武汉工程试验段路基填料与沉降观测设计.docx

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武汉工程试验段路基填料与沉降观测设计

新　建　铁　路

武汉至广州客运专线

武汉工程试验段

路基设计及相关标准

介绍

铁道第四勘察设计院

二OO六年十一月武汉

新　建　铁　路

武汉至广州客运专线

武汉工程试验段

路基设计及相关标准介绍

编制：

陈占

审核：

郭建湖

审定：

李小和

铁道第四勘察设计院

二OO六年十一月武汉

一、无碴轨道路基填料设计及压实标准

（一）设计

1．路基结构型式及压实标准

（1）路基标准横断面见图1、2，无碴轨道区间双线直线地段路基面宽度13.6m，线间距5m。

图1双线无碴轨道路堤标准横断面示意图

图2双线无碴轨道路堑标准横断面示意图

（2）路基面形状

无碴轨道路基面形状为梯形，无碴轨道混凝土基础底座范围以下为平面，底座边缘以外两侧设4%的向外横向排水坡。

在路基面上无碴轨道混凝土支承层外设0.07m厚沥清混凝土防渗层，路基面以下基床表层与底层、底层与基床下部路堤接触面自双线间中心向两侧设4%路拱，形状为三角形。

曲线地段需要加宽时，路基面仍保持梯形。

（3）基床结构型式、材料规格及压实标准

基床由表层和底层组成。

表层厚度与无碴轨道混凝土支承层总厚度为0.7m，表层厚度为0.4m，底层厚度为2.3m，基床总厚度2.7m，基床表层采用0.4m厚级配碎石填筑。

基床表层及底层压实标准应符合下列规定。

①基床表层级配碎石技术要求

基床表层级配碎石应符合《客运专线基床表层级配碎石暂行技术条件》（2005年6月）相关要求，并应符合以下要求。

a.基床表层级配碎石粒径级配应符合表1的规定，且其不均匀系数U=D60/D10不得小于15，0.02mm以下颗粒质量百分率不得大于3%。

基床表层级配碎石与下部填土之间应满足D15＜4d85的要求。

b.在粒径大于22.4mm的粗颗粒中带有破碎面的颗粒所占的质量百分率不少于30%。

表1级配碎石的级配范围一览表

级配编号

通过方孔筛孔边长（mm）质量百分率（%）

31.5

22.4

7.1

1.7

0.5

0.1

100

82-100

67-91

41-75

13-46

7-32

0-11

c.粒径大于1.7mm颗粒的洛杉矶磨耗率不大于30%。

d.粒径大于1.7mm颗粒的硫酸钠溶液浸泡损失率不大于6%。

e.粒径小于0.5mm的细颗粒的液限不大于25%，塑性指数小于6。

f.不得含有黏土及其它杂质。

g.压实标准应符合表2的规定。

表2级配碎石基床表层压实标准

填料

厚度（m）

压实标准

地基系数K30（MPa/m）

变形模量

Ev2（MPa）

动态变形模量Evd（MPa）

Ev2/Ev1

压实系数K

孔隙率n

级配碎石

0.4

≥190

≥120

≥50

（≤2.3）

（0.97）

＜18%

注：

表中（）内数值为参照德铁标准暂定值

②基床底层采用A、B组填料，其压实标准见表3。

表3基床底层填料及压实标准

填料

厚度（m）

压实标准

改良细粒土

砂类土及

细砾土

碎石类及

粗砾土

A、B组填料或改良土

2.3

地基系数K30（MPa/m）

≥110

≥130

≥150

变形模量Ev2（MPa）

≥60

动态变形模量Evd（MPa）

≥35

Ev2/Ev1

（≤2.5）

压实系数K

≥0.95

（≥0.95）

孔隙率n

＜28%

注：

1、压实系数K为重型击实标准；

2、改良土压实标准：

当采用物理方法改良时，应符合本表规定；当采用化学方法改良时，

除符合本表规定外，还应满足设计提出的技术要求。

3、表中（）内数值为参照德铁标准暂定值。

2．基床以下路基填料及压实要求

试验段路基基床以下部分填料采基床底层采用A、B组填料、C组块石类填料或改良土填筑。

