高液限红层填料填筑铁路路基可行性研究_何隆云.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202212018开放科学（资源服务）标识码（OSID）高液限红层填料填筑铁路路基可行性研究何隆云1，聂文峰1，李光慧1，邱恩喜2（1.中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，昆明650200；2.西南石油大学土木工程与测绘学院，成都610500）摘要：结合玉溪至磨憨铁路某一红层软岩区段案例，分析使用高液限红层 D 组填料路基填筑的方案及处理方法，论证高液限红层 D 组填料在车站大面积填筑的可行性；开展填筑压实试验，检验填料处理方法的合理性。研究表明：设计采用翻挖晾晒、增设隔水层等措施填筑高液限红层填料具有显著的合理性和可行性，可为红层地区大型车站的填料设计提供重要的参考，同时也为红层地区的普速铁路基床底层或高速铁路路堤本体使用高液限红层填料的可能性提供技术支撑。关键词：高液限；红层填料；路基填筑；压实试验；填料改良中图分类号：U213.1+1文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0001 05 0 引言红层软岩广泛分布于我国西南地区，其遇水易崩解、膨胀、高液限以及长期蠕变等特性严重限制了其路用性。红层地区修筑铁路，路基填料常是困扰工程进展的一大难题1，也是环境保护与投资控制的关键。铁路对于路基填料具有严格的要求，铁路路基设计规范（TB 100012016）要求一般采用 C 组及以上填料，只有当时速 200 km 以下有碴轨道铁路路基本体可采用 D 组填料，但需进行改良或采取加固措施，而红层填料一般只能作为 D 组填料使用。因此，为适应我国铁路规模大、线路长，优质填料难以满足需求的现状，将高液限红层 D 组填料直接或经过简单物理改良加固后，应用到铁路路基填料中对加快铁路建设、降低工程造价具有重要意义2。但是，工程中高液限红层 D 组填料直接用于铁路路基填筑，常因含水量较高，压实困难，后期干湿循环开裂，遇水软化，强度降低等，诱发各类工程病害3，较为常见的即是高路堤的稳定问题和工后沉降问题4-5。因此，制定合理的填筑措施，提出施工相对方便的物理控制加固方案，如分幅分块实施、加设土工膜隔水等，对缓解挖填方不平衡问题，降低铁路建设成本尤为重要6-7。目前，关于红层填料控制优化的研究在路基填筑领域已有广泛开展。刘晓明8认为红层软岩作为路基填料的核心在于解决其崩解性和路用性；丁静声等9运用有限元数值分析方法，分析了滇西红层软岩斜坡高填路堤变形机理；徐华等10通过向红层泥岩中掺入碎石的物理改良方法改良填料，对原状土含水率降低效果较为明显。红层软岩地段修筑铁路需尽可能维持填挖平衡，然而该地段挖方主要为 D 组红层填料，合格填料匮乏，为确保工程的顺利开展，亟需论证 D 组填料在高速铁路路基填筑中大面积使用的可行性。本文以玉溪至磨憨铁路（简称玉磨铁路）的某一红层软岩区段为例，分析其使用高液限 D 组红层填料填筑方案及填筑组合措施的可行性，为红层软岩地区修筑铁路路基提供参考。1 工程概况玉磨铁路正线设计速度 160 km/h，沿线地层主要为中生界红色砂泥岩地层（俗称滇中、滇西红层），次为古生界、前震旦系古老的结晶岩系、哀牢山变质岩系及覆于基岩上的第四系各种成因的堆积物，局部分布有侵入岩体。据统计，全线变质岩总长约 90.6 km，岩浆岩总长约 38.3 km，其余为 收稿日期：2023 02 02基金项目：四川省科技厅项目（2020YJ0416）；地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放基金资助项目（SKLGP2021K017）；岩土力学与工程国家重点实验室开放基金资助项目（SKLGME021014）；中铁二院昆明勘察设计研究院科研项目（KY2021072901）作者简介：何隆云（1984），男，江西赣州人。高级工程师，硕士，主要从事铁路站场规划及岩土工程设计工作。