高速铁路基床表层级配碎石填料土体结构类型试验分析
2015-05-10赵明志
陈 坚， 罗 强， 张 良， 赵明志
(西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031)
根据粗细颗粒含量的变化，压实后的粗颗粒土填料具有3种典型的土体结构类型[1-3]：(1) 悬浮密实结构，即土体中小颗粒为主，大颗粒悬浮在小颗粒中；(2) 骨架密实结构，即土体中大颗粒相互紧密接触，形成稳定的骨架，小颗粒密实地充满大颗粒之间的间隙；(3) 骨架孔隙结构，即土体中大颗粒含量较多，小颗粒的含量不足以充满大颗粒之间的间隙。
粗颗粒土的土体结构类型不同，其工程特性表现出明显差异。大量的研究和工程实践表明[4-11]：悬浮密实结构由于细颗粒占主导，其工程特性主要由细颗粒控制，表现出良好的压实特性与防渗性能，抗剪强度和抗变形能力相对较低，透水性较差；骨架密实结构由于既有较多数量的大颗粒紧密接触形成受力骨架，又有相当数量的小颗粒密实填充骨架的间隙，具有优良的压实特性，且表现出较高的抗剪强度和抗变形能力，具备一定的防渗能力；骨架孔隙结构的大颗粒数量足以形成受力骨架，小颗粒含量较少不足以填充满骨架间隙，一般表现出相对较好的抗剪强度和抗变形能力，但可能呈现不易压实的特性，尤其因为分布于骨架颗粒间隙中的小颗粒土处于“游离”或“松散”状态，极易在渗流水的作用下被带走，引起土体管涌破坏。因而，准确判定粗颗粒土填料的土体结构类型，对掌握粗颗粒土填料的工程特性具有重要意义。
级配碎石是高速铁路路基基床表层的主要填料，为保证高速铁路基床结构在列车动荷载作用下的长期稳定性，不发生明显或持续的塑性累积变形，文献[12]对其级配进行了严格控制，明确限定了颗粒级配范围。但颗粒级配在规定的级配范围内变化时，压实后可能呈现不同的土体结构类型，对基床结构的长期使用性能产生影响。一般认为，对于长期承受列车动荷载和气候环境作用的级配碎石填料，压实后的土体结构类型优选骨架密实结构，宜避免悬浮密实结构。因为悬浮密实结构在长期的列车动荷载作用下可能产生明显的塑性累积变形，影响轨道的平顺性，在雨水充足地区，还可能因为孔隙水来不及排出，引起土体强度降低，导致基床破坏。严寒地区常常有抗冻性能的要求，在选择级配时，宜优先选择细颗粒较少的骨架孔隙结构，以利于排水，防止冻害的发生。因此，掌握级配范围内的级配碎石土体结构类型特点，对选择合适的级配碎石填料的颗粒级配具有参考价值。
构建基于分界粒径-体积填充原理的粗颗粒土填料土体结构类型测定方法，分析高速铁路基床表层级配碎石随粒径级配变化的土体结构类型特征，为完善高速铁路基床多层结构体系中不同功能土层的碎石填料级配技术标准提供试验依据。
1 基于分界粒径-体积填充原理的粗颗粒土土体结构类型测定方法
目前，关于粗颗粒土土体结构类型的检验方法主要有两类。一类属于纯经验方法[1,3,13]，简称“固定粒径-固定比例法”。通常将5 mm作为骨架颗粒与非骨架颗粒(填充颗粒)的界限粒径，用P5表示粒径大于5 mm颗粒的含量，认为当P5为70%左右时，骨架颗粒能形成骨架，填充颗粒恰好能密实地填充满骨架间隙，土体是骨架密实结构；P5大于70%时，填充颗粒不足以填充满骨架间隙，土体是骨架孔隙结构；P5低于70%时，由于填充颗粒含量较多，挤开了土体骨架，土体为悬浮结构。另一类属于半经验半理论方法[14-17]，简称“固定粒径-体积填充法”，在公路沥青路面集料配合比设计方法中应用广泛。