高速鐵路基床表層級配碎石填料土體結構類型試驗分析

陳 堅， 羅 強， 張 良， 趙明志

(西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031)

根據粗細顆粒含量的變化，壓實后的粗顆粒土填料具有3種典型的土體結構類型[1-3]：(1) 懸浮密實結構，即土體中小顆粒為主，大顆粒懸浮在小顆粒中；(2) 骨架密實結構，即土體中大顆粒相互緊密接觸，形成穩定的骨架，小顆粒密實地充滿大顆粒之間的間隙；(3) 骨架孔隙結構，即土體中大顆粒含量較多，小顆粒的含量不足以充滿大顆粒之間的間隙。

粗顆粒土的土體結構類型不同，其工程特性表現出明顯差異。大量的研究和工程實踐表明[4-11]：懸浮密實結構由于細顆粒占主導，其工程特性主要由細顆粒控制，表現出良好的壓實特性與防滲性能，抗剪強度和抗變形能力相對較低，透水性較差；骨架密實結構由于既有較多數量的大顆粒緊密接觸形成受力骨架，又有相當數量的小顆粒密實填充骨架的間隙，具有優良的壓實特性，且表現出較高的抗剪強度和抗變形能力，具備一定的防滲能力；骨架孔隙結構的大顆粒數量足以形成受力骨架，小顆粒含量較少不足以填充滿骨架間隙，一般表現出相對較好的抗剪強度和抗變形能力，但可能呈現不易壓實的特性，尤其因為分布于骨架顆粒間隙中的小顆粒土處于“游離”或“松散”狀態，極易在滲流水的作用下被帶走，引起土體管涌破壞。因而，準確判定粗顆粒土填料的土體結構類型，對掌握粗顆粒土填料的工程特性具有重要意義。

級配碎石是高速鐵路路基基床表層的主要填料，為保證高速鐵路基床結構在列車動荷載作用下的長期穩定性，不發生明顯或持續的塑性累積變形，文獻[12]對其級配進行了嚴格控制，明確限定了顆粒級配范圍。但顆粒級配在規定的級配范圍內變化時，壓實后可能呈現不同的土體結構類型，對基床結構的長期使用性能產生影響。一般認為，對于長期承受列車動荷載和氣候環境作用的級配碎石填料，壓實后的土體結構類型優選骨架密實結構，宜避免懸浮密實結構。因為懸浮密實結構在長期的列車動荷載作用下可能產生明顯的塑性累積變形，影響軌道的平順性，在雨水充足地區，還可能因為孔隙水來不及排出，引起土體強度降低，導致基床破壞。嚴寒地區常常有抗凍性能的要求，在選擇級配時，宜優先選擇細顆粒較少的骨架孔隙結構，以利于排水，防止凍害的發生。因此，掌握級配范圍內的級配碎石土體結構類型特點，對選擇合適的級配碎石填料的顆粒級配具有參考價值。

構建基于分界粒徑-體積填充原理的粗顆粒土填料土體結構類型測定方法，分析高速鐵路基床表層級配碎石隨粒徑級配變化的土體結構類型特征，為完善高速鐵路基床多層結構體系中不同功能土層的碎石填料級配技術標準提供試驗依據。

1 基于分界粒徑-體積填充原理的粗顆粒土土體結構類型測定方法

目前，關于粗顆粒土土體結構類型的檢驗方法主要有兩類。一類屬于純經驗方法[1,3,13]，簡稱“固定粒徑-固定比例法”。通常將5 mm作為骨架顆粒與非骨架顆粒(填充顆粒)的界限粒徑，用P5表示粒徑大于5 mm顆粒的含量，認為當P5為70%左右時，骨架顆粒能形成骨架，填充顆粒恰好能密實地填充滿骨架間隙，土體是骨架密實結構；P5大于70%時，填充顆粒不足以填充滿骨架間隙，土體是骨架孔隙結構；P5低于70%時，由于填充顆粒含量較多，擠開了土體骨架，土體為懸浮結構。另一類屬于半經驗半理論方法[14-17]，簡稱“固定粒徑-體積填充法”，在公路瀝青路面集料配合比設計方法中應用廣泛。其基本原理是：以某個固定粒徑為界限粒徑(4.75或2.36 mm)，將集料顆粒分為粗顆粒與細顆粒兩部分，認為粗顆粒起骨架作用，細顆粒填充于粗顆粒之間的孔隙中，比較緊裝粗顆粒骨架的間隙率VCADRC或松裝粗顆粒骨架的間隙率VCADLC和填料中粗顆粒之間的間隙率VCAmix，若VCAmix>VCADLC，表明粗顆粒在填料中彼此不能相互接觸，處于“懸浮”狀態，壓實后的集料屬于懸浮密實結構；若VCADRC≤VCAmix≤VCADLC，表明粗顆粒在填料中能相互接觸形成受力骨架，壓實后的集料屬于骨架結構。相比前一種檢驗方法，該方法采用體積填充原理檢驗集料中大于某固定粒徑的顆粒組是否形成受力骨架，具有顯著的進步性，但由于仍采用固定粒徑作為骨架顆粒與填充顆粒的分界粒徑，當填料的真實骨架顆粒粒徑小于該固定粒徑時，采用該檢驗方法就會得到錯誤的結論。