E-mail：。何隆云，等：高液限红层填料填筑铁路路基可行性研究 1 沉积岩。沉积岩中可溶岩总长约 31.1 km，“红层”总长 259.5 km；其他沉积岩约 89.0 km。云南省红层分布，见图 1。滇西红层南区滇西红层北区滇西红层北区滇西红层南区滇中红层区滇中红层区图1云南省红层分布 玉磨线不同岩层分布比例，见 2。变质岩 17.8%火成岩 7.5%其他沉积岩17.5%可溶岩6.1%红层51.0%图2玉磨线不同岩层分布比例 由于红层软岩遇水易崩解、膨胀，具有长期蠕变等特性，红层软岩地区铁路、公路建设中产生的地质灾害问题较多。红层软岩地区，路堤工程中遇到的主要病害有红层软岩路堤填筑病害和填筑路堤变形病害。其中，红层软岩路堤填筑工程病害主要有：在红层地区斜坡上填筑路堤或半填半挖路堤，由于斜坡表面常为地表水活动的通道，填筑路堤体容易沿斜坡表面发生滑动，形成填筑路堤滑坡。红层泥岩路堤则常出现沉陷、开裂或边坡坍塌等病害。同时，红层软岩风化层常为高液限土，含水率较高，因含水率不易控制而导致压实系数下降，或填筑的时候无法压实，形成“橡皮泥”。当具有膨胀性时，后期填筑体胀缩循环变形，产生裂缝，土体强度降低。因此，红层填料一般只能作为 D 或E 组填料使用。现场调查表明：受地形、地物等条件限制，玉磨全线陡坡路基共 104 处，计 3.98 km，绝大多数位于红层地段。与此同时，沿线车站规模普遍较大，如研和车站填方 681 万 m3，挖方 554 万 m3；宁洱车站填方 387 万 m3，挖方 196 万 m3；野象谷车站填方 256 万 m3，挖方 131 万 m3；西双版纳车站填方 265 万 m3，挖方 224 万 m3；磨憨车站填方552 万 m3，挖方 248 万 m3。较为明显的是，全线工程填挖极不平衡，且全线挖方多为高液限红层D 组填料，合格填料匮乏，难以满足路基填料要求，亟需设计合理的填筑方案。2 路基填料设计方案为尽量平衡工程挖填方，玉磨铁路填料设计对于常规路基，给出多种填料组合填筑的方法，尽量减少远运填料的使用，同时增加红层填料的利用率。对于正线路基，一般路堤（填方高度2.5 m）地段基床表层采用 0.6 m 厚的 A 组填料，基床底层采用 A、B 组填料，基床本体采用 C 组及以上填料。当基床底层采用 A、B 组填料填筑，路堤本体采用砂、泥岩等红层软岩 D 组填料，或 A、B 组填料缺乏地段，采用 C、D 组红层软岩改良作为基床底层填料时，基床表层采用 0.5 m 厚的 A 组填料+0.05 m 厚的 A 组中粗砂+一层复合土工膜+0.05 m厚的 A 组中粗砂，并在基床底层顶面做成向两侧 4%排水坡。填方高度大于 3 m 的段落，边坡每隔 0.6 m增设一层长 4 m 强度 30 kN/m 土工格栅加固，每隔 3 m 拉通铺设一层。红层 D 组填料路堤基床隔水及加固设计，见图 3。地基基床表层基床底层土工格栅4.01.90.64.0+11.511.511.7511.75线间距4%4%4%4%路堤本体砂、泥岩D组填料图3红层 D 组填料路堤基床隔水及加固设计（单位：m）路基工程 2 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）对于缺乏合格填料的车站，除正线尽量利用合格填料外，其他站线、场坪可采用 D 组填料填筑，但需采取隔水或加固措施。对于高液限红层填料，大面积填筑条件下可以分区晾晒，分区填筑。填筑时先行破碎，保证级配良好，填料最大粒径不大于 30 cm 或摊铺厚度的2/3，填筑最大干密度不小于 2.0 g/cm3，含水量应控制在最佳含水量 2%以内。红层软岩填筑前，同样应选取试验段进行破碎、碾压等工艺填筑试验，满足压实标准要求，总结成熟工艺后方可大面积施工。由于红层软岩遇水软化特性，对于常年浸水部位不得采用红层软岩作填料，且对路堤本体红层软岩填筑应避开雨季施工。3 高液限 D 组红层填料可行性分析DK231+935.4DK236+380.0 段宁洱车站填方，主要使用挖方弃碴泥岩全、强风化层，该段泥岩具有遇水软化崩解、失水收缩开裂等特性，局部地段全风化层有弱膨胀性，全、强风化层为 D 组填料。