（1）细粒土改良方法可根据其塑性指数而定，当塑性指数小于11时，采用掺入3~7%的水泥进行改良处理；当塑性指数大于11时，采用掺入5~8%的石灰进行改良处理。

一般采用厂拌法施工。

（2）A、B组填料通过级配改良或加强施工控制，分层填筑压实用于基床底层和基床以下路堤填筑。

填料的最大粒径不得大于10cm，且满足相应的级配要求，并使层厚均匀和层面平整。

路堤基床以下部分填料压实标准必须符合表4规定，当路堤填高大于8m时，压实标准同基床底层。

路基基床表层、底层及基床以下路基填筑施工的关键技术参数（级配曲线、分层厚度、压实参数等）需通过现场填筑试验确定。

表4基床以下路堤填料及压实标准

填料

压实标准

改良细粒土

砂类土及细砾土

碎石类及粗砾土

A、B、C组（不含细粒土、粉砂及易风化软质岩块）填料及改良土

地基系数K30（MPa/m）

≥90

≥110

≥130

变形模量Ev2（MPa）

≥45

Ev2/Ev1

（≤2.6）

压实系数K

≥0.92

孔隙率n

＜31%

注：

1、压实系数K为重型击实标准；

2、改良土压实标准：

当采用物理方法改良时，应符合本表规定；当采用化学方法改良时，

除符合本表规定外，还应满足设计提出的技术要求；

3、表中（）内数值为参照德铁标准暂定值。

3．路基过渡段填料设计

路基过渡段的形式主要有桥路过渡段（图2）、路堤与横向结构物（立交框构、箱涵）过渡段、路堤路堑过渡段、隧路及桥隧相连地段刚性过渡段和半挖半填路基横向过渡等，各种过渡段分别存在地基的沉降过渡和本体及基床的过渡问题。

过渡段填料设计详见表5。

图2桥路过渡段形式示意图

表5　过渡段填料压实压实标准

速度

填料

压实标准

附注

压实系数K

地基系数K30（MPa/m）

变形模量

Ev2（MPa）

动态变形模量Evd（MPa）

Ev2/Ev1

孔隙率n

350km/h

（无碴轨道路基）

级配碎石

（0.97）

150

（≤2.3）

＜28%

A、B组粗粒土填料

（0.95）

150

（≤2.5）

＜28%

注：

表中（）内数值为参照德铁标准暂定值。

4、清基换填压实检测

武广客运专线设计要求应对地表0.5m左右范围进行清基换填，复合地基加固地段一般换填改良土或普通土，其余地段换填料为A、B组填料或改良土，其压实按以下标准执行：

（1）复合地基桩身加固范围内的回填土压实标准应符合：

压实系数K≥0.9；

（2）无复合地基加固地段，路基回填填料及压实标准应满足表3、表4中路基相应部位压实系数K（改良土）和孔隙率n（碎砾石土）的要求，且Ev2≥60MPa（基床底层范围内）或Ev2≥60MPa（基床底层以下路基内）。

5、路基基底压实检测

武广客运专线路基设计，在工后沉降检算满足要求的前提下，无需进行复合地基加固的非岩质地基地段，采用了25t以上的冲击压实机进行冲击压实（当地基条件不适用时，改用振动碾压）等措施进行地基压实，作为路基填筑前的一道施工处理工序。

根据《客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准》（铁建设函[2005]754号）中的4.1.3条“路堤地基条件符合设计文件，原地面处理应满足所处路堤部位的填筑要求”；以及第4.1.4条“原地面处理前，应对地基地质资料进行核查，路堤地基条件应符合设计文件”的要求，结合武汉工程试验段在DK1232+050~+150现场实测结果，地基冲击压实处理地质核对、适用条件、碾压遍数及检测要求详见文“武广客运专线无碴轨道路基原地基土冲击压实前后检查验收的补充规定”（武广工[2006]64号），检查验收主要内容如下：

（1）施工前进行设计地质资料的核对：

采用静力触探、钻探等手段，进行地层岩性、分层厚度、物性指标、比贯入阻力Ps及地基基本承载力等地质资料的核对，必要时还应进行代表性载荷试验以核对地基土的承载力，评判地基土是否与设计相符，如地基土的地质条件与设计不符是应及时通知设计单位等有关各方，核查或修改设计。