針對已有方法的不足，本文構建基于分界粒徑-體積填充原理的粗顆粒土土體結構類型測定方法，其主要步驟為：

Step1測定填料中骨架顆粒與填充顆粒的分界粒徑Dc(分界粒徑確定原理)

定義ρfmax x為壓實條件下填料中粒徑大于x的顆粒在填料中的最大干分布密度，則

ρfmax x=ρdmax·px

( 1 )

式中：ρdmax為填料在某種壓實條件下的最大干密度,g/cm3；px為填料中粒徑大于x顆粒的百分含量。

定義ρdmax x為剔除填料中粒徑小于x的顆粒后，剩余顆粒(即粒徑大于x的顆粒)在相同壓實條件下的最大干密度，g/cm3。將ρfmax x、ρdmax x分別作為表征粒徑大于x顆粒在填料中分布結構特點和緊密接觸堆積結構特點的宏觀參量。比較ρfmax x和ρdmax x的大小，判定填料中粒徑大于x顆粒的分布結構特點。若ρfmax x=ρdmax x，表明粒徑大于x顆粒在填料中處于緊密接觸的分布結構；若ρfmax x<ρdmax x，表明粒徑大于x顆粒在填料中處于彼此分離的“懸浮”分布結構。

ρfmax x和ρdmax x隨顆粒粒徑x變化見圖1。曲線A、B分別ρdmax x和ρfmax x，Dc為填充顆粒與骨架顆粒的分界粒徑。xDc時，粒徑大于x的顆粒在原填料中處于彼此分離的“懸浮”分布結構，宏觀上ρdmax x>ρfmax x，在圖1中表現為B曲線低于A曲線。A、B曲線的分叉點即骨架顆粒與填充顆粒的分界粒徑。

通過由小到大逐級剔除填料中的顆粒，得到相應剩余顆粒的最大干分布密度ρfmax x與相同壓實條件的最大干密度ρdmax x，繪制出土體結構分析曲線圖，找到曲線A、B的分叉點,即可得到填料骨架顆粒與填充顆粒的分界粒徑Dc。若曲線A、B的分叉點出現在填料的最小粒徑Dmin處,表明填料所有顆粒均為骨架顆粒的組成部分，填料為懸浮密實結構。

Step2確定填充顆粒在骨架間隙中填充密實程度 (體積填充原理)

體積填充原理認為骨架顆粒形成受力骨架，填充顆粒于骨架顆粒間隙中。比較填充顆粒在骨架間隙中的填充干密度ρt與填充顆粒在相同壓實條件的最大干密度ρtmax，判定填料屬于骨架密實結構還是骨架孔隙結構。若ρt=ρtmax，表明填充顆粒充滿骨架間隙，填料為骨架密實結構；若ρt<ρtmax，填料為骨架孔隙結構。特別地，若ρt?ρtmax，表明填充顆粒在骨架間隙中處于游離狀態。

ρt計算公式為

ρt=ρdmax(1-pDc)/ng

( 2 )

式中：pDc為粒徑大于Dc的顆粒的百分含量，即骨架顆粒在填料中的百分含量；ng為骨架顆粒之間的間隙率，ng=1-ρdmax·pDc/ρa，g，其中ρa，g為骨架顆粒的毛體積密度，由毛體積密度試驗得到，g/cm3。

通過上述步驟，即可測定出填料的土體結構類型。

構建的基于分界粒徑-體積填充原理的粗顆粒土土體結構類型測定方法克服了現有“固定粒徑-體積填充法”中采用固定粒徑作為分界粒徑的不足，測定出的土體結構完全代表了填料的真實土體結構狀態。