为确认 D 组红层填料在路基填筑时的可行性，该段详勘阶段对泥岩全风化层采取了 52 个样本进行常规土工试验，最低液限指数 24.7，最高液限指数 81.2，液限大于 40%的占比 71.0%，局部具有膨胀性。施工前对主要填料来源有针对性地进行了19 组土样的土工试验、5 组击实试验、49 组自由膨胀率试验，最低液限指数 27.8，最高液限指数48.8，土样试验报告分析结果，见表 1。击实试验（干法重型）最大干密度 1.421.69 g/cm3，最优含水率 17.1%26.1%。根据铁路路基设计规范（TB 100012016）对填料的分类标准，液限大于 40%的为高液限土。土样试验报告分析，见表 2。表1土样试验报告分析结果土的类型 液限wL/%塑性指数Ip 天然含水率/%自由膨胀率/%最小值24.79.911.59最大值81.244.546.871平均值48.124.231.634.0 表2土样试验报告分析土的类型液限wL/%40液限wL/%40占比/%低液限粉质黏土210.5高液限粉质黏土1789.5 该区段使用的 D 组填料中高液限土占比较高。现场发现个别地段填筑后，重车辗过存在车辙较深的问题，现场车辙，见图 4。因此，对红层高液限土直接填筑路基后的 K30、压实系数能否满足规范要求以及 D 组填料应用于大面积车站填筑的可行性，仍需试验验证。a 现场车辙一 b 现场车辙二图4现场车辙在 DK236+700DK740（机务段场坪）开展填筑试验。按两套方案进行：方案：不翻挖晾晒直接填筑；方案：翻挖晾晒后再进行填筑。采用土样均来自于相同地段，采取两个方案进行对照的方法，可以避免路基填筑中掺合其它填料可能带来的干扰。D 组填料现场翻晒，见图 5。D 组填料填筑压实试验，见图 6。a 翻晒一 b 翻晒二图5D 组填料现场翻晒 a 压实试 一 b 压实试 二图6D 组填料填筑压实试验 铁路路基设计规范（TB 100012016）对路基填料的压实标准要求，见表 3。不翻晒直接进行填筑试验，取车站 D 组填料，最大含水率32.5%，最小含水率31.2%，最优含水率 25.9%，最大干密度 1.44 g/cm3。共取得3 份试验报告，共 18 个测点，路基压实系数 K 为0.7450.857，地基系数 K30为 6168 MPa/m。无一测点满足铁路路基压实系数 K 0.90、地基系数K3080 MPa/m 的要求。何隆云，等：高液限红层填料填筑铁路路基可行性研究 3 表3路堤填料压实标准设计时速填筑部位压实指标填料类别细粒土砂类土砾石、碎石类块石类改良土160 km/h、120 km/h基床底层压实系数K0.93 0.930.93地基系数K30100 130路基本体压实系数K 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90地基系数K308080110 130200 km/h基床本体压实系数K 0.90 0.90 0.900.90地基系数K3090110 130高速铁路、无碴铁路、城际铁路路基本体压实系数K 0.92 0.92 0.920.92地基系数K309090130 翻晒 2 天填筑试验，取方案同一部位 D 组填料。填料经过 2 天翻晒后，填料最大含水率 27.9%，最小含水率 27.7%，最优含水率 26.0%，最大干密度 1.45 g/cm3。共取得 1 份试验报告，共 6 个测点，路基压实系数 K 为 0.9100.921，地基系数K30为 92106 MPa/m。所有测点均满足铁路路基压实系数 K0.90，地基系数 K3080（MPa/m）的要求，合格率 100%。翻晒 3 天填筑试验，取方案同一部位 D 组填料。填料经过 3 天翻晒后，填料最大含水率26.2%，最小含水率 25.9%，最优含水率 26.0%，最大干密度 1.45 g/cm3。共取得 1 份试验报告，共6 个测点，路基压实系数 K 为 0.9250.947，地基系数 K30为 112