大何铁路水泥改良粉细砂路基稳定性研究

贾 燕

(中铁一院集团兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州 730000)

1 概述

新建大何铁路(大塔—何家塔铁路)为鄂尔多斯地区“三横四纵”铁路网建设格局中的“三横”之一。大何铁路全长140 km，为国铁Ⅰ级单线电气化铁路，填料标准要求较高，基床强度及工后沉降控制较严。《铁路路基设计规范》［1］(TB 10001—2005)规定，Ⅰ级铁路的路堤基床表层应选用A组填料(砂类土除外)，当缺乏A组填料时经经济比选可采用级配碎石或级配砂砾石;路堤基床底层应选用A、B组填料，否则应采取土质改良或加固措施。

大何铁路地处内蒙古自治区鄂尔多斯高原和库布其沙漠东部过渡地带，自新包神铁路大塔站引出后沿库布其沙漠边缘的低山丘陵区向北行进，地表多分布厚度不等的第四系全新统风积粉细砂。粉细砂由于其特殊的组成、结构和物理状态，若直接将粉细砂作为路基填料，则路基整体稳定性差，承载能力低，在一定条件下极易产生液化及出现水流冲蚀等病害，不符合路基基床填料的设计要求［2］。如果基床表层及底层完全依靠外运级配碎石或级配砂砾石等合格的填料，既不经济也不现实。

为节省工程投资，大何铁路决定就地取材，采用水泥改良粉细砂作为大何铁路路基基床底层填料［3-4］。为了有效控制水泥改良粉细砂路基的工后沉降及其沉降变形速率，决定在正线上填筑路基试验段，对其工后沉降及其沉降变形速率进行监测，对水泥改良粉细砂路基的稳定状态进行评估，根据沉降发展的趋势、速率及剩余沉降量等试验结果来指导设计和施工。

2 试验段测试断面及测试原器件布设

大何铁路水泥改良粉细砂路基试验段起讫里程为DK25+550—DK25+850，全长300 m，线路以填方形式在沙漠中穿过，所在区域内粉细砂中除细粒含量＜5%且级配良好的粉细砂可作为B组填料外，其余均只能作为C组填料。试验段路基基底采用重锤夯实进行处理，基床底层采用水泥掺量为5%的改良粉细砂填筑［5-7］，厚度1.9 m，基床底层以下采用现场粉细砂(属于C组填料)直接进行填筑。大何铁路水泥改良粉细砂路基试验段共设置6个试验断面，分别为DK25+570，DK25+620，DK25+670，DK25+720，DK25+770，DK25+820。各试验区段长40 m，区段内设置1个试验断面。区段之间设置有10 m的过渡段，如图1所示。

试验段路基面设计宽度为7.8 m，平均填方高度5.0 m，边坡坡率为1∶2，6个试验断面中对地表水平位移、地层内水平位移、路基面沉降、地基不同深度沉降、全断面沉降等路基变形进行了监测［8］。各试验的试验断面测试原器件布设方式如图2所示，各试验的试验断面测试原器件布设数量如表1所示。

图1 大何铁路水泥改良粉细砂试验段路基纵向平面布置

图2 DK25+720代表断面测试原器件布设示意

表1 试验断面里程及元器件布设汇总

3 测试结果与分析

3.1 地基分层沉降变形

为分析由地基沉降引起的竖向应变在深度方向上的分布规律，采用沉降板、分层沉降管等元器件，在各试验断面的线路中心处、距离路肩0.5 m处、坡脚外1.0 m处的竖直面分别进行了沉降变形数据的采集。以DK25+570测试断面为例，线路中心处的沉降变形量随埋深的增加而递减，且随路基填筑完成时间而递减，如图3所示。即在路基面下0.5 m处的累计变形量为40～180 mm，而路基面下10.4 m处的累计变形量则为0.3～0.5 mm。

图3 DK25+570试验断面路基线路中心处变形曲线

同时，DK25+570试验断面的路肩面下与坡脚面下的沉降变形规律同线路中心的沉降变形规律基本一致，但其累计变形量小于路基中心的累计变形量，即路肩面下0.5～10.6 m深度范围内的最大累计变形量为7～70 mm(如图4所示)，坡脚面下0.5～6.0 m深度范围内的最大累计变形量为29～70 mm(如图5所示)。

