用武汉中财科贸公司的CMA生态试剂对膨胀土边坡进行处理其主要加固原理及试验结果如下：10.2试剂改良10.2.1 改良原理CMA膨胀土尘态改性剂是一种复合的化学配方与少量带有活性石灰掺配成的水溶液。它是一种交换树脂，也是一种电解质，能溶于水，在水中离解出带正电荷的阳离子Xn+和带负电荷的阴离子Yn，阳离子与土壤胶体表面的阳离子Mn+产生交换作用，将这些原本吸附在土壤颗粒表面

14、、亲水性极高的阳离子赶走，代之以亲水性较低、粘结力较强的铝离子及其水合物。即： 土壤胶体 nMn+Xn+ 土壤胶体n+xn+Mn+而离解出来的阴离子则与土壤中铝产生络合作用： 土壤颗粒+Yn-侵蚀的土壤颗粒3-AIY3-n铝离子的树脂络合物AIY3-n再与土壤胶体 nXn+作用，使树脂得以再生：AIY3-n土壤胶体 nXn+Yn-Xn+Al(土壤胶体)总反应式是：土壤胶体 nMn+Xn+Al脱铝的土壤胶体+Mn+ 由此可见，CMA作用的结果是将吸附在土壤胶体表面的、非常容易水合的阳离子赶走，代之以水合度较低、粘结力较强的铝离子及其水合物。这样，水分子就不再易与膨胀土颗粒结合，从而容易被排出。C

15、MA是在水中电解出离子与土壤颗粒离子进行交换作用，从而达到将士壤改性的目的，它与其它的胶合材料不同，自身与土粒并不结合，而且具有再生功能，它与土壤作用时其总量并没有减少。其功效并不会随着时间的推移而逐渐减弱，相反，只要土壤中有水份，它的功效就会延续下去，这种作用是永久的不可逆的。作用过程大致是：当CMA改性剂喷洒在土体上通过渗透达到一定深度将其改性，还可以通过土体本身含水量经土体毛细孔隙到达一定深度。更重要的是CMA能溶于数，它可以随雨水渗透，到达雨水能到达的深度，这样就从根本上解决了雨水渗入对膨胀土的影响，做到对大气风化作用层影响深度范围内膨胀土体的彻底治理。10.2.1 改良效果根据试验设

16、计方案，改性试验范围选择在合宁铁路正线里程为DK143+900DK1144+000和DK1143+750770段的两侧路堑边坡上，边坡最大高度为6m，最低为1m，坡率为1:1.5，全长120m，实际改性面积1220，试验中由于土体含水量较大，采用了打眼灌入法施工(在土壤较干燥时可直接喷洒)，分三次喷洒施工，施工完成后，在DK1143+760处打孔取样，为了区分不同深度的改性效果，将深度分为O.O0.3m、0.30.6m、0.61.Om分三层取土样送交检验，检测由地质矿产部南京综合岩矿测试中心完成，检测结果详见如下：1.从检测结果可以看出，CMA改性土的可塑性发生了变化，液限略有增大，塑限有很大

17、程度的增加，塑性指数明显降低，这表明改性土亲水性大大减弱。2.颗粒分析结果可以看出改性土土体中的砂粒含量增加，粘粒、胶粒含量明显减少，表明土体的土表面积减少，土粒分散程度得到降低，土的相互聚集形成结构较为紧密的絮凝结构，土颗粒与水分的接触面积减少3CMA改性土各项强度指标大幅度提高，值提高明显，C值合无侧限抗压强度为原状土的1.31.8倍左右，这说明改性土的工程性质得到了很大程度的改善。4.湿化试验结果说明：CMA改性膨胀土能达到较好的水稳性效果，特别是自由膨胀率在20以下的改性土能达到长期浸泡无崩解的效果。5.不同深度的三个改性土样的自由膨胀率均在40以下，膨胀土改性后为非膨胀土。6.CMA

18、是一种离子交换剂，通过离子交换改变土粒的亲水特性，这些离子交换作用并不影响矿物质的成份结构，故试验结果中的蒙脱石含量保持不变。7.改性后的土体从表面观察与手触与原状土相比变化明显，改性后的土体具有砂土的特征。10.3 小结CMA生态改性剂改性膨胀土试验结果如下：1.改性结果：膨胀土经CMA生态改性剂改性后为非膨胀土，将膨胀土由原来的亲水性改变成憎水性。改性深度可视要求设计。能使膨胀土土体永久改变属性。增强土的强度，水稳性好，改性后的边坡稳定。2.环保产品：CMA生态改性剂其PH值界于67之间，加石灰水拌和改良后最终PH值为7.8。无毒，无腐蚀性，不可燃，无污染，属生态环保产品。3.生态环境保护

19、：改性后的土体能种植灌木和草皮，具有绿化美化环境的功能，满足水土保持，消声敛光等特点。4.经济适用：能按不同的土体配制，改性土的边坡可按正常土质边坡率设计，节约用地，减少挖方量，工程造价低。5.施工方便：施工简单，工期短，施工进度快。可多组同时施工，平行流水作业。检测报告及相关图片见试剂改良分报告：由于试验段竣工时间较短，边坡防护的实际工程效果有待进一步的观察。第11章 结论与建议11.1 结论1)全线38个取土场的土性，都具有弱中膨胀性，无强膨胀土源，黏土矿物以伊利石和蒙脱石为主，沿线路自西向东伊利石含量增高膨胀性减弱，属D类填料，改良后方可用于路堤填筑，按膨胀性指标分类的结果如下：2)试验

20、段填料弱膨胀土和中膨胀土掺58的石灰改良处理后，土的颗粒组成、物理性质、胀缩特性均有明显改善，力学强度得到提高，水稳特性大大增强，采用石灰改良膨胀土效果明显，改良方案可行。试验段最佳掺灰率弱膨胀土为5，中膨胀土为6。合宁段全段6类取土场的室内试验掺灰率分别为：5、6、6、7、6、8。3)采用相应的机械配置，三种施工工艺都能满足路基填筑的质量要求。厂拌法比路拌法粉碎的颗粒粒度细、掺灰剂量更准确、均匀，质量易控制。但厂拌法施工强度相对比路拌法高。路拌法与集中场地路拌法掺灰量的准确性及均匀性较难控制，且人工摊铺石灰工效不高。4)厂拌法粉碎、拌和1遍的产量，平均可达到220t/h(与稳定土拌和设备能力有关)。试验路堤含水量合适时，路拌法粉碎、拌和1台路拌机实际产量达到360t/h(粉碎、拌和4遍)。集中场地集中路拌法产量受场地大小的影响较显著，如果场地大小合适，能达到路拌机标定产量。5)当动应力水平为lOOkPa时：路暂段最大弹性变形2mm，低路堤段弹性变形在1mm左右，宜适当加大路堑段处理深度。级配碎石基床表层、三碴隔水层塑性变形较大6)弱膨胀土地区的原位膨胀力为4349.1kPa：中膨胀土地区原位膨胀力为68.8kPa，略大于室内试验结果。7)路堤本体沉降不超过4mm，高路堤中心及坡脚的差异沉降不超过7cm，不会因路堤本体的工后沉降造成路堤的变形开裂问题。8)路堤的基床及本