路基填料滲透儀的開發與路基填料滲透性的影響因素

劉其琛

鐵三院（天津）檢測科技有限公司 天津 300143

引言

路基是高鐵的主要結構物，路基在自然環境條件下，受雨雪天氣影響會引起干濕循環變化，水分的遷移會引起路基發生不同程度的變形，從而影響路基的平順性，所以路基填料的滲透性能對路基的影響是非常之大的。

鐵路行業填料組別多為改良土、A、B組填料、級配碎石等，當路基出現病害時取得原狀樣比較困難。目前，國內研究路基填料的滲透試驗還沒有成熟的儀器以及方法。路基施工往往關注的是壓實后的強度指標，但是現有鐵路及國家規范標準中針對填料壓實后的滲透試驗研究很少[1]。

賈莉浩對滬昆專線路基填料進行了表面振動壓實試驗，得到粗顆粒土表面振動擊實特征，深入分析了影響粗頻粒土可壓實特性的主要因素[2]。范生波在武廣高鐵現場，進行了無硨軌道動應力響應測試，分析了不同列車時速對軌道結構振動速度、加速度等特性的影響[3]。

1 路基填料滲透儀研制

鐵路行業規范中滲透試驗有常水頭法和變水頭法，常用的儀器有70型和南55型。70型滲透儀適用于砂及含少量礫石的無黏性土，試樣是以擾動土樣分層壓實制成；南55型滲透儀適用于細粒土。

對于路基填料，應根據設計需要，做好土石的調配方案，確定分層層數以及每一層的壓實系數、每層含水率等問題。但是70型和南55型無法滿足模擬路基施工條件來完成滲透試驗的要求。

針對高鐵路基填料滲透試驗，研制了一款滲透儀器，獲取了實用新型專利，可以模擬路基填料施工分層壓實以及不同壓實度。

1.1 滲透儀的組成以及特點

本滲透儀采用供水瓶、滲透容器以及制樣壓頭組成。制樣壓頭可用于模擬填料施工現場的分層壓實。制作最后一層試樣的壓頭可用來加強儀器的密實性，防止試驗時水的滲出。

由于此儀器集制件、測試于一體，無須取出試樣，即可直接進行滲透試驗。解決了試樣取出后對其造成擾動的風險，模擬施工壓實度，可使試樣最大限度地遵循設計需要。

1.2 試驗方法

選取具有代表性的風干試樣，如果試樣中有黏結的團粒，使用木碾將其充分攆散，使用蒸餾水將試樣攪拌均勻，這樣可以令試樣的顆粒完全分離。根據試樣類別使用相對應的分析篩進行篩分，篩分結束以后，各級篩上的試樣以及最下方盤底的試樣質量之和，與篩分錢試樣總質量相差不能大于總質量的1%。

由于路基填料粒徑較大，為了配合要求的壓實度，精確計算所采用的填料質量，篩分后的試樣需使用表面振動壓實試驗裝置求得試驗的最大干密度值。

最大干密度應按下式計算：

式中，ρdmax為最大干密度（g/cm3），計算精確至0.01 g/cm3； md為烘干試樣質量（g）； V為振畢密實試樣體積（cm3）。

在滲透容器底部放上濾紙，將經過篩分試驗的路基填料均勻加入到所述滲透容器內，采用靜壓法，模擬鐵路路基現場施工，按照特定壓實度，使用壓頭，將試樣分三層在滲透儀容器內壓實。

制樣完成后，把試件連同滲透容器放入真空缸中進行抽氣，真空度接近一個大氣壓后再持續抽氣1~2h，這是為了加速試樣飽和，可以縮短試驗時間。

測定水溫，向供水瓶中持續加蒸餾水。調整供水瓶中的水頭，持續供水以保持水頭差，多余的水由溢水孔流出，加入供水瓶的水流速度不應大于溢水孔流出水的速度。

使用量杯置于滲透容器出水孔處接水，在接水的同時開始計時，天平上稱出特定時間內接取的水的質量。

新開發滲透儀是在明確路基填料以后，在模擬與施工壓實度一致的條件下，使用常水頭法，利用試樣厚度、截面積、以及某時間間隔內流過試樣的總水量等參數，根據達西定律求出滲透系數[4]，即在壓力水頭差的作用下，測定給定時間通過試樣的水量，求出滲流量，最后依據式（2）（3）計算出滲透系數。