2 高速鐵路基床表層級配碎石填料土體結構類型分析

為分析高速鐵路基床表層級配碎石填料在滿足文獻[12]級配限值范圍內的土體結構類型特性，分別選擇級配控制范圍的上限值、中值及下限值作為代表性級配，采用基于分界粒徑-體積填充原理的粗顆粒土土體結構類型測定方法測定3種級配下的土體結構類型，研究控制范圍內級配碎石的土體結構類型特點。

試驗所用的母料取自某高速鐵路試驗段的級配碎石填料，最大粒徑37.5 mm，材質為二疊系硬質灰巖。通過篩分試驗將烘干后的母料分成若干粒徑組，按級配控制范圍的上限值、中值及下限值配制試樣，級配曲線見圖2。圖2中3條虛線為文獻[12]給出的高速鐵路基床表層級配碎石的級配范圍上限值、中值及下限值級配曲線。從圖2可以看出，實際配出的填料級配曲線與規范控制值基本相同，認為配出的3種級配分別代表規范規定的上限、中值以及下限級配。

采用基于分界粒徑-體積填充原理的粗顆粒土填料土體結構類型測定方法，分析級配為下限時級配碎石的土體結構類型。

Step1測定填料中骨架顆粒與填充顆粒的分界粒徑Dc

由常規土工試驗得試樣的最大干密度ρdmax為2.194 g/cm3。為方便操作，結合篩孔尺寸，將整個試樣由小到大分為12個粒徑顆粒組，見表1。由小到大逐級剔除試樣的粒徑顆粒組，得到每次剔除顆粒后相應剩余顆粒的最大干分布密度ρfmax x以及相同壓實條件的最大干密度ρdmax x，見表2，繪制土體結構分析曲線，見圖3(a)。從圖3(a)可以看出，曲線A、B的分叉點出現在顆粒粒徑1.18 mm處，試樣屬于骨架土體結構，骨架顆粒與填充顆粒的分界粒徑Dc=1.18 mm。

表1 顆粒分組及各粒徑組質量百分數表(下限)

粒徑/mm質量含量/%粒徑/mm質量含量/%37．5～26．526．22．36～1．189．226．5～19．012．61．18～0．602．919．0～13．28．00．60～0．304．013．2～9．58．10．30～0．152．69．5～4．7516．30．15～0．0750．54．75～2．369．2<0．0750．4

表2 剔除顆粒后剩余顆粒的最大干分布密度及最大干密度表

Step2確定填充顆粒在骨架間隙的填充密實程度

由毛體積密度試驗得骨架顆粒(粒徑大于1.18 mm)的毛體積密度為2.80 g/cm3，由常規土工試驗得填充顆粒(粒徑小于1.18 mm)在相同壓實條件下的最大干密度為1.78 g/cm3。由式( 2 )得填充顆粒在骨架間隙中的填充干密度為0.766 g/cm3，遠小于1.78 g/cm3，表明填充顆粒在骨架間隙中處于“游離”狀態，試樣為骨架孔隙土體結構。

重復上述過程，得到符合中值和上限級值級配的級配碎石土體結構分析曲線，見圖3(b)～3(c)，相應的剔除顆粒后剩余顆粒的最大干分布密度及最大干密度見表2。圖3(b)～3(c)中，曲線A、B的分叉點均出現在試樣最小粒徑處，說明符合中值或上限級配值的級配碎石均為懸浮密實土體結構。

綜上，填料的土體結構類型隨填料中粗細顆粒比例的變化而變化。具體表現為：填料中粗顆粒比例較大時，由于細顆粒含量不足以填充滿粗顆粒形成的骨架，填料屬于骨架孔隙結構；隨著填料中細顆粒比例的增大(粗顆粒減少)，當細顆粒恰好能密實地填充滿粗顆粒形成的骨架間隙時，填料的土體結構由骨架孔隙結構轉變為骨架密實結構；隨著細顆粒含量的繼續增大(粗顆粒繼續減少)，細顆粒擠開由粗顆粒形成的骨架，填料的土體結構由骨架密實結構變化為懸浮密實結構。因此，粗顆粒土填料中粗顆粒含量的逐漸減小或細顆粒含量的逐漸增大，土體結構類型按“骨架孔隙結構→骨架密實結構→懸浮密實結構”的規律變化。由圖2可以看出，級配碎石由規范上限級配向下限級配變化時，填料中粗顆粒含量逐漸增大，細顆粒含量逐漸降低。

