路基填料試驗數據的相關性淺析

張 文

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

鐵路路基是鐵路的重要結構之一,路基填料的優劣直接影響到整個路基的填筑質量,所以路基填料試驗一直是鐵路工程試驗的重要組成部分。隨著近幾年鐵路的高速發展,路基填料試驗量也在成倍的增加,積累了上千組路基填料試驗數據,對這些試驗數據進行篩選分析正是一個積累經驗,掌握規律的過程。

按《鐵路工程巖土分類標準》(TB10077—2001)和《鐵路工程地質勘查規范》(TB10012—2001)的規定,路基填料分 A、B、C、D、E等五類填料,其中D類是強風化軟塊石和高液限土、E類是有機土,都會給路基帶來直接的危害,是不合格填料。而A、B類填料是鐵路路基的較好填料,一般客運專線都明確規定路堤填料為A、B類填料。而A、B類填料本身的又有級配差別,不均勻系數Cu≥5和曲率系數Cc=1～3作為判斷級配良好標準,級配良好的為A類,級配不好為B類。所以,工程填料更是首選A類土。由此可見顆粒級配對工程填料的性質有很重要的影響。而實際工程中,使用的工程填料大量是C類土,C類土包括砂類土和黏性土。

該類土的級配主要由砂粒、粉粒、黏粒組成,大于0.075 mm的為砂粒、0.075～0.005 mm之間的為粉粒、小于0.005 mm的為黏粒。當＞0.075的砂粒超過總質量的50%時,填料定名為細砂或粉砂,當＞0.075的砂粒少于總質量的50%時,再根據土的液限WL和塑性指數IP,確定該土為高液限或低液限粉土、粉質黏土或黏土。

路基填料試驗項目主要有:顆粒分析、液塑限、擊實、夯后剪、無側限強度試驗。

以上這些試驗項目之間應該存在一定的聯系,下面分別給予闡述。

首先將歷年所做過的填料試驗結果匯總共計1 308組數據,利用 EXCEL表“篩選”、“統計”功能,對這些數據給予篩選統計。

1 液塑限

1.1 黏粒含量對液限的影響

液限是細粒土分類和細粒土塑性狀態分類的界限指標。而黏粒含量(小于0.075 mm顆粒)的多少直接影響土的液限。

去除膨脹性的影響,根據填料的黏粒含量情況,找出液限的分布情況,從圖表分布中可以直觀的看到,隨著黏粒含量的增加,液限的范圍值在逐漸升高。

大致區間為黏粒含量小于18%時,土的液限范圍如圖1所示,集中在19%～30%。

黏粒含量在18%至30%時,土的液限范圍如圖2所示,集中在22%～40%。

黏粒含量在30%至60%時,土的液限范圍如圖3所示,集中在30%～50%。

圖1 黏粒小于18黏粒與液限關系

圖2 30＞黏粒＞18黏粒與液限關系

圖3 60＞黏粒＞30黏粒與液限關系

1.2 液限與塑限的關系

'填料試驗中,液限與塑限是必不可少的兩個指標,二者又應該有著密切關系,將所有液限與塑限值進行比較處理(如圖4所示),可以看到有線性相關的趨勢,但相關性不好,相關系數只有0.7295。

但是,對不同地區的填料的液塑限值進行比較,就可以看到有良好的關系(如圖5所示)。該組數據來自京滬線。

圖4 全部液限與塑限關系

圖5 不同地區液塑限關系

圖6數據來自太中銀線。

圖6 不同地區液塑限關系

從圖5樣品序號為2-15的統計中可以看到有良好的線性關系,關系式為y=0.347 3x+7.652 7,相關系數為0.932 3。

從圖6樣品序號為181-192的統計中可以看到有良好的多項式關系,關系式為y=0.006 3 x2+0.018 3x+10.145,相關系數為0.926 7。

所以,對于不同地區的土液塑限分別加以總結,應該可以找到該地區液塑限的相關性。

2 填料的擊實試驗

顆粒級配對擊實曲線的形狀有直接的影響,路基填料擊實曲線走向趨勢一般均為拋物線形,但隨著填料級配和黏粒含量的不同,拋物線線形會出現不同特征。

當填料為砂類土,即大于0.075 mm的含量超過50%且小于0.005 mm的黏粒含量小于5%時,填料對含水量變化不敏感,擊實曲線寬而平緩。

當填料為黏性土時,即大于0.075 mm的含量小于50%,且小于0.005 mm的黏粒含量大于10%,隨著黏粒增加,填料對含水量變化越來越敏感,擊實曲線線形將隨著黏粒含量增加而,越來越陡峭。

