高速鐵路高填方路基粗顆粒填料技術(shù)與沉降控制
時(shí)間：2022-04-26
林永鋼
摘? 要 ：我國(guó)幅員遼闊，偏遠(yuǎn)山區(qū)眾多，因此高速鐵路由于地形地貌、工程造價(jià)、氣候環(huán)境等原因不可避免的存在路基高 于 8 m 的高填路段。而對(duì)于我國(guó)高速鐵路路基來(lái)說(shuō)目前采取的大多是粗顆粒填料，粗顆粒填料無(wú)論在壓實(shí)性能、壓縮變形 層面均高于細(xì)顆粒填料，具有十分廣闊的推廣應(yīng)用價(jià)值。為此，本文依托濰煙鐵路 DK92+993 ～ DK110+833 段高速鐵路對(duì) 高填方路基粗顆粒填料技術(shù)與沉降控制進(jìn)行了研究，通過(guò)理論分析與數(shù)據(jù)分析計(jì)算相結(jié)合的方法系統(tǒng)研究了高速鐵路高填 方路基粗顆粒填料技術(shù)與沉降控制。
0 引言
在我國(guó)高速鐵路建設(shè)過(guò)程中，根據(jù)相關(guān)法律規(guī)定一 般沿線路基的建筑高度不能超過(guò)8 m，但是由于我國(guó)幅 員遼闊，偏遠(yuǎn)山區(qū)眾多，因此高速鐵路由于地形地貌原 因、工程造價(jià)原因、氣候環(huán)境原因等不可避免的存在路 基高于8 m的高填路段[1]。而對(duì)于我國(guó)高速鐵路路基來(lái)說(shuō) 目前采取的大多是粗顆粒填料，粗顆粒填料無(wú)論在壓實(shí) 性能、壓縮變形層面均高于細(xì)顆粒填料，具有十分廣闊 的推廣應(yīng)用價(jià)值，但是我國(guó)目前針對(duì)于高速鐵路高填方 路基粗顆粒填料技術(shù)的研究還十分薄弱，因此針對(duì)高速 鐵路高填方路基粗顆粒填料技術(shù)與沉降控制進(jìn)行分析具 有十分重要的研究意義。
1 高速鐵路路基沉降機(jī)理分析與沉降監(jiān)測(cè)
1.1 工程簡(jiǎn)介 濰 煙 鐵 路 位 于 山 東 省 東 北 部 濰 坊、 青 島、 煙 臺(tái) 市 境 內(nèi)， 本 項(xiàng) 目 負(fù) 責(zé) 施 工 的 五 分 部 里 程 為 DK92+993 ～ DK110+833， 線 路 總 施 工 長(zhǎng) 度 為 17.84 km，范圍內(nèi)征地拆遷、路基工程、橋梁下部結(jié)構(gòu)、橋面 系、附屬工程、施工輔助設(shè)施、涵洞、相關(guān)工程、部分 大型臨時(shí)設(shè)施和過(guò)渡工程的施工。全線共分為區(qū)間路基 長(zhǎng)度 8.93 km，占線路總施工長(zhǎng)度的 50.05%。路基施工 土方以本樁利用為前提，框架涵、蓋板涵、地基處理應(yīng)和 對(duì)應(yīng)路基同步開(kāi)始施工，前期以完成涵洞施工為主，為 路基段落提供前提條件，后期路涵、路橋以及路隧過(guò)渡 段與路基兼顧施工。本路段施工位于丘陵山區(qū)，地形地 質(zhì)條件復(fù)雜，沿線存在淘金洞、傾斜路基等不良影響因素，導(dǎo)致鐵路沿線變形控制難度大，主要難點(diǎn)表現(xiàn)在 ：
（1）橋—堤—涵過(guò)渡段變形協(xié)調(diào)控制難度大。因此在高速 鐵路建設(shè)中，一般使用摻水泥級(jí)配碎石的改良填料填筑過(guò) 渡段，以保證過(guò)渡段的質(zhì)量，控制差異沉降，確保過(guò)渡段 的平順過(guò)渡。然而在鐵路運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)過(guò)渡段填 筑材料膨脹上拱引起變形的情況。填筑材料上拱問(wèn)題原 因復(fù)雜、理論研究較少、整治手段有限。另外，高速鐵 路對(duì)于基礎(chǔ)平順性要求極為苛刻，且高速鐵路變形調(diào)整 能力有限，尤其是可供向下調(diào)節(jié)的變形量極小，對(duì)過(guò)渡段 的膨脹變形十分敏感。故過(guò)渡段填筑材料膨脹上拱是高速 鐵路運(yùn)營(yíng)亟需解決的問(wèn)題 ；
（2）山區(qū)傾斜路基坡度較大， 斷面形式較為復(fù)雜，雖然采取了一定的工程措施，但不均 勻變形和抗滑穩(wěn)定問(wèn)題仍然較為突出，需要結(jié)合工程實(shí)際 進(jìn)行一定的施工調(diào)整 ；
（3）煙臺(tái)地區(qū)金礦民采活動(dòng)廣泛、 歷史悠久，采礦工程施工隨意性強(qiáng)，未留下任何探采資 料，導(dǎo)致民采井的數(shù)量、工程措施、開(kāi)采深度及分布范圍 均不清楚且民采形成的采空區(qū)均未充填，部分已坍塌，無(wú) 技術(shù)資料、隱蔽性強(qiáng)。線路 DK93+000 ～ DK119+000 位 于北截 - 靈山溝金礦成礦帶上，成礦條件較好，地表民采 較為集中，據(jù)調(diào)查主要為民采井、掏金洞及少量平巷等小 型采空區(qū)，一般采深 10 ～ 50 m，深者達(dá) 100 m 甚至更 深，對(duì)鐵路安全影響較大。