其基本原理是：以某个固定粒径为界限粒径(4.75或2.36 mm)，将集料颗粒分为粗颗粒与细颗粒两部分，认为粗颗粒起骨架作用，细颗粒填充于粗颗粒之间的孔隙中，比较紧装粗颗粒骨架的间隙率VCADRC或松装粗颗粒骨架的间隙率VCADLC和填料中粗颗粒之间的间隙率VCAmix，若VCAmix>VCADLC，表明粗颗粒在填料中彼此不能相互接触，处于“悬浮”状态，压实后的集料属于悬浮密实结构；若VCADRC≤VCAmix≤VCADLC，表明粗颗粒在填料中能相互接触形成受力骨架，压实后的集料属于骨架结构。相比前一种检验方法，该方法采用体积填充原理检验集料中大于某固定粒径的颗粒组是否形成受力骨架，具有显著的进步性，但由于仍采用固定粒径作为骨架颗粒与填充颗粒的分界粒径，当填料的真实骨架颗粒粒径小于该固定粒径时，采用该检验方法就会得到错误的结论。
针对已有方法的不足，本文构建基于分界粒径-体积填充原理的粗颗粒土土体结构类型测定方法，其主要步骤为：
Step1测定填料中骨架颗粒与填充颗粒的分界粒径Dc(分界粒径确定原理)
定义ρfmax x为压实条件下填料中粒径大于x的颗粒在填料中的最大干分布密度，则
ρfmax x=ρdmax·px
( 1 )
式中：ρdmax为填料在某种压实条件下的最大干密度,g/cm3；px为填料中粒径大于x颗粒的百分含量。
定义ρdmax x为剔除填料中粒径小于x的颗粒后，剩余颗粒(即粒径大于x的颗粒)在相同压实条件下的最大干密度，g/cm3。将ρfmax x、ρdmax x分别作为表征粒径大于x颗粒在填料中分布结构特点和紧密接触堆积结构特点的宏观参量。比较ρfmax x和ρdmax x的大小，判定填料中粒径大于x颗粒的分布结构特点。若ρfmax x=ρdmax x，表明粒径大于x颗粒在填料中处于紧密接触的分布结构；若ρfmax x<ρdmax x，表明粒径大于x颗粒在填料中处于彼此分离的“悬浮”分布结构。
ρfmax x和ρdmax x随颗粒粒径x变化见图1。曲线A、B分别ρdmax x和ρfmax x，Dc为填充颗粒与骨架颗粒的分界粒径。x
通过由小到大逐级剔除填料中的颗粒，得到相应剩余颗粒的最大干分布密度ρfmax x与相同压实条件的最大干密度ρdmax x，绘制出土体结构分析曲线图，找到曲线A、B的分叉点,即可得到填料骨架颗粒与填充颗粒的分界粒径Dc。若曲线A、B的分叉点出现在填料的最小粒径Dmin处,表明填料所有颗粒均为骨架颗粒的组成部分，填料为悬浮密实结构。
Step2确定填充颗粒在骨架间隙中填充密实程度 (体积填充原理)
体积填充原理认为骨架颗粒形成受力骨架，填充颗粒于骨架颗粒间隙中。比较填充颗粒在骨架间隙中的填充干密度ρt与填充颗粒在相同压实条件的最大干密度ρtmax，判定填料属于骨架密实结构还是骨架孔隙结构。若ρt=ρtmax，表明填充颗粒充满骨架间隙，填料为骨架密实结构；若ρt<ρtmax，填料为骨架孔隙结构。特别地，若ρt≪ρtmax，表明填充颗粒在骨架间隙中处于游离状态。
ρt计算公式为
ρt=ρdmax(1-pDc)/ng
( 2 )
式中：pDc为粒径大于Dc的颗粒的百分含量，即骨架颗粒在填料中的百分含量；ng为骨架颗粒之间的间隙率，ng=1-ρdmax·pDc/ρa，g，其中ρa，g为骨架颗粒的毛体积密度，由毛体积密度试验得到，g/cm3。
通过上述步骤，即可测定出填料的土体结构类型。
构建的基于分界粒径-体积填充原理的粗颗粒土土体结构类型测定方法克服了现有“固定粒径-体积填充法”中采用固定粒径作为分界粒径的不足，测定出的土体结构完全代表了填料的真实土体结构状态。
2 高速铁路基床表层级配碎石填料土体结构类型分析
为分析高速铁路基床表层级配碎石填料在满足文献[12]级配限值范围内的土体结构类型特性，分别选择级配控制范围的上限值、中值及下限值作为代表性级配，采用基于分界粒径-体积填充原理的粗颗粒土土体结构类型测定方法测定3种级配下的土体结构类型，研究控制范围内级配碎石的土体结构类型特点。
