CN111270564A

CN111270564A - 用于高速铁路基床表层的级配碎石配制方法及级配碎石

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Publication number: CN111270564A
Application number: CN202010070999.2A
Authority: CN
Inventors: 叶阳升; 蔡德钩; 程爱君; 韩自力; 张千里; 陈锋; 闫宏业; 姚建平; 郭浏卉; 尧俊凯; 王鹏程; 魏少伟; 马明正; 支洋
Original assignee: China Academy of Railway Sciences Corp Ltd CARS; Railway Engineering Research Institute of CARS; Beijing Tieke Special Engineering Technology Co Ltd
Current assignee: China Academy of Railway Sciences Corp Ltd CARS; Railway Engineering Research Institute of CARS; Beijing Tieke Special Engineering Technology Co Ltd
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2020-06-12
Anticipated expiration: 2040-01-21
Also published as: CN111270564B

Abstract

一种用于高速铁路基床表层的级配碎石配制方法及级配碎石，所述配制方法包括步骤：根据需求初步选定级配碎石的级配；对该初步选定的级配对应的级配碎石进行第一阶段性能验证并调整；对调整后的级配碎石进行结构类型判断，计算其级配曲线；将所述计算所得的级配曲线与初步选定的级配曲线进行对比，并进行第二次调整；然后进行第二阶段性能验证，判断验证结果是否满足预定需求，如果满足，则级配配制结束；如果不满足，则回到所述第一阶段验证和调整的步骤。该配制方法得到的级配碎石具有良好的渗透性能、压实性能等特点，并可有效防治严寒地区高速铁路基床表层的冻胀病害。

Description

用于高速铁路基床表层的级配碎石配制方法及级配碎石

技术领域

本发明涉及高速铁路技术领域，具体涉及一种用于高速铁路基床表层的级配碎石配制方法及所得到的级配碎石。

背景技术

我国铁路级配碎石基床表层是由早期的垫砟层发展而来，垫砟层的功能主要有：降低列车荷载在垫砟底面深度层说产生的应力，使之达到路基顶面允许应力限度之内；减少并吸收列车在轨道中所引起的振动；防止路基冻害；防止路基土和道砟之间的相互渗入和混杂；拦截从道床中留下的雨水，使之流入路基两侧的排水沟或其它排水设施；排出由于毛细作用从路基向上渗出的水分。

现有级配碎石标准如下表1以及图1所示：

表1基床表层级配碎石粒径级配

为防止冻害的产生，在我国第一条穿越高寒地区的高速铁路哈大线的设计施工中采取了一系列的防冻胀措施：1)冻深范围内填筑非冻胀敏感性填料，严格控制细颗粒含量，基床表层采用细颗粒含量不超过5％高压密级配碎石，基床底层采用细颗粒含量不超过15％粗颗粒填料；2)路基面采用钢纤维混凝土封闭，防止地表水下渗，并加强地表水的排除；3)级配碎石基床表层底面设置二布一膜复合土工膜隔水层，进一步防止水对基床底层的影响；4)路堑地段设置渗水盲沟，降低地下水位。然而，哈大高速铁路从建设过程到开通运营期间依然发生了一定的冻胀变形，严重影响了列车运营的安全性，不得不在冬季采取限速措施，以200km/h速度运行，极大降低了高速铁路的运营效率。

因此，本发明提出了一种新的适用于严寒地区高速铁路基床表层的级配碎石及其配制方法，该级配碎石除了能满足基床表层力学性能外，还能够满足路基防冻涨要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于高速铁路基床表层的级配碎石配制方法及所得到的级配碎石，其具有良好的渗透性能、压实性能等特点，并可有效防治严寒地区高速铁路基床表层的冻胀病害。

本发明采用如下的技术方案实现：

本发明的第一方面提供了一种用于高速铁路基床表层的级配碎石的配制方法，包括如下步骤：

根据需求初步选定级配碎石的级配；

对该初步选定的级配对应的级配碎石进行第一阶段性能验证，根据验证结果对所述级配进行第一次调整；

对第一次调整后的级配碎石进行结构类型判断，计算其级配曲线；

将所述计算所得的级配曲线与初步选定的级配曲线进行对比，并根据计算所得的级配曲线对所述初步选定的级配进行第二次调整；

对所述第二次调整后的级配对应的级配碎石进行第二阶段性能验证，判断验证结果是否满足预定需求，如果满足，则级配配制结束；如果不满足，则回到所述第一阶段验证和第一次调整的步骤。

进一步的，所述根据需求初步选定级配碎石的级配的步骤包括：

确定集料的最大粒径；

确定细集料的含量；

确定细料的含量；

确定公称粒径对应筛孔的通过率。

进一步的，所述对该初步选定的级配对应的级配碎石进行第一阶段性能验证，根据验证结果对所述级配进行第一次调整的步骤包括：

对所述初步选定的级配对应的级配碎石进行渗透以及持水率试验，得出级配曲线的上、下限对应的渗透系数和持水率；

根据试验得到的渗透系数和持水率以及预定要求的渗透系数和持水率对所述级配曲线的上、下限进行调整。

进一步的，所述结构类型包括悬浮密实结构、骨架密实结构和骨架孔隙结构。

进一步的，所述级配曲线根据下式计算确定：

p_x＝100(i)^x(％) (1)

式中：级数x＝3.32*lg(D/d_x)；

其中P_x为某粒径d_x集料的通过百分率(％)；i为通过百分率的递减率；D为集料的最大粒径；d_x为某粒径的相应方孔筛孔径。

进一步的，所述i的取值范围为0.7～0.8。

进一步的，所述对所述第二次调整后的级配对应的级配碎石进行第二阶段性能验证，判断验证结果是否满足预定需求，如果满足，则级配配制结束；如果不满足，则回到所述第一阶段验证和第一次调整的步骤包括：