（2）冲击压实的适用条件：

①砂类土、碎石类土、块石土等粗颗粒土采用冲击压实。

②黏性土地基冲击压实适用条件：

A、当地下水位埋深位于地基面以下＜1.5m时，不宜采用冲击压实，应改为25t以上的振动碾压；

B、当地下水位埋深位于地基面以下≥1.5m时，如Ip（塑性指数）＜17，可采用冲击压实处理；

C、当地下水位埋深位于地基面以下≥1.5m时，如Ip（塑性指数）≥17、WL≥45%则取消冲击压实，改为25t以上的振动碾压。

③当存在下列情况，不得采用冲击压实措施，改用25t以上的振动碾压措施：

A、地面以下2~3m范围内存在软土夹层；

B、地层天然含水量大于60%地层；

C、附近受既有建筑物影响（如距桥台、防洪堤、危房或古建筑、支挡构筑物30m范围的路堤段）；

D、已采用复合地基加固的地段。

（3）基底压实检测标准：

路堑基床换填底冲击压实后应满足Ev2≥45MPa；填高大于3m的路堤基底，冲击压实后或清基换填后，应满足Ev2≥45MPa。

（二）工程试验段路基填筑压实实测结果初步分析

1、工程试验段路基填筑压实标准选用说明

压实度K（用于测细粒土压实程度）和孔隙率n（用于测粗粒土压实程度）两个压实参数，在我国使用的时间较长，应用经验丰富，是国内外常用的两个压实参数。

K30是反映路基压实刚度（地基刚度模量）的参数，我国是在80年代未、90年代初从日本引进的，最早用于大秦重载铁路路基检测中，在我国多条新建干线铁路、广深准高速铁路上得到广泛应用，并在秦沈客运专线进行了一系列的实测分析研究，为我国高时速客运专线路基压实检测提供了相应的技术储备。

K30目前在我国测试设备可靠、测试方法成熟、测试规程规范齐全，试验人员测试经验较丰富，是一个成熟可靠的路基压实检测指标。

Ev2是反映路基填料二次静载压缩的特征参数，Evd则是反映路基填料动态压缩的特征参数，是德国高铁在路基填筑施工中主要的压实检测参数，对路基变形要求十分严格的高速铁路来说，采用Ev2和Evd进行路基填筑压实检测是十分必要和较为可靠的，中国目前相应检测参数取值均自德铁相关规范借鉴而来。

另外，德铁填料压实指标中，对应不同的压实度（Dpr），其Ev2与Ev1的比值有不同的要求，一般情况下要求：

①当Dpr≥1时，Ev2/Ev1≤2.3；②当Dpr≥0.98时，Ev2/Ev1≤2.5；③当Dpr≥0.97时，Ev2/Ev1≤2.6；④当2.6＜Ev2/Ev1≤3.5时、且Ev1不小于Ev2规范规定值的60%。

根据工程试验段路基专家会议要求，武汉工程试验段路基除按照《客运专线无碴轨道铁路设计指南》（铁建设[2005]160号）压实标准进行控制外，鉴于德铁填料对压实度均有相应的标准，而中国的规范中目前还没有，因此专家会议要求对级配碎石及A、B组填料进行压实度K测试，用来进行经验积累和中德填料压实标准对比分析研究。

2、工程试验段路基填筑压实实测结果初步分析

武汉工程试验段目前主要进行了A、B填料的室内试验和现场对比试验，根据在DK1231+750~DK1232+150基床底层A、B组碎石土填料的现场实测试验结果如下：

（1）填筑试验粒径选取

①在DK1232+000~DK1232+150初期填筑试验阶段，填筑第1~3层A、B组碎石类填料通过筛孔的最大孔径为100mm、第4~5层A、B组碎石类填料通过筛孔的最大孔径为80mm。

②因前期填筑1~3层时出现K30与Ev2在较多情况下不能同时达到设计要求，第6层填筑时，A、B组碎石类填料通过筛孔的最大孔径调整为60mm（和德铁标准较为接近），室内试验实测其不均匀系数Cu=66.67＞5,曲率系数Cc＝10.67，不在1～3范围，级配不良，大于20mm颗粒含量占40.9％，细粒含量（＜0.075mm）占9.2％，为细角砾B组填料。

（2）实测成果分析

①现场压实厚度为30~35cm，碾压遍数8遍条件下，第1~6层填筑压实检测结果见“路基工程AB组填料施工工艺总结（中铁八局）”附表2，在剔除个别离散较大的值外，实测统计分析结果见表6。

②第1~3层填筑压实检测结果表明：

A.Ev2、Evd、孔隙率n均能达到设计要求，而K30则有不少值未能达到设计标准，进一步增加碾压遍数，方可至达到设计要求（附表数据为增加碾压遍数后的数据）。

在测试的过程中发现一个普遍规律，当K30达不到设计要求时，Ev2/Ev1比值一般不在设计要求的取值范围内。

B.第1～3层Ev2/Ev1比值：

7～8的点有1个，占2.78%；5～7的点有4个，占11.11%；3.5～5的点有9个，占25.0%；2.6～3.5的点有16个，占44.4%；≤2.6的点有6个，占16.67%。

从实测结果来看，1～3层Ev2/Ev1比值满足设计要求仅为22个，占61.11%，有较大的离散性。

造成1～3层Ev2/Ev1比值离散性较大的主要原因：

Ev2检测适用范围同现场的材料不相适应（现场填筑最大粒径达100mm，而Ev2检测要求填料最大粒径不超过检测板直径的1/5，即60mm）；现场填料局部不均匀，人工未及时配合处理；现场检测作业顺序不合理。