试验所用的母料取自某高速铁路试验段的级配碎石填料，最大粒径37.5 mm，材质为二叠系硬质灰岩。通过筛分试验将烘干后的母料分成若干粒径组，按级配控制范围的上限值、中值及下限值配制试样，级配曲线见图2。图2中3条虚线为文献[12]给出的高速铁路基床表层级配碎石的级配范围上限值、中值及下限值级配曲线。从图2可以看出，实际配出的填料级配曲线与规范控制值基本相同，认为配出的3种级配分别代表规范规定的上限、中值以及下限级配。
采用基于分界粒径-体积填充原理的粗颗粒土填料土体结构类型测定方法，分析级配为下限时级配碎石的土体结构类型。
Step1测定填料中骨架颗粒与填充颗粒的分界粒径Dc
由常规土工试验得试样的最大干密度ρdmax为2.194 g/cm3。为方便操作，结合筛孔尺寸，将整个试样由小到大分为12个粒径颗粒组，见表1。由小到大逐级剔除试样的粒径颗粒组，得到每次剔除颗粒后相应剩余颗粒的最大干分布密度ρfmax x以及相同压实条件的最大干密度ρdmax x，见表2，绘制土体结构分析曲线，见图3(a)。从图3(a)可以看出，曲线A、B的分叉点出现在颗粒粒径1.18 mm处，试样属于骨架土体结构，骨架颗粒与填充颗粒的分界粒径Dc=1.18 mm。
表1 颗粒分组及各粒径组质量百分数表(下限)
粒径/mm质量含量/%粒径/mm质量含量/%37．5～26．526．22．36～1．189．226．5～19．012．61．18～0．602．919．0～13．28．00．60～0．304．013．2～9．58．10．30～0．152．69．5～4．7516．30．15～0．0750．54．75～2．369．2<0．0750．4
表2 剔除颗粒后剩余颗粒的最大干分布密度及最大干密度表
Step2确定填充颗粒在骨架间隙的填充密实程度
由毛体积密度试验得骨架颗粒(粒径大于1.18 mm)的毛体积密度为2.80 g/cm3，由常规土工试验得填充颗粒(粒径小于1.18 mm)在相同压实条件下的最大干密度为1.78 g/cm3。由式( 2 )得填充颗粒在骨架间隙中的填充干密度为0.766 g/cm3，远小于1.78 g/cm3，表明填充颗粒在骨架间隙中处于“游离”状态，试样为骨架孔隙土体结构。
重复上述过程，得到符合中值和上限级值级配的级配碎石土体结构分析曲线，见图3(b)～3(c)，相应的剔除颗粒后剩余颗粒的最大干分布密度及最大干密度见表2。图3(b)～3(c)中，曲线A、B的分叉点均出现在试样最小粒径处，说明符合中值或上限级配值的级配碎石均为悬浮密实土体结构。
综上，填料的土体结构类型随填料中粗细颗粒比例的变化而变化。具体表现为：填料中粗颗粒比例较大时，由于细颗粒含量不足以填充满粗颗粒形成的骨架，填料属于骨架孔隙结构；随着填料中细颗粒比例的增大(粗颗粒减少)，当细颗粒恰好能密实地填充满粗颗粒形成的骨架间隙时，填料的土体结构由骨架孔隙结构转变为骨架密实结构；随着细颗粒含量的继续增大(粗颗粒继续减少)，细颗粒挤开由粗颗粒形成的骨架，填料的土体结构由骨架密实结构变化为悬浮密实结构。因此，粗颗粒土填料中粗颗粒含量的逐渐减小或细颗粒含量的逐渐增大，土体结构类型按“骨架孔隙结构→骨架密实结构→悬浮密实结构”的规律变化。由图2可以看出，级配碎石由规范上限级配向下限级配变化时，填料中粗颗粒含量逐渐增大，细颗粒含量逐渐降低。