图4 DK25+570试验断面路肩面下变形曲线

图5 DK25+570试验断面坡脚面下变形曲线

试验路基各试验断面的累计变形量如表2所示。

表2 试验路基各试验断面累计变形量

从表2看出，在2011年11月8日至2013年3月20日的观测期内，各试验断面路基中心表面的累计变形量最大，为150～191 mm，路肩表面的累计变形量次之，为50～110 mm，坡脚表面的累计变形量最小，为26～45 mm。且各路基表面的累计变形量与路基填高有较为密切的关系，除个别路段外，即总体而言路基填筑高度越大，表面的累计变形量越大，这与路基填筑荷载有关。但从总体上看，该试验段内DK25+720断面的路基填筑高度最大，为5.5 m，而路基中心表面的累计变形量仅为191 mm，也即工后变形量在不大于200 mm的可控范围之内［1］，以5%水泥改良粉细砂作基床底层填料的路基整体是稳定的，符合设计要求。

3.2 路基横剖面沉降变形

为监测和评估各试验断面的路基横向沉降变形，采用剖面沉降管对各试验断面进行了横剖面沉降变形观测。DK25+570试验断面的路基横剖面沉降变形曲线如图6所示。

图6 DK25+570试验断面路基横剖面沉降变形曲线

从图6可以看出，DK25+570试验断面路堤与地面交接处的横向沉降变形曲线基本呈抛物线形分布，在路堤坡脚处的累计变形量较小，为10～30 mm，路堤中心位置处的累计变形量较大，为50～65 mm。各测试点的累计变形量2013年3月较2011年11月有所增大，路堤中心处的最大值相差为16.6 mm。

其它各试验断面 DK25+620，DK25+670，DK25+720，DK25+770，DK25+820路堤与地面交接处横向沉降变形曲线与DK25+570试验断面相似，其中心最大变形量分别为 65.8，88.1，91.2，87.3，64.0 mm，2013年3月与2011年11月相比，6个试验断面的变形增加量为15.3～22.6 mm，如图7所示。

图7 各试验路堤与地面交接处横剖面最大沉降量及增量

3.3 试验路基稳定性分析

从图3～图6可以看出，路基中心表面(路基面下0.5 m)的累积变形量最大。由表2可以看出，试验断面 DK25+570，DK25+620，DK25+670，DK25+720，DK25+770，DK25+820中心表面工后最大累积沉降变形量分别为 180，170，150，191，190，160 m，均小于《铁路路基设计规范》(TB 10001—2005)规定的累积变形量不应大于200 mm的要求［1］。

同时，从图3还可以看出，试验断面DK25+570中心表面(路基面下0.5 m)2013年3月较2012年3月的最大累积变形量增量为20 mm，即最大沉降变形速率为20 mm/年。同理可知，DK25+620，DK25+670，DK25+720，DK25+770，DK25+820 等 5 个试验断面工后最大沉降变形速率分别为 32，17，23，27，19 mm/年，均小于《铁路路基设计规范》(TB 10001—2005)规定的累积变形速率不应大于50 mm/年的要求［1］。

4 结语

1)新建大何铁路沿线广泛分布的粉细砂无法满足Ⅰ级铁路对路基基床填料的要求。因此，在DK25+550—DK25+850设立试验段，以5%水泥掺量改良后的粉细砂做基床底层填料进行填筑试验，并对其工后沉降及沉降变形速率进行监测分析，有利于就地取材，同时为控制工后沉降提供理论依据。

2)以5%水泥掺量改良后的粉细砂作基床底层B组填料时，填筑高度为4.0～5.5 m的试验路堤中心表面的工后累积沉降变形量为150～191 mm，其工后沉降变形速率介于17～32 mm/年，满足《铁路路基设计规范》(TB 10001—2005)规定的累积变形量不应大于200 mm、累积变形速率不应大于50 mm/年的具体要求。

3)以5%水泥掺量改良后的粉细砂作基床底层B组填料时，路堤整体是稳定的，既满足设计要求，又节约建设成本。

［1］中华人民共和国铁道部.TB 10001—2005 铁路路基设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2006.

［2］中华人民共和国铁道部.TB 10035—2006 铁路特殊路基设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2006.

［3］叶彩娟，辛文栋.水泥改良细砂填料工程性能试验研究［J］.山西建筑，2008，34(10):166-167.

［4］雷杰，黄志军.水泥改良粉细砂在干湿环境下力学性能试验研究［J］.铁道建筑，2012(11):84-87.

［5］中华人民共和国铁道部.TB 10102—2004 铁路工程土工试验规程［S］.北京:中国铁道出版社，2010.

［6］王素灵.水泥改良土路基填筑施工技术［J］.铁道建筑，2008(3):56-58.

［7］赵光鹏，马楠.水泥土性能及其影响因素的分析［J］.山西建筑，2008，34(13):98-101.

［8］周家，成方焘.粉细砂填筑路基结构形式探讨［J］.铁道建筑，2010(5):71-73.