③第4~5层只进行了孔隙率检测，符合设计要求。

④在第6层填筑时，严格按照审定施工工艺进行填筑：

①加强填料质量控制，从源头上把好粒径及级配质量关，颗粗最大粒径一般不超过60mm；②细颗粒含量调整为10％左右，含水量控制在4～5％；③采用二次上料方法，先松铺底层25cm,用推土机推平，再铺设剩下的15cm,再用平地机精平，在摊铺碾压过程中必须加强人工补料，确保填料均匀；④采用八遍碾压工艺；⑤严格按制定的检测顺序进行检测。

现场填筑压实检测结果表明：

A.Evd、孔隙率n、K30、Ev2压实实测值均达到了设计要求；

B.第6层Ev2/Ev1比值：

3.5以上的点有1个，占5.8%；2.6～3.5的点有7个，占41.2%；≤2.6的点有9个，占53.0%。

从实测结果来看，第6层Ev2/Ev1比值满足设计要求达16个，占94.8%，基本符合设计要求。

表6A、B组填料压实实测值统计分析表

填筑层序

统计项别

A、B组填料压实参数统计

备注

Evd

（MPa）

K30

（MP/m）

Ev1

（MPa）

Ev2

（MPa）

Ev2/Ev1

孔隙率

n（%）

1层

样本个数

含水量为3.1%

平均值

62.2

261.4

41.2

124.2

3.1

18.7

最大值

78.4

339.0

58.2

174.8

4.3

23.3

最小值

48.5

164.0

20.3

84.3

1.9

12.7

标准差

8.1

62.6

11.0

27.7

0.7

3.3

变异系数

0.13

0.24

0.27

0.22

0.23

0.18

修正系数

0.94

0.89

0.87

0.89

1.11

1.06

标准值

58.5

233.5

35.9

110.9

3.48

19.9

2层

样本个数

含水量为4%

平均值

164.8

255.5

55.9

209.3

4.0

23.3

最大值

247.3

347.0

80.3

235.8

5.7

25.5

最小值

113.6

192.0

39.0

163.4

2.7

18.9

标准差

2.0

变异系数

0.09

修正系数

1.03

标准值

24.0

3层

样本个数

含水量为5%

平均值

67.7

238.7

55.0

205.5

3.8

18.7

最大值

100.9

345.0

79.4

326.9

5.5

25.5

最小值

52.1

162.0

33.9

121.4

2.6

12.6

标准差

13.6

46.7

12.3

50.6

1.0

3.1

变异系数

0.20

0.22

0.25

0.26

0.16

修正系数

0.90

0.91

0.90

0.89

1.12

1.06

标准值

61.2

217.9

49.4

182.1

4.30

19.8

4层

样本个数

含水量为4%

平均值

20.8

最大值

26.3

最小值

14.8

标准差

3.3

变异系数

0.16

修正系数

1.06

标准值

22.0

5层

样本个数

含水量为4%

平均值

20.7

最大值

23.3

最小值

17.0

标准差

1.8

变异系数

0.09

修正系数

1.03

标准值

21.3

6层

样本个数

含水量为5%

平均值

73.87

237.59

80.47

227.11

2.58

19.69

最大值

105.60

352.00

112.24

271.19

4.39

23.30

最小值

45.20

151.00

46.39

161.20

1.16

15.20

标准差

19.02

72.01

14.13

30.09

0.71

2.34

变异系数

0.26

0.30

0.18

0.13

0.27

0.12

修正系数

0.89

0.87

0.92

0.94

1.12

1.04

标准值

65.42

206.66

73.69

214.19

2.89

20.54

（3）根据工程试验段A、B组填料压实指标实测结果分析，结合德国、韩国高铁相关标准，对于A、B组填料压实检测在满足不同填筑部位Ev2力学指标的前提下，原则上考虑Ev2/Ev1比值控制，建议其Ev2/Ev1比值暂按以下标准控制：

一般情况下，Ev2/Ev1≤2.6，当2.6

二、褥垫层设计及压实要求

设计采用碎石褥垫层，目的是通过在路基底面铺设土工合成材料与碎石等组成加筋褥垫层，增强垫层的整体性和刚度，保持基底完整连续，约束地基土侧向变形，均化基底应力分布，调整不均匀沉降，同时碎石褥垫层还具有隔断毛细水与排水作用。