通过上述研究可知，填料级配位于上限值与中值之间时，土体结构类型为悬浮密实结构，即级配上限值与中值之间的区域为悬浮密实结构区；填料的级配从中值逐渐向下限值变化时，土体结构类型先从悬浮密实结构转变为骨架密实结构，最终演变为骨架孔隙结构，即在中值与下限值之间的级配区域由3种不同土体结构类型的级配区域组成，其中紧邻中值附近的区域为悬浮密实结构区，紧邻下限值附近的区域为骨架孔隙结构区，中间部分为骨架密实结构区。根据粗颗粒土填料土体结构类型随粒径组成变化规律以知，填料为骨架孔隙结构和悬浮密实结构时，对应的粒径级配一般可在一个较宽的级配区域内变化；填料为骨架密实结构时，对应的级配区域通常为一条特定的级配曲线，方便起见，实际工程中通常将该特定级配曲线附近的级配区域均划定为骨架密实结构区。对级配碎石，通过试验在中值级配与下限值之间找到骨架密实结构对应的特定级配曲线十分困难。本文综合考虑试验成本、试验精度等因素，将悬浮密实结构的级配中值与骨架孔隙结构的下限值级配之间的级配区域进行3等分，近似将中间部分划定为骨架密实结构区域，紧邻下限值的部分划定为骨架孔隙结构区域，其余区域均为悬浮密实结构状态，见图4。各区域粒径级配见表3。
表3 高铁基床表层各区级配碎石粒径级配与土体结构状态
方孔筛孔边长/mm过筛质量百分比/%45．0--100．042．8-100．0100．0～96．040．5100．0100．0～97．097．0～93．231．5100．0～88．088．0～85．085．0～82．022．491．0～75．075．0～71．071．0～67．07．175．0～52．352．3～46．746．7～41．01．746．0～24．024～18．518．5～13．00．532．0～15．315．3～11．211．2．0～7．00．111．0～3．73．7～1．81．8～0．0土体结构悬浮密实骨架密实骨架孔隙
粗颗粒土填料的土体结构类型不仅受填料粒径级配的影响，与填料的材质特性与颗粒形状也有一定关系。当2种填料的材质特性或颗粒形状相差较大时，即使具有相同的粒径级配，压实后的土体结构类型也不同。针对高速铁路基床表层的级配碎石填料，为保证其稳定优良的物理力学性质，文献[12]对填料的材质特性与颗粒形状均做了严格的限定，满足规范要求的级配碎石填料的材质特性与颗粒形状相差不大，相应地对级配碎石填料的土体结构类型影响也较小。因此，图4与表3的级配区域同样适用于其他满足文献[12]的级配碎石填料。实际工程应用中所采用的级配曲线贯穿图4中2个或2个以上级配区域时，需采用上述基于分界粒径-体积填充原理的粗颗粒土土体结构类型测定方法对土体结构类型进行具体测定。
表4为各级配区域界限级配曲线的级配参数。由表4可以看出：
(1) 骨架密实结构区的曲率系数在2.18～2.05之间，不均匀系数在34.44～38.38之间，表明骨架密实结构的填料粒径组成合理；
(2) 填料级配曲线远离骨架密实结构区并趋于上限值级配时，填料级配的不均匀系数略有增加，但由于填料中细颗粒含量越来越多，曲率系数由2.18减小至0.55；
(3) 填料级配曲线远离骨架密实结构区并趋于下限值级配时，填料曲率系数略有减小，但随着填料中粗颗粒含量的增多，粒径分布的集中，不均匀系数由34.44减小至16.64；
(4) 3类土体结构类型级配区域的级配参数具有较好的规律性。骨架密实结构的填料级配区域较窄，粒径组成最优；填料级配曲线远离骨架密实结构区时，引起填料级配劣化。
表4 各级配区域界限级配曲线的级配参数
3 基于土体结构类型的高速铁路基床表层多层结构体系功能组合探讨