這里特別提出一種黏性土的級配和曲線形狀,該種土大于0.075 mm砂粒的含量小于10%,而0.075～0.005 mm之間的粉粒占85%以上,小于0.005 mm的黏粒含量小于8%。雖然定名是黏性土,但由于黏粒含量較少,顆粒集中在粉粒區間,其線形表現與砂類土相近形狀,但又有區別。三種類型擊實曲線如圖7所示。

圖7 不同類型土擊實線形

3 填料的剪力

3.1 顆粒級配對剪力的影響

黏粒含量的大小對土的各項指標都有影響。根據試驗結果,黏粒含量高的土,無側限抗壓強度、黏聚力都較高,但對其內摩擦角影響較小。

首先,對砂類土進行了篩選。大于0.075 mm含量超過50%的砂類土。該類土砂粒含量大,黏粒含量一般為0.5%～20%之間,其變化對填料剪力影響比較明顯。

當砂類土小于0.005 mm黏粒含量小于5%時,該類土的剪力范圍如圖8所示,集中在2～40 kPa之間。當黏粒含量大于5%時,剪力范圍如圖9所示,達到10～80 k Pa之間,剪力范圍明顯提高。

圖8 砂類土黏粒小于5%黏粒與剪力關系

圖9 黏粒大于5%黏粒與剪力關系

其次,對黏性土進行篩選,對于用于填料的黏性土,級配比較復雜,砂粒含量從0～40%,粉粒含量從30%～92%,黏粒含量從0～60%。但經過篩選還是有一定的規律。

當黏性土小于0.005 mm黏粒含量小于5%時,該類土的剪力范圍如圖10所示。

圖10 粉黏土黏粒小于5%黏粒與剪力關系

剪力范圍集中在5～20 kPa之間,比該種情況的砂類土范圍低,原因是砂類土砂粒含量大與粉粒、黏粒相互填充,更能達到密實,會有更好的抗剪能力。而黏性土,當黏粒少時,顆粒集中在粉粒,級配單一,不易壓實,抗剪能力較差。

當小于0.005 mm黏粒含量大于5%時,剪力的范圍也在逐步提高。

18%＞黏粒＞8%且砂粒＜6%時,剪力范圍為10～150 kPa(如圖11所示)。

圖11 18%＞黏粒＞8%砂粒＜6%剪力范圍

黏粒＞18%且砂粒＜6%時,剪力范圍為20～200 kPa(如圖12所示)。

圖12 黏粒＞18%砂粒 ＜6%剪力范圍

特別說明一類級配,也是前面擊實提到的一類粉類土,黏粒＜10%且砂粒＜6%,其剪力范圍如圖13所示。

該類土的特性為,顆粒集中在粉粒,表現出的特性與砂類土十分相近,剪力范圍為2～40 kPa之間。

圖13 黏粒＜10%砂粒＜6%剪力范圍

3.2 試件密度為最大干密度的90%和95%的抗剪強度之間的線性關系

一般路基填料夯后剪試驗,都要求同一種土提供最大干密度的90%和95%兩種情況的抗剪強度,所以對所有做過的兩種密度試驗數據進行統計分析(如圖14所示)。

圖14 試件密度為90%～95%的剪力關系

從圖14可以看到,兩種密度的抗剪強度有良好的線性相關性,線性關系式為y=1.191 7x+5.599 1,相關系數為0.9351,而且基本不受級配及地區的影響。

4 無側限抗壓強度

4.1 顆粒級配對無側限的影響

黏粒含量對無側限的影響比對剪力的影響更為明顯。

首先,還是對砂類土進行了篩選。由于該類土砂粒含量大,黏粒含量的變化對其剪力影響比較明顯。

當小于0.005 mm黏粒含量小于5%時,其無側限壓力范圍如圖15所示。

當黏粒含量大于5%時,其無側限壓力范圍如圖16所示。

該類土的無側限壓力范圍集中在 10～80 k Pa之間。

無側限壓力范圍達到100～400 kPa之間,壓力范圍提高非常顯著。

其次,對黏性土進行篩選:

圖15 砂類土黏粒小于5%無側限壓力范圍

圖16 砂類土黏粒大于5%無側限壓力范圍

同樣,當小于0.005 mm黏粒含量小于5%時,其無側限壓力范圍如圖17所示。

圖17 粉黏土黏粒小于5%無側限壓力范圍

該類土的無側限壓力范圍集中在10～70 kPa之間,與砂類土基本相似。

當小于0.005 mm黏粒含量大于5%時,無側限壓力的范圍也在逐步提高。

18%＞黏粒＞8%且砂粒＜6%時如圖18所示。

無側限壓力范圍為40～600 kPa。

黏粒＞18%且砂粒＜6%時如圖19所示。

無側限壓力范圍為100～600 k Pa。

圖18 18%＞黏粒＞8%砂粒 ＜6%無側限范圍

圖19 黏粒＞18%砂粒＜6%無側限壓力范圍

從以上數據可以看出,黏性土中隨黏粒的增加,粉粒的減少,無側限壓力的底部在不斷提高,但無側限壓力的最大值應在600 kPa左右。

4.2 試件密度為最大干密度的90%和95%時的無側限抗壓強度之間的線性關系

如圖20所示。

圖20 試件密度為90%～95%的無側限壓力關系

線性關系式為y=1.339 3+14.618,相關系數為0.933 7,線性關系良好,基本不受級配及地區的影響。

5 結論

(1)顆粒級配是填料試驗的基礎指標,對其他幾項指標有明顯的影響,其中黏粒含量的影響更為顯著。

對液限的影響:黏粒含量小于18%時,土的液限范圍是19%～30%。

黏粒含量在18%～30%時,土的液限范圍為22%～40%。

黏粒含量在30%～60%時,土的液限范圍為30%～50%。

對擊實曲線的影響:擊實線形將隨著黏粒含量增加而越來越陡峭。

對剪力的影響:砂類土黏粒含量小于5%時,剪力范圍集中在2～40 kPa之間。

砂類土黏粒含量大于5%時,剪力范圍達到10～80 kPa之間。

黏性土黏粒含量小于5%時,剪力范圍集中在5～20 kPa之間。

黏性土黏粒含量18%＞黏粒＞8%且砂粒＜6%時,剪力范圍為10～150 kPa。

黏性土黏粒＞18%且砂粒＜6%時,剪力范圍為20～200 kPa。

黏性土黏粒＜10%且砂粒＜6%時,剪力范圍為2～40 k Pa與砂類土相似。

對無側限強度的影響:

砂類土黏粒含量小于5%時無側限壓力范圍集中在10～80 kPa之間。

砂類土黏粒含量大于5%時無側限壓力范圍集中在100～400 kPa之間。

粉黏類土黏粒含量小于5%時無側限壓圍集中在10～70 kPa之間,與砂類土基本相似。

18%＞黏粒＞8%且砂粒＜6%時無側限壓力范圍為40～600 kPa。

黏粒＞18%且砂粒＜6%時無側限壓力范圍為100～600 kPa。

粉黏類土無側限壓力的最大值應在600 k Pa左右。

(2)對于不同地區的填料液塑限分別加以總結,應該可以找到該地區填料的液塑限的相關性。

黃土地區填料關系式為y=0.006 3x2+0.018 3x+10.145,相關系數為0.926 7。

(3)對于最大干密度的90%和95%的試件,夯后剪的剪力、無側限試驗的強度都有良好的線性相關性。

夯后剪的剪力90%與95%試件關系為y=1.191 7x+5.599 1。

無側限試驗的90%與95%試件關系y=1.339 3+14.6183。

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