全風化千枚巖鐵路路基填料適用性試驗研究★

李 傳 寶

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

蒙西至華中地區鐵路(以下簡稱蒙華鐵路)是全球一次性建設規模最大的重載鐵路運煤專線，北起內蒙古浩勒報吉，南至江西吉安，線路全長1 814.5 km，其中岳陽至吉安段線位長433.4 km，沿線千枚巖地層分布段落近1/5，路塹挖方中全風化千枚巖體量巨大。千枚巖遇水易軟化，工程性質差，變形量大，鐵路路基填筑時一般不直接采用。

相關人員開展了大量改良土的試驗研究，全風化層摻入水泥、生石灰等改良后可滿足鐵路填料的設計要求[1，2]，但改良成本高，且改良土對環境水存在一定污染。若全風化千枚巖填料能直接用于基床以下路堤填筑，可節省大量工程投資，減少棄方，保護環境。通過室內試驗獲取全風化千枚巖的物理化學和水理性質，研究其路基填料適用性意義重大。

1 全風化千枚巖物理化學性質試驗研究

試驗用土取自DK1806+729.06～DK1807+963.900段路塹表層千枚巖全風化層。

1.1 礦物成分分析

礦物成分分析采用X射線衍射分析方法，其是一種以X射線射入不同礦物晶格時產生的不同衍射圖譜為基礎數據，鑒別土中礦物成分的方法。

X射線衍射分析，得出試樣各礦物成分含量如表1所示。

表1 試樣礦物成分及含量

由表1可知，試樣最主要的礦物為石英和富鐵白云母，其質量百分比分別為69.5%和17.3%；所含黏土礦物為高嶺石和綠泥石，含量分別為2.1%和1.1%，未檢測出蒙脫石含量。

石英為一種穩定的礦物成分，其含量越高，土顆粒越堅硬、狀態越穩定。冰長石與石英類似，具有十分穩定的性質。白云母是分布廣泛的造巖礦物之一，在三大巖類中均有產出，其具有穩定的片狀結構，吸附性小，浸水后處于游離態，易于分離，降低土體強度。高嶺石和綠泥石等黏土礦物，具有可塑性、黏結性、膨脹性，對土性質的影響較大。

1.2 化學成分分析

化學成分分析采用X射線熒光光譜分析方法，其是根據樣品對X射線的吸收隨化學成分和含量的多少而變化，從而達到定性或定量測定樣品中化學成分的一種方法。

X射線熒光光譜分析，得出試樣各化學成分及含量如表2所示。

表2 試樣化學成分及含量

由表2可知，試樣由24種化學成分組成，SiO2含量最多，Al2O3，K2O和Fe次之，與其主要礦物為石英，富鐵白云母的情況一致。而后是Fe2O3，MgO，K2O，Na2O和FeO，而Cr和MgO的出現與全風化層中含有一定綠泥石有關。

1.3 顆粒分析試驗

采用篩分法和密度計法進行試樣顆粒分析實驗，顆粒分布曲線如圖1所示。

從圖1可知，試樣0.075 mm以下粒徑含量為84.8%，其中0.075 mm～0.005 mm粒徑(粉粒)約占81.9%，0.005 mm以下粒徑(黏粒)占2.9%，0.002 mm以下粒徑(膠粒)幾乎沒有；5 mm～0.075 mm粒徑(粗粒)約占14.3%，5 mm以上粒徑含量不足1%。試樣顆粒組成以粉粒為主，屬于細粒土填料[3]。

2 全風化千枚巖水理性質試驗研究

2.1 界限含水率試驗

本次界限含水率試驗采用圓錐儀液、塑限聯合測定法。鐵路填料分類采用10 mm液限[3]，試樣液、塑限試驗結果，如表3所示。

表3 試樣界限含水率

從表3可得，試樣10 mm液限為38.4%，塑性指數Ip=38.4-26.2=12.2，定名為低液限粉質黏土。

2.2 自由膨脹率試驗

試驗用于測定土的自由膨脹特性，試驗裝置如圖2所示。

采用平行試驗法進行測定，量土杯中放置量筒，為便于計算經調試量筒中試樣體積為10 mL。試驗裝樣和測試過程如圖3所示。

試驗結果如表4所示。

表4 自由膨脹率試驗數據

從表4可知，試樣的自由膨脹率為10%；同時，礦物成分分析結果表明，試樣無蒙脫石含量，無膨脹性[4]。綜合判定試樣屬于C3組填料[3,5]。

3 全風化千枚巖鐵路路基填料適用性研究

鐵路路堤由基床和基床以下路堤兩部分組成，基床部分填料選擇標準較高，必須為C2組及以上級別填料或化學改良土[3]。試樣為C3組填料，其不滿足基床部分填料要求。

鐵路規范中對于基床以下路堤對于C3組填料的技術要求如表5所示。

表5 基床以下路堤填料選擇標準

綜上可知，該全風化千枚巖試樣鐵路路基填料適用性如下：

1)基床填料：不滿足基床部分填料要求。

2)基床以下路堤填料：不滿足無砟軌道和設計速度200 km/h以上的有砟軌道鐵路；滿足重載鐵路、設計速度200 km/h及以下的有砟軌道鐵路和Ⅲ，Ⅳ級鐵路。

蒙華鐵路為重載鐵路，該全風化千枚巖滿足基床以下路堤填料要求。

4 結語

蒙華鐵路岳陽至吉安段線位沿線千枚巖分布段落近1/5，全風化路塹棄方量大。選取DK1806+729.06～DK1807+963.900段路塹全風化千枚巖，通過礦物成分分析、化學成分分析、顆粒分析、界限含水率、自由膨脹率等試驗對其物理化學和水理性質進行了系統分析，研究了其用于鐵路路基填料的適用性，得出結論如下：

1)全風化千枚巖最主要的礦物為石英和富鐵白云母；化學成分中，SiO2含量最多，Al2O3,K2O和Fe次之；未檢測出蒙脫石含量；以穩定性好的礦物和化學成分為主。

2)全風化千枚巖顆粒組成以粉粒為主，液限為38.4%，塑性指數為12.2，定名為低液限粉質黏土；顆粒組成以粉粒為主，為細粒土；無膨脹性；屬于C3組填料。

3)蒙華鐵路為重載鐵路，該全風化千枚巖滿足基床以下路堤填料要求。

另外需要注意的是，不同段落千枚巖成分差異較大，其全風化層能否滿足填料要求，應通過試驗確定。