1.2 高速鐵路高填方路基沉降機(jī)理分析 高速鐵路高填方路基具有填方量巨大和填方高度較 高的特點(diǎn)，因此在路段施工完成后，高速鐵路路基會(huì)由 于自身重力以及負(fù)荷壓力的共同作用下產(chǎn)生整體或局部 的路基沉降[2]。當(dāng)高速鐵路高填方路基沉降超過(guò)一定限 制，將對(duì)軌道排布以及列車安全行駛造成嚴(yán)重影響。 高速鐵路高填方路基沉降主要可以分為瞬時(shí)、主固結(jié)以及次固結(jié)沉降3個(gè)類別，路基沉降的計(jì)算方式如式 （2-1）所示，式中由左到右依次代表總沉降、瞬時(shí)沉 降、主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降。
（2-1）
1.3 高速鐵路高填方路基沉降構(gòu)成
1.3.1 填土造成的壓密沉降 首先考慮的是高速鐵路高填方路基在填土過(guò)程中填 土自重導(dǎo)致的，無(wú)論是填土還是軌道鋪設(shè)都會(huì)導(dǎo)致路基 的下沉，對(duì)于這部分產(chǎn)生的路基沉降，本文采用德國(guó)通 用經(jīng)驗(yàn)公式（1-2）來(lái)進(jìn)行計(jì)算。
（1-2）
通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可以得知，填土造成的壓密沉 降將在列車正式通車后的1.5年可達(dá)到穩(wěn)定，而其造 成的高速鐵路高填方路基沉降會(huì)達(dá)到路基建筑高度的 0.1%～3%。
1.3.2 行車造成的基床累計(jì)沉降 其次考慮的是高速鐵路高填方路基在通車后列車行 駛導(dǎo)致的沉降，對(duì)于行車造成的基床累計(jì)沉降與列車的 行駛速度、列車重量、路基填料、壓實(shí)度以及填方高度 有直接的關(guān)系[4]。
1-1中可以看出：當(dāng)基床底層的K 表1-1是日本學(xué)者得到的軌道沉降高度數(shù)據(jù)，從表 30=68.6—108 MPa/m， 列車標(biāo)準(zhǔn)作用荷載作用次數(shù)為150萬(wàn)次時(shí)，基床累積變形 量約為1～2 mm；當(dāng)基床底層之后K30＞70 MPa/m，基 床累積下沉 以將保持在1.5 mm左右。
1.4 高速鐵路高填方路基沉降監(jiān)測(cè) 1-2所示。 對(duì)于高速鐵路高填方路基沉降監(jiān)測(cè)的頻次規(guī)范如表
由表1-2可以看出，路基填筑過(guò)程中每日觀測(cè)1～2 次，靜置期前四個(gè)周每?jī)商煊^測(cè)一次，第四周以后到兩 個(gè)月的時(shí)間里每周觀測(cè)一次，從運(yùn)營(yíng)開(kāi)始到觀測(cè)期每隔 三個(gè)月觀測(cè)一次。
2 高速鐵路高填方路基粗顆粒填料選擇
2.1 粗顆粒填料的天然狀態(tài)和結(jié)構(gòu)
本文選取了8種粗顆粒填料，其中1號(hào)、4號(hào)、6號(hào)是 未風(fēng)化的巖樣，2號(hào)、3號(hào)是土石混合填料，5號(hào)是粉質(zhì)塊 狀巖樣，7號(hào)是強(qiáng)風(fēng)化巖樣和土混合的混合料，8號(hào)是原 路基土。以上8種粗顆粒填料的粒徑均小于5 mm，土石 比例不同。
2.2 粗顆粒填料的礦物成分分析
X射線衍射分析是研究礦物成分的最有效方法之 一，每一種礦物均有其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和特殊譜線及其 強(qiáng)度，同一種礦物，即使它和其他礦物混合在一起，其 特殊譜線及其強(qiáng)度也有所不同，據(jù)此可以鑒定出不同礦 物，本文所選取的8種天聊的成分分析如表2-1所示。
2.3 粗顆粒填料的室內(nèi)浸水崩解試驗(yàn)
對(duì)本文所選取的8種填料中的1號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)分 別做3次干濕循環(huán)試驗(yàn)，所得結(jié)果如表2-2所示。 據(jù)表2-2得出：7號(hào)料在經(jīng)歷幾次干濕循環(huán)后基本己 經(jīng)崩解，容易發(fā)生干濕循環(huán)，引起土石組成嚴(yán)重變化， 造成加速沉降或不均勻沉降，影響路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性， 因此7號(hào)填料被排除。
2.4 粗顆粒填料的顆粒分析試驗(yàn)
對(duì)于粗顆粒填料的顆粒分析試驗(yàn)，本文對(duì)2號(hào)、3 號(hào)、5號(hào)填料進(jìn)行混合后對(duì)粒度成分分析，分析結(jié)果如表 2-3所示。
從表2-3中可以看出：三組土石混合填料的不均勻 系數(shù)Cu>10，曲率系數(shù)Cc在1～3，天然級(jí)配良好；2號(hào) 填料與3號(hào)填料大于5 mm的顆粒含量<30%，是為級(jí)配 不良；5號(hào)料顆粒分布均勻，大于5 mm的顆粒含量占到 80.6%以上，是優(yōu)良的粗顆粒填料。