通過上述研究可知，填料級配位于上限值與中值之間時，土體結構類型為懸浮密實結構，即級配上限值與中值之間的區域為懸浮密實結構區；填料的級配從中值逐漸向下限值變化時，土體結構類型先從懸浮密實結構轉變為骨架密實結構，最終演變為骨架孔隙結構，即在中值與下限值之間的級配區域由3種不同土體結構類型的級配區域組成，其中緊鄰中值附近的區域為懸浮密實結構區，緊鄰下限值附近的區域為骨架孔隙結構區，中間部分為骨架密實結構區。根據粗顆粒土填料土體結構類型隨粒徑組成變化規律以知，填料為骨架孔隙結構和懸浮密實結構時，對應的粒徑級配一般可在一個較寬的級配區域內變化；填料為骨架密實結構時，對應的級配區域通常為一條特定的級配曲線，方便起見，實際工程中通常將該特定級配曲線附近的級配區域均劃定為骨架密實結構區。對級配碎石，通過試驗在中值級配與下限值之間找到骨架密實結構對應的特定級配曲線十分困難。本文綜合考慮試驗成本、試驗精度等因素，將懸浮密實結構的級配中值與骨架孔隙結構的下限值級配之間的級配區域進行3等分，近似將中間部分劃定為骨架密實結構區域，緊鄰下限值的部分劃定為骨架孔隙結構區域，其余區域均為懸浮密實結構狀態，見圖4。各區域粒徑級配見表3。

表3 高鐵基床表層各區級配碎石粒徑級配與土體結構狀態

方孔篩孔邊長/mm過篩質量百分比/%45．0--100．042．8-100．0100．0～96．040．5100．0100．0～97．097．0～93．231．5100．0～88．088．0～85．085．0～82．022．491．0～75．075．0～71．071．0～67．07．175．0～52．352．3～46．746．7～41．01．746．0～24．024～18．518．5～13．00．532．0～15．315．3～11．211．2．0～7．00．111．0～3．73．7～1．81．8～0．0土體結構懸浮密實骨架密實骨架孔隙

粗顆粒土填料的土體結構類型不僅受填料粒徑級配的影響，與填料的材質特性與顆粒形狀也有一定關系。當2種填料的材質特性或顆粒形狀相差較大時，即使具有相同的粒徑級配，壓實后的土體結構類型也不同。針對高速鐵路基床表層的級配碎石填料，為保證其穩定優良的物理力學性質，文獻[12]對填料的材質特性與顆粒形狀均做了嚴格的限定，滿足規范要求的級配碎石填料的材質特性與顆粒形狀相差不大，相應地對級配碎石填料的土體結構類型影響也較小。因此，圖4與表3的級配區域同樣適用于其他滿足文獻[12]的級配碎石填料。實際工程應用中所采用的級配曲線貫穿圖4中2個或2個以上級配區域時，需采用上述基于分界粒徑-體積填充原理的粗顆粒土土體結構類型測定方法對土體結構類型進行具體測定。

表4為各級配區域界限級配曲線的級配參數。由表4可以看出：

(1) 骨架密實結構區的曲率系數在2.18～2.05之間，不均勻系數在34.44～38.38之間，表明骨架密實結構的填料粒徑組成合理；

(2) 填料級配曲線遠離骨架密實結構區并趨于上限值級配時，填料級配的不均勻系數略有增加，但由于填料中細顆粒含量越來越多，曲率系數由2.18減小至0.55；

(3) 填料級配曲線遠離骨架密實結構區并趨于下限值級配時，填料曲率系數略有減小，但隨著填料中粗顆粒含量的增多，粒徑分布的集中，不均勻系數由34.44減小至16.64；