做好試驗記錄后，按照下式計算試樣的滲透系數：

式中，PmT為水溫為T℃時試樣的滲透系數，單位為厘米每秒（cm/s）；G為在t秒內的滲水量，單位為立方厘米（cm3）；L為滲徑，等于試樣的高度，單位為厘米（cm），A為試樣橫斷面面積，單位為平方厘米（cm2）； H為常水頭高度，即供水瓶溢水孔距試樣頂面的垂直距離，單位為厘米（cm）； t為接取一次滲水量的時間，單位為秒（s）； Pm為水溫為10℃時試樣的滲透系數，單位為厘米每秒（cm/s）；為水的動力黏滯系數。

2 路基填料滲透性的主要影響因素

在分析總結前人對路基填料滲透性能研究成果的基礎上， 利用自制的路基填料滲透儀，通過室內試驗，分別研究壓實度、溫度以及粗粒土的含量等因素對路基填料滲透性的影響， 找出這些因素與路基填料滲透系數之間的關系。

2.1 壓實度的影響

選取5組填料，將每組分為2-3份，在相同級配條件下，分別以92%、95%、100%的壓實度進行之間并進行滲透試驗，實驗結果見表1，除k-3以外，k-1、k-2、k-4、k-5從壓實度95%到100%的滲透系數均有較大降低，可見壓實度的變化對于滲透系數的影響較大。滲透系數隨著壓實度的增大而降低，這是因為壓實度變大，孔隙比變小，從而阻斷了部分滲流通道，使滲透系數變小。

表1 壓實度-滲透系數測試結果

2.2 溫度的影響

選取兩組填料T-1、T-2，將每組分為7份，壓實度為95%，在相同級配條件下，分別以（室內水溫），7℃、10℃、16℃、20℃、25℃、29℃、32℃的溫度下進行滲透測試，實驗結果見表2。

表2 填料T-1、T-2溫度-滲透系數測試結果

（續表）

由表2可以看出，在壓實度以及級配相同的情況下，填料的滲透系數和溫度沒有表現出明顯規律。

2.3 粗粒土含量的影響

依據我國鐵路行業規范規定[5]，粒徑大于0.075mm并且小于60mm的填料定名為粗粒。為了研究粗粒土的對滲透系數的影響，將壓實度控制位95%，制備了粗粒含量7.3%～90.2%的試樣進行滲透試驗，實驗結果如圖2。

在圖1中可以看出，在壓實度一致的情況下，當粗粒含量25.7%以下時，滲透系數隨粗粒含量變化不大，試樣滲透性大小主要取決于細粒土。當粗粒含量達到52.3%時，粗粒土的存在加大了試樣的孔隙比，使得滲透系數增大。當粗粒含量大于55.7%時，在制件壓實過程中，細顆粒土很好地填補了粗粒土的間隙，不透水的粗粒土阻擋了滲水路徑，故而令滲透系數有所降低。當粗粒含量大于70.3%以后，粗粒土的間隙逐漸增大，而此時細粒土填補粗粒土間隙的效果降低，滲透系數又開始增大。當粗料含量超過84.2%時，試樣的孔隙增大明顯，因而滲透系數突然增大。

圖1 粗料含量——滲透系數關系圖（壓實度95%）

3 結束語

新開發的滲透儀可對不同組別的路基填料就進行滲透試驗，解決了常規滲透儀尺寸與填料粒徑不符的缺點。配合三個制樣壓頭，可以充分模擬路基填料施工時的分層壓實以及不同的壓實度。使用靜壓法可直接在滲透儀中進行對試樣進行制作，完成制件后無須取出，減少了對試樣的擾動，并且可使試樣最大限度地遵循設計需要。

壓實度、溫度以及粗粒土含量均為路基填料滲透性能的影響因素。其中溫度和路基填料的滲透性之間沒有表現出明顯規律。在路基施工時可利用壓實度以及粗顆粒含量對其滲透性能起到控制作用。