2.5 粗顆粒填料的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)
粗顆粒填料的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2-4。
表2-4中可以看出：1號(hào)和6號(hào)料的軟化系數(shù)均大于0.75，屬于不易軟化材料。對(duì)于4號(hào)料是較軟巖。
3 結(jié)語(yǔ)
本文依托濰煙鐵路 DK92+993-DK110+833 段高速鐵 路對(duì)高填方路基粗顆粒填料技術(shù)與沉降控制進(jìn)行了研究， 主要得出結(jié)論有 ：
（1）路基填土越高，路基表面動(dòng)荷載對(duì) 地基的影響越小，路基填土越低，路基表面動(dòng)荷載對(duì)地基 的影響越大 ；
（2）對(duì)于填高 20.8 m 的高填方路基，路基 填料按照基床表層地基系數(shù)能夠滿足路基工后沉降要求 ；
（3）含水率和顆粒組成是影響粗顆粒填料壓縮變形的主要 因素，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)保證填料具有較高的壓實(shí)度 [5]。
參考文獻(xiàn) [1] 張勇.探討高速鐵路路基粗顆粒填料凍脹特性[J].工程建設(shè)與 設(shè)計(jì),2020(03):57-58+61. [2] 劉鑫.粗粒料填筑高路堤穩(wěn)定性分析及施工關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2019. [3] 譚雪峰.高填方路基施工技術(shù)和沉降控制策略[J].綠色環(huán)保建 材,2019(06):149+151. [4]田珂.高填方路基沉降控制關(guān)鍵技術(shù)分析[J].科學(xué)與財(cái)富, 2019(24):302-303. [5] 吳政軒,秦鑫.淺析高填方路基沉降分析及控制措施[J].汽車世 界,2019(8):87.
Coarse Grain Filling Technology and Settlement Control for High-Filled Subgrade of High-speed Railway
LIN Yonggang (China Power Construction Road and Bridge Group Eastern Investment Co., Ltd., Jinan Shandong 250000) Abstract: My country has a vast territory and many remote mountainous areas. Therefore, high-speed railways inevitably exist in high-filled sections with subgrades higher than 8m due to topographical and geomorphological reasons, engineering cost reasons, and climate and environmental reasons. For the roadbed of my country's high-speed railway, most of the coarse-grained fillers are currently adopted. The coarsegrained fillers are higher than the fine-grained fillers in terms of compaction performance and compression deformation, which has a very broad application value. To this end, this article relies on the DK92+993- DK110+833 high-speed railway section of Wei-Yan railway to study the high-fill subgrade coarse-grain filler technology and settlement control, and systematically study the high-speed railway through the method of combining theoretical analysis and data analysis and calculation. Coarse particle filler technology and settlement control for high-fill roadbed. Keywords: high-speed railway; high fill; coarse-grained filler; settlement