粉细砂填筑路基结构形式探讨

时间：2024-07-28

周家成，方焘

(1.锦州铁道勘察设计院有限公司，辽宁锦州 121000;2.华东交通大学土木建筑学院，南昌 330013)

1 概述

粉细砂根据成因可以分为风积和沉积两种，由于粉细砂的黏性和塑性都很小，尤其是风积粉细砂，颗粒均匀且细，干燥时松散，且受风、水等的影响很大，其作为路基填料质量控制指标体系和相关的施工技术尚存在不成熟的地方。但是，在荒漠地区修建铁路本身填料缺乏，且生态脆弱，如粉细砂能填筑路基，则可以就地取材，减少对荒漠地区生态的破坏，同时可以减小填料运距，降低工程造价。田华等对粉细砂改良填筑高速公路路基进行了试验研究，否定用粉细砂直接作为路基填料的可行性[1]。徐军等对沙漠风积细粒土路基填料选择的影响因素、施工工艺和质量控制要点进行了探讨[2]。乔纯、关键对粉细砂填筑灌溉堤坝工程技术问题进行了研究，提出了应用粉细砂修筑堤防存在的问题和解决措施[3]。裴生艳等对沈山高速公路台安至辽中段粉细砂填筑路基施工的机械选择、填筑、检测方法等进行了介绍，得出用振动光面压路机，重视填料质量，严格操作规范，用粉细砂填筑路基是可行的结论[4]。

锡(锡林浩特)乌(乌兰浩特)线、大(大虎山)郑(郑家屯)线、巴(巴彦乌拉)新(新立屯)线、甘(甘旗卡)库(库伦旗)线等穿过大片荒漠地区，土质主要为风积和沉积的粉细砂，A、B组填料基本没有，而路基设计规范将粉细砂作为C组填料，但是没有给出粉细砂填筑的施工质量控制指标体系[5]，使得设计和施工人员在设计和施工过程中，没有依据遵循。

2 粉细砂物理力学性质

2.1 物理性质

线路沿线为第四系全新统风积层(Q4eol)粉砂和细砂。粉砂为褐黄色至浅黄色，松散～中密，稍湿～饱和，主要矿物成分为长石和石英;细砂为浅黄色～黄褐色，松散～中密，稍湿～潮湿，主要矿物成分为长石和石英。

根据试验结果分析，粉细砂颗粒均匀且细(见表1)，极为松散，干燥时的承载力极低，保水性较差，渗水率极高，失水松散，易产生干翻浆、干陷现象。其天然重度为16.0～18.5 kN/m3。

表1 甘库线粉细砂筛分试验成果 %

2.2 工程力学特性

粉细砂由于颗粒细且均匀遇水后体现一定的粘性，但是失水很快松散，天然休止角很小，呈现出无黏性特性，根据室内直接剪切试验成果分析，其c值在0～5 kPa，φ 值在 25°～28°之间，且压缩性较差。

3 粉细砂填筑路基结构形式探讨

3.1 固土网垫法

固土网垫法为坡面铺设固土网垫撒草籽的防护方法，该方法的技术要点:①路堤由坡脚至路肩全坡面斜铺固土网垫并撒草籽，固土网垫用竹钉固定，梅花形布置，间距1 m。②坡面撒草籽，每平方米撒0.015 kg草籽。③护肩用M7.5水泥砂浆砌片石砌筑。④固土网垫顶部压入护肩不得小于0.3 m，坡脚应埋入地面以下0.3 m。施工要求:①铺设固土网垫前应修整边坡，使坡面平整，以使网垫与边坡紧贴。②铺网前，坡面先洒水至边坡0.3 m深度内湿润为止，以利草籽生长成活。③网垫应与坡面紧贴，不得出现空隙，对不紧贴之处加钉竹钉。④铺网后，在网垫上均匀撒土，厚度至网包深度之半(约1 cm)，然后撒草籽。⑤为使草籽均匀撒在网垫上，将草籽与土按1∶10重量混合好后，用人工撒播，应注意保证每平方米草籽不少于15 g。⑥每副网垫铺设时，搭接长不小于2 cm，并注意搭接处上层网垫密贴下层网垫，不留间隙。坡面铺设固土网垫示意见图1。

图1 坡面铺设固土网垫示意

3.2 加筋包填法

加筋包填法即沿着路基高度方向分层平铺土工格栅，同时用碎石土或者黏性土包裹的填筑方法。其施工技术要求:

1)将地表整平碾压至规定要求，然后分层填筑路堤，地面横坡陡于1∶5地段挖台阶，底宽应不小于2.0 m。

2)路堤边坡坡度:路堤高为0～6 m时，边坡为1∶1.75;路堤高为8 m以下时，边坡为1∶2。

3)路堤边坡自地表起每填筑高0.6 m，于路堤边坡水平宽3.0 m范围内铺设TGSG30-30土工格栅一层，直至基床底层底部。

4)铺设土工格栅时，先将碾压密实的填土层整平，搭接长度0.3 m，格栅铺设应平整、密贴，然后在其上填土。

5)为防止骨架护坡施工挖槽露出格栅，骨架护坡地段格栅外端距边坡应保持1.0 m的距离。

6)平铺土工格栅后，严禁汽车直接行驶在土工格栅上，并要避免过量拉伸。

7)土工格栅尽量避免长时间露天存放或暴露施工过久。

土工格栅应进行严格的质量检验，满足设计要求的各项性能指标。保管、施工应严格按有关的设计图及施工规范和《铁路路基土工合成材料应用技术规范》(TB10118—2006)有关规定进行。

3.3 夹层填筑法[1]

该方法工艺为填筑基底面验收合格→松铺一层厚40 cm的粉细砂→整平、稳压→再松铺一层厚20 cm的外借A、B组料→整平、碾压→检测与验收。该方法施工要点:①控制填料的含水量，一般在最佳含水量附近。②粉细砂层经T-140履带式推土机(自重16～18 t)以2.5 km/h的速度进行稳压2遍即可。稳压时履带轮重复1/2，直线段由两边向中间进行，弯道处由内侧向外侧进行，以利形成路拱。③第二层外借A、B组料，如果是A碎石类料或角砾土料，则必须由人工将粒径>100 mm的大石块清除;如果是B圆砾土料、砂黏土料，则因含水率较高需要先将料源摊铺晾晒到含水率达8%左右方可，同时需注意边坡排水问题，并由人工修整边坡，使部分外借料将粉细砂层覆盖，避免砂层的水分散失并增加其边坡的稳定性。④外借料采用逐步摊铺法进行。⑤外借料层经推土机、平地机整平后，采用YZ18A型自行式振动压路机(自重18 t)以2.5 km/h的速度先进行弱振2遍，再强振2遍，最后再静压2遍，仍按轮迹重复1/3进行，碾压方式同粉细砂层。

3.4 改性填筑法

该方法主要是通过改良填料的物理力学特性和工程特性的方法。目前主要有两种途径:一种是物理改良，即向粉细砂填料中掺 A、B组土，以改善填料的物理力学特性和工程特性;另一种是化学改良，即向粉细砂填料中掺水泥，以达到改良填料的工程特性目的。

4 结构形式的技术经济比较

4.1 填筑方法优缺点分析

固土网垫法对边坡稳定性主要体现在边坡防护系统能够有效地防止荒漠地区风蚀和雨水的冲刷作用，保证路基工程的耐久性，同时间接保证边坡的稳定性。施工较复杂，难以保证施工质量。加筋包填法一方面通过碎石土(或黏土)包坡、护肩和护脚措施有效地防止荒漠地区风蚀作用，同时注意到了荒漠地区降雨量不大，降雨对边坡的冲刷作用是有限的;另一方面通过在边坡上分层加筋，对边坡起到一定的加固作用。其施工比固土网垫法方便。夹层填筑法与普通路基填筑方法差异不大，两层存在不同的施工质量控制参数，路基竖向呈现各向异性特征。改性填筑法是最可靠的填筑方法，但是，该法施工工艺复杂，难以保证拌合均匀，工程造价高。目前，该种方法没有得到大面积推广使用。

4.2 加筋包填法稳定性分析

根据室内直接剪切试验成果，对目前用的较普遍的填筑结构形式粉细砂加筋填筑法，进行了路堤的稳定性分析。取黏聚力 c=5 kPa，内摩擦角 φ=25°，路堤高度分别为 6、12、18 m，格栅宽度为 3、5、7 m，沿路堤高度每0.6 m厚度铺设等情况，探讨了有、无格栅情况下不同填筑高度以及格栅的不同宽度和间距对路基边坡稳定性的影响。格栅的抗拉强度为30 kN/m，受剪切时的摩尔库伦强度参数为c=10 kPa，φ=40°。简化bishop分析结果见图2。

图2 土工格栅对边坡稳定性影响

从上面分析的结果看出，在保证施工质量前提下，粉细砂填筑路基高度应<12 m。同时也可以看出，土工格栅对路基稳定的贡献与土工格栅铺设的宽度密切相关，一般在坡高<6 m时，基本是稳定的。土工格栅<3 m时，对边坡稳定性的直接贡献有限，边坡越高，土工格栅对边坡稳定性贡献体现越明显。