石英二長巖全風化物作為高鐵填料的試驗研究

陳仕奇

我國目前正在進行高速鐵路網的建設,高速列車的安全和平穩運行必須有一個高平順性和穩定性的軌下基礎,路基作為軌道結構的基礎形式之一,必須具有強度高、剛度大、穩定性和耐久性好,能抵抗各種自然因素的影響,這就對路基特別是基床填料的工程性質提出了很高的要求,基床表層要求采用級配碎石,基床底層要求采用A,B組填料或改良土[1]。因此,填料工程性質及改良方法已成為工程技術人員及學者關注的技術問題[2-5]。本文通過對鎮江一帶分布的石英二長巖全風化物物理改良前后的室內物理、力學試驗及現場填筑試驗,對其作為填料的工程性質進行了系統的研究。

1 試驗方案

根據石英二長巖全風化物為粗粒料的特點,室內進行了礦物成分分析、顆粒分析、擊實及承載比試驗;根據石英二長巖全風化物工程性質受浸水影響明顯的不足,進行了石英二長巖全風化物改良試驗。試驗采用摻入粗粒料的物理改良方法,并對摻入比的影響進行了考慮[6]。

2 試驗結果分析

2.1 石英二長巖全風化物的物理、力學性質

1)礦物成分分析。礦物成分是影響填料物理、力學性質的重要因素之一,表1為石英二長巖全風化物礦物成分分析結果。

表1 石英二長巖全風化物礦物成分

試驗資料表明,石英二長巖全風化物礦物成分以石英及長石為主,其次是蒙脫石及高嶺土等黏土礦物,蒙脫石含量超過7%,表明其具有一定親水性。

根據礦物成分分析結果,進行了石英二長巖全風化物的膨脹性試驗,其自由膨脹率為9%左右,表明其膨脹性不明顯。

2)顆粒分析試驗。圖1為石英二長巖全風化物顆粒分析級配曲線,從顆粒分析試驗結果看,風化物為粗砂,細粒含量為3.9%,不均勻系數為6.6,曲率系數為 0.7,級配不良。從顆粒分析試驗資料,石英二長巖全風化物為B組填料[7]。

3)石英二長巖全風化物的擊實試驗。圖2為石英二長巖全風化物的擊實曲線,最優含水量為 10.3%,最大干密度為1.98 g/cm3。擊實曲線表明,含水量在6.6%～13.5%范圍內,石英二長巖全風化物的干密度變化在0.06 g/cm3以內,范圍很小。如果取 Kh=0.95,對應干密度為 1.88 g/cm3,表明風化物可壓實含水量范圍較大。

4)石英二長巖全風化物的承載比試驗。表2為石英二長巖全風化物CBR試驗結果,為了了解浸水作用對其力學性質的影響,對比做了不浸水條件的CBR試驗。試驗結果表明,當Kh取0.95～1.0時,CBR值在7.8%～20.8%之間,參照高速公路標準[8],當壓實系數為0.95時,試驗值不符合上路床填料要求。

表2 石英二長巖全風化物CBR試驗結果

CBR強度值隨壓實系數提高而增加,提高壓實度能顯著改善石英二長巖全風化物的力學性能。

試驗結果還表明,水對石英二長巖全風化物的CBR值有顯著的影響,對應壓實系數為0.95時,浸水后的強度值僅為未浸水強度的44%,這可能與其礦物成分中含有較多的蒙脫石及高嶺土等黏土礦物有關。隨著壓實系數的增加,其影響趨弱。

2.2 物理改良石英二長巖全風化物的物理、力學性質

1)顆粒分析試驗。改良前后的石英二長巖全風化物顆粒組成試驗結果見表3。

表3 石英二長巖全風化物改良前后顆粒組成試驗結果

從顆粒分析試驗結果看,摻入粗粒料后,風化物從粗砂變為礫砂,級配良好,顆粒級配有了明顯的改善。僅從顆粒分析試驗結果分析,物理改良石英二長巖全風化物達到A組填料要求。

2)擊實試驗。改良石英二長巖全風化物擊實試驗結果見表4。

表4 石英二長巖全風化物改良后擊實指標

石英二長巖全風化物摻入粗粒料后,最優含水量隨摻入比的增加而減少,最大干密度隨摻入比的增加略有增加。

3)承載比試驗。石英二長巖全風化物改良后承載比試驗結果見表5(壓實系數Kh=0.95)。

表5 改良石英二長巖全風化物承載比試驗結果 %

從表5可看出,石英二長巖全風化物摻入粗粒料改良后CBR值比改良前明顯提高,當摻入量在10%時,CBR值提高2倍以上,與石英二長巖全風化物未改良前非浸水條件下相當。摻入比在10%～25%之間時,強度值隨摻入量增長近似成線性關系。

2.3 石英二長巖全風化物填筑試驗

為了驗證室內試驗成果,進行了現場填筑試驗。采用YZ20型壓路機碾壓,壓實厚度按20 cm～30 cm控制,含水率在 wopt-2～wopt+4之間,壓實完成后進行了地基系數K30、動態變形模量Evd及孔隙率n等項目的平行檢測,檢測結果見表6。檢測結果表明,雖然風化物級配不良,但采用特重型壓路機進行碾壓,其可壓實性良好。路基填筑層力學指標K30平均值達200.9 MPa/m,遠大于 130 MPa/m;動態變形模量在46 MPa～102 MPa之間,平均值為69.5 MPa;孔隙率檢測值在20.95%～26.48%之間,平均值為24.2%。檢測結果全部滿足高速鐵路基床底層的壓實要求[1]。

表6 風化物直接填筑壓實質量檢測結果

現場也同時進行了粗粒料摻入比在15%～20%的物理改良石英二長巖全風化物的填筑試驗,壓實質量檢測結果全部滿足高速鐵路基床底層的要求。

3 結語

1)石英二長巖全風化物礦物成分中含有近25%的蒙脫石及高齡石等黏土礦物,其中蒙脫石含量超過7%,表明其具有一定親水性。2)擊實試驗表明,石英二長巖全風化物可壓實含水量范圍較寬,這對現場填筑施工控制有利。3)石英二長巖全風化物的力學性質受浸水影響明顯,不宜直接用作高速鐵路路基基床底層填料;在非浸水條件下,則具有較好的力學性質及良好的可壓實性,可用于非浸水條件下高速鐵路路基基床以下部分路堤填料。4)石英二長巖全風化物摻入粗粒料改良后,顆粒級配得到明顯改善,CBR強度值得到顯著提高,壓實質量滿足要求,改良效果明顯,可用作高速鐵路基床底層填料。

[1]鐵建設〔2007〕47號,新建時速300 km～350 km客運專線鐵路設計暫行規定[S].

[2]侯江波,王永和.全風化花崗巖石灰改良土室內試驗分析[J].西部交通科技,2009(2)：76-80.

[3]倪 軍.高速鐵路路基改良填料的工程特性試驗研究[J].石家莊鐵道學院學報,2000,14(14)：11-13.

[4]楊廣慶,管振祥.高速鐵路路基改良填料的試驗研究[J].巖土工程學報,2001,23(6)：682-685.

[5]尤 灝.影響石灰改良下蜀黏土工程性質的幾個因素分析[J].土工基礎,2007,21(1)：29-31,40.

[6]李時亮,杜 越.路堤填料工程性質和填筑施工工藝及質量檢驗方法研究報告[R].鐵道第四勘察設計院,2005.

[7]J447-2005,鐵路路基設計規范[S].

[8]JTJ 013-95,公路路基設計規范[S].