(4) 3類土體結構類型級配區域的級配參數具有較好的規律性。骨架密實結構的填料級配區域較窄，粒徑組成最優；填料級配曲線遠離骨架密實結構區時，引起填料級配劣化。

表4 各級配區域界限級配曲線的級配參數

3 基于土體結構類型的高速鐵路基床表層多層結構體系功能組合探討

為保證在列車動荷載和氣候環境雙重作用下的長期穩定性，高速鐵路基床表層結構不僅要有較高的承載能力，還要有良好的隔水與排水的功能，以降低水的不利影響。尤其水溫環境和土質條件較差的路塹地段高速鐵路，對基床表層結構的隔水與排水功能提出了更高要求。日本高速鐵路采用在級配碎石(或高爐礦渣碎石)強化層表面鋪設瀝青混凝土隔水層和在其底面增設排水墊層的基床表層結構形式[18]；德國與法國高速鐵路均采取在土質基床頂部設置路基保護層或道砟墊層的構造措施[18]，在土質條件較差的路塹地段設置具有隔水、承載、排水功能土層的多層結構體系。目前，我國高速鐵路統一采用單層結構的級配碎石強化層作為基床表層的基本形式。由不同土體結構類型的工程特性可知，針對一種特定粒徑組成的級配碎石填料，承載、隔水與排水3種功能互斥，即擁有最強承載能力的骨架密實結構，其隔水與排水能力相對較弱；擁有最強隔水能力的懸浮密實結構，承載與排水能力不足；擁有最強排水能力的骨架孔隙結構，其隔水與承載能力較低。可見，采用相同粒徑組成的單一級配碎石層較難實現基床表層結構同時具有良好的隔水、承載及排水功能。根據級配碎石填料的3種土體結構類型特性及其相應的工程性質，基于級配碎石土體結構類型構建具有良好功能組合的高速鐵路基床表層多層結構體系，見圖5。其上表層為層厚相對較薄的懸浮密實結構隔水層，中表層為層厚相對較厚的骨架密實結構承載層，下表層為層厚相對較薄的骨架孔隙結構排水層。通過上表層的懸浮密實結構隔水層阻止路基面上大部分水滲入基床結構，對于少部分滲入到承載層中的水通過下表層的骨架孔隙結構排水層排出，最大限度地降低水的劣化作用，保證基床表層結構具有良好的長期服役性能。該體系適用于對基床表層結構隔水與排水功能要求較高的路塹地段高速鐵路。由于基床表層結構的隔水與排水功能要求隨軌道類型、路基形式、地域以及地形條件不同而異，實際工程中根據不同條件進行相應簡化。對于高速鐵路基床表層結構各功能層的具體控制指標，如各分層厚度的合理匹配、不同功能層填料需要滿足的物理力學指標等，亟待進一步的細化研究。

4 結論

準確測定高速鐵路基床表層級配碎石填料的土體結構類型，是制定功能目標不同的級配碎石填料的粒徑組成技術標準的基礎。本文構建了基于分界粒徑-體積填充原理的粗顆粒土填料土體結構類型測定方法，分析了高速鐵路基床表層級配碎石填料的土體結構類型隨顆粒級配的變化特點，基本結論如下：

(1) 文獻[12]給出的基床表層級配碎石填料的顆粒級配在上限值、中值、下限值附近分別對應土體結構的不同類型，隨著級配碎石中粗顆粒含量由少至多變化或細顆粒含量由多至少變化，引起土體結構由懸浮密實型向骨架密實型、再向骨架孔隙型的轉變。

(2) 確定了高速鐵路基床表層級配碎石填料的土體結構類型分別呈現出懸浮密實、骨架密實、骨架孔隙等3種狀態所對應的粒徑級配控制值，對優化選擇高速鐵路基床多層結構體系中滿足封閉、承載、排水等技術要求的不同功能土層的粗顆粒土填料級配具有重要意義。

(3) 高速鐵路基床表層級配碎石填料的3種土體結構類型所對應的級配參數表現出良好的規律性。形成骨架密實結構的級配區域范圍較窄，Cc≈2.18～2.05，Cu≈34.44～38.38；懸浮密實結構所含的細顆粒含量相對較多，其Cu小幅增大，Cc減小至0.55；骨架孔隙結構中的細顆粒含量較少，其Cc略有降低，Cu減小至16.64。

(4) 針對粒徑組成相同的單一級配碎石層難同時實現基床表層結構隔水、承載與排水功能的問題，結合級配碎石填料的3種不同土體結構類型特性及其相應的工程性質特點，構建了以具有良好隔水能力的懸浮密實結構層為上表層、具有較高承載能力的骨架密實結構層為中表層、具有較好排水能力的骨架孔隙結構層為下表層的高速鐵路基床表層多層結構體系，對實現基床表層結構不同功能要求的良好組合、保證基床結構長期服役性能的良好發揮具有一定意義。

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