为保证在列车动荷载和气候环境双重作用下的长期稳定性，高速铁路基床表层结构不仅要有较高的承载能力，还要有良好的隔水与排水的功能，以降低水的不利影响。尤其水温环境和土质条件较差的路堑地段高速铁路，对基床表层结构的隔水与排水功能提出了更高要求。日本高速铁路采用在级配碎石(或高炉矿渣碎石)强化层表面铺设沥青混凝土隔水层和在其底面增设排水垫层的基床表层结构形式[18]；德国与法国高速铁路均采取在土质基床顶部设置路基保护层或道砟垫层的构造措施[18]，在土质条件较差的路堑地段设置具有隔水、承载、排水功能土层的多层结构体系。目前，我国高速铁路统一采用单层结构的级配碎石强化层作为基床表层的基本形式。由不同土体结构类型的工程特性可知，针对一种特定粒径组成的级配碎石填料，承载、隔水与排水3种功能互斥，即拥有最强承载能力的骨架密实结构，其隔水与排水能力相对较弱；拥有最强隔水能力的悬浮密实结构，承载与排水能力不足；拥有最强排水能力的骨架孔隙结构，其隔水与承载能力较低。可见，采用相同粒径组成的单一级配碎石层较难实现基床表层结构同时具有良好的隔水、承载及排水功能。根据级配碎石填料的3种土体结构类型特性及其相应的工程性质，基于级配碎石土体结构类型构建具有良好功能组合的高速铁路基床表层多层结构体系，见图5。其上表层为层厚相对较薄的悬浮密实结构隔水层，中表层为层厚相对较厚的骨架密实结构承载层，下表层为层厚相对较薄的骨架孔隙结构排水层。通过上表层的悬浮密实结构隔水层阻止路基面上大部分水渗入基床结构，对于少部分渗入到承载层中的水通过下表层的骨架孔隙结构排水层排出，最大限度地降低水的劣化作用，保证基床表层结构具有良好的长期服役性能。该体系适用于对基床表层结构隔水与排水功能要求较高的路堑地段高速铁路。由于基床表层结构的隔水与排水功能要求随轨道类型、路基形式、地域以及地形条件不同而异，实际工程中根据不同条件进行相应简化。对于高速铁路基床表层结构各功能层的具体控制指标，如各分层厚度的合理匹配、不同功能层填料需要满足的物理力学指标等，亟待进一步的细化研究。
4 结论
准确测定高速铁路基床表层级配碎石填料的土体结构类型，是制定功能目标不同的级配碎石填料的粒径组成技术标准的基础。本文构建了基于分界粒径-体积填充原理的粗颗粒土填料土体结构类型测定方法，分析了高速铁路基床表层级配碎石填料的土体结构类型随颗粒级配的变化特点，基本结论如下：
(1) 文献[12]给出的基床表层级配碎石填料的颗粒级配在上限值、中值、下限值附近分别对应土体结构的不同类型，随着级配碎石中粗颗粒含量由少至多变化或细颗粒含量由多至少变化，引起土体结构由悬浮密实型向骨架密实型、再向骨架孔隙型的转变。
(2) 确定了高速铁路基床表层级配碎石填料的土体结构类型分别呈现出悬浮密实、骨架密实、骨架孔隙等3种状态所对应的粒径级配控制值，对优化选择高速铁路基床多层结构体系中满足封闭、承载、排水等技术要求的不同功能土层的粗颗粒土填料级配具有重要意义。
(3) 高速铁路基床表层级配碎石填料的3种土体结构类型所对应的级配参数表现出良好的规律性。形成骨架密实结构的级配区域范围较窄，Cc≈2.18～2.05，Cu≈34.44～38.38；悬浮密实结构所含的细颗粒含量相对较多，其Cu小幅增大，Cc减小至0.55；骨架孔隙结构中的细颗粒含量较少，其Cc略有降低，Cu减小至16.64。
(4) 针对粒径组成相同的单一级配碎石层难同时实现基床表层结构隔水、承载与排水功能的问题，结合级配碎石填料的3种不同土体结构类型特性及其相应的工程性质特点，构建了以具有良好隔水能力的悬浮密实结构层为上表层、具有较高承载能力的骨架密实结构层为中表层、具有较好排水能力的骨架孔隙结构层为下表层的高速铁路基床表层多层结构体系，对实现基床表层结构不同功能要求的良好组合、保证基床结构长期服役性能的良好发挥具有一定意义。
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