我国现行的设计、施工及质量验收规范、标准等对路基碎石垫层的碎石粒径大小、级配要求及压实标准，没有明确规定或较为模糊。

对于碎石褥垫层的压实标准，《客运专线无碴轨道铁路设计指南》（铁建设[2005]160号）也没有明确规定，但可以理解为达到路基相应部位的压实标准；《客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准》（铁建设函[2005]754号）中的4.3.7条“砂、碎石垫层的压实质量应符合设计要求”。

由于客运专线无碴轨道路基工后沉降一般不应大于15mm，碎石褥垫层厚度达0.5~0.6m，路基填高一般3~6m，褥垫层厚度约为填高的10~20%，我国无碴轨道路基设计一般考虑填料自身沉降在1年内完成、不考虑纳入后期沉降范围，如压实质量不能满足，将影响无碴轨道路基后期沉降，因此，对褥垫层的压实质量应加强控制。

鉴于此，根据《客运专线无碴轨道铁路设计指南》（铁建设函[2005]754号）、《客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准》（铁建设[2005]160号）、《客运专线铁路路基工程技术指南》（TZ212-2005）及国外相关规程规范要求，结合武汉工程试验段DK1237+930～DK1238+000碎石垫层压实工艺性试验成果，初步得出以下关于碎石垫层的相关设计与施工参数：

1、填料材料：

碎石垫层应用碎砾石类填料，且最大粒径不宜大于25mm，在碎砾石中掺入10～12%的石粉或细颗粒，拌合均匀后进行填筑；工程试验段碎石垫层设置形式由下至上为20cm～25cm（碎石）+5cm（砂）+土工格栅+5cm（砂）+20cm～25cm（碎石）。

2、施工工艺要求：

①填料填筑前应进行填料级配实验和击实实验，取得级配曲线范围、最大干密度、最佳含水量等相关参数。

②为防止施工中破坏土工格栅和CFG桩帽，碎石垫层采用25T机具碾压。

先铺底层碎石层，静载碾压经检测达到要求后，铺设5cm中粗砂，整平，铺土工格栅，再铺5cm中粗砂，静压两遍，最后铺设上层碎石层，再碾压经检测达到要求后，进入下步工序施工。

3、压实标准：

中铁八局进行的现场工艺试验结果表明（见表7），孔隙率n、压实度K、Evd三项指标检测值较为稳定；K30与Ev2检测值离散性较大，主要原因是该两项指标测试影响深度为3倍左右板宽（0.9m深）、所测指标反映的是碎石垫层与地基土或CFG桩共同特性，当测试点分别位于CFG桩桩顶、桩间土时，测试结果差异较大。

因此建议将孔隙率n、压实度K、Evd三项指标作为路基碎石垫层控制指标，结合《客运专线无碴轨道铁路设计指南》等相关规程规范的规定，建议武汉工程试验碎石垫层压实指标暂按以下标准执行，并根据武汉工程试验段碎石垫层检测测得的相关参数，进行分析总结，在武广客运专线全线推广应用。

①基床底层：

n≤28%、压实度K≥0.95、Evd≥40MPa；

②基床底层以下路基：

n≤31%、压实度K≥0.92、Evd≥40MPa。

表7碎石垫层三次工艺试验结果汇总表

三、路基沉降观测设计

（一）路基沉降监测剖面及监测元件布置原则

1.观测断面及点的设置原则

1.1路基沉降观测应以路基面沉降和地基沉降观测为主。

1.2观测点应设在同一横断面上，有利于观测点维护，便于集中观测，统一观测频率，更重要的是便于各观测项目数据的综合分析。

1.3路基面观测断面沿线路方向的间距一般不大于50m；地势平坦、地基条件均匀良好的路堑、高度小于5m的路堤可放宽到100m；地形、地质条件变化较大地段及过渡段范围应加密观测断面。

1.4一般路基填筑至路基基床表层顶面，加堆载预压的路堤填筑至基床底层表面后，在路基面设观测桩，进行路基面沉降观测，时间不少于6个月。

根据观测结果，分析评价地基的最终沉降量完成时间，及时调整设计措施使地基处理达到预定的控制要求。

同时作为竣工验收时控制沉降量的依据。

1.5测点及观测元器件的埋设位置应符合设计要求，且标设准确、埋设稳定。

观测期间应对观测点采取有效的保护措施，防止施工机械的碰撞，人为因素的破坏，务必使观测工作能善始善终，取得满意成果。

2观测断面及点的设置、元件布设

观测断面的设置及观测断面的观测内容、元件的布设应根据地形、地质条件、地基压缩层厚度、路堤高度、地基处理方法、堆载预压等具体情况，结合沉降预测方法和工期要求具

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