对所述第二次调整后的级配对应的级配碎石分别进行持水试验、渗透试验、以及冻胀敏感性试验，得出级配曲线的上、下限对应的持水率、渗透系数和冻胀率；

根据预定要求的持水率、渗透系数和持水率判断试验得到的持水率、渗透系数和持水率是否满足预定要求：如果满足，则级配配制结束；如果不满足，则回到所述第一阶段验证和第一次调整的步骤。

进一步的，所述第二阶段性能验证还包括级配碎石压实性能试验，包括：

根据级配曲线的上下限计算不均匀系数和曲率系数；

判断不均匀系数和曲率系数是否满足压实要求。

本发明的第二方面提供了一种根据前述的配制方法配制所得的级配碎石，所述级配碎石中各集料的级配为：

粒径0.075mm，过筛质量百分率为0～3％；优选地，过筛质量百分率为0～2％；

粒径0.5mm，过筛质量百分率为8～18％；优选地，过筛质量百分率为12～15％；

粒径1.7mm，过筛质量百分率为18～30％；优选地，过筛质量百分率为20～25％；

粒径7.1mm，过筛质量百分率为37～55％；优选地，过筛质量百分率为43～50％；

粒径22.4mm，过筛质量百分率为66～81％；优选地，过筛质量百分率为72～75％；

粒径31.5mm，过筛质量百分率为77～90％；优选地，过筛质量百分率为80～86％；

粒径45mm，过筛质量百分率为88～100％；优选地，过筛质量百分率为92～100％；

粒径63mm，过筛质量百分率为100％。

进一步的，所述级配碎石中各集料的级配为：

粒径0.075mm，过筛质量百分率为2％；

粒径0.5mm，过筛质量百分率为15％；

粒径1.7mm，过筛质量百分率为25％；

粒径7.1mm，过筛质量百分率为45％；

粒径22.4mm，过筛质量百分率为70％；

粒径31.5mm，过筛质量百分率为80％；

粒径45mm，过筛质量百分率为95％；

粒径63mm，过筛质量百分率为100％。

综上所述，本发明提供了一种用于高速铁路基床表层的级配碎石配制方法及所得到的级配碎石，与现有技术相比，本发明有如下有益的技术效果：

1、本发明的级配碎石具有良好的渗透性。

2、本发明的级配碎石具有较好的压实性能。

3、本发明的级配碎石可有效防治严寒地区高速铁路基床表层的冻胀病害。

附图说明

图1是现有级配碎石的级配标准；

图2是本发明的用于高速铁路基床表层的级配碎石的配制方法流程图；

图3是5mm以下颗粒含量与干密度关系图；

图4是5mm颗粒含量与CBR、三轴抗剪切强度之间的关系图；

图5是0.075mm颗粒含量与强度之间的关系图；

图6是根据表13绘制的级配碎石初选级配曲线；

图7是根据表14绘制的级配碎石初选级配曲线；

图8是初选级配下限持水率试验结果；

图9是初选级配上限持水率试验结果；

图10是第一次调整后的级配碎石级配曲线；

图11是初步选定级配曲线与计算得到的级配曲线对比图；

图12是调整后级配上限持水率试验结果；

图13是调整后级配下限持水率试验结果；

图14是本发明最终的级配碎石级配。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明的第一方面提供了一种用于高速铁路基床表层的级配碎石的配制方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤S100，根据需求初步选定级配碎石的级配；

步骤S200，对该初步选定的级配对应的级配碎石进行第一阶段性能验证，根据验证结果对所述级配进行第一次调整；

步骤S300，对第一次调整后的级配碎石进行结构类型判断，计算其级配曲线；

步骤S400，将所述计算所得的级配曲线与初步选定的级配曲线进行对比，并根据计算所得的级配曲线对所述初步选定的级配进行第二次调整；

步骤S500，对所述第二次调整后的级配对应的级配碎石进行第二阶段性能验证，判断验证结果是否满足预定需求，如果满足，则级配配制结束；如果不满足，则回到所述步骤S200。

进一步的，所述步骤S100中包括：确定集料的最大粒径；确定细集料的含量；确定细料的含量；确定公称粒径对应筛孔的通过率。

具体的，对步骤S100进一步展开进行如下说明。

级配型集料主要通过控制材料的类型、最大粒径、4.75mm、0.425mm、0.075mm的通过率以及现场压实度来控制其质量，以下主要分析最大粒径、4.75mm、0.425mm、0.075mm的通过率等对级配碎石质量的影响。

步骤S110：确定集料的最大粒径

室内试验结果表明：集料的粒径越大，其强度、刚度也就越大，同时可以显著提高抗永久变形能力。用不同最大粒径的密实级配碎石的比较试验结果表明，在同一侧向压力下，级配碎石所能承受的正应力随最大粒径增大而增大。研究表明，最大粒径越大，集料中起骨架作用的粗集料相对较多，从获得级配碎石最大CBR值来看，最大粒径以37.5mm为最佳；而最大粒径为50mm可以获得最大干密度，37.5mm次之，31.5mm最小。

1)国外公路规范关于最大粒径的规定

国外公路方面研究成果表明：良好施工、较大粒径的级配碎石作为基层，可以显著提高路面的强度，路面弯沉较小且在服务期间变化不大，从而显著提高沥青路面结构的抗疲劳性能，并降低了车辙深度。美国LTTP针对大量试验段提出的施工指南要求，级配碎石基层采用高质量的碎石、碎砾石或碎矿渣石，级配为密级配，集料最大粒径以50mm为宜。

但最大粒径越大，在运输、摊铺过程中的粗细颗粒离析会成为主要问题，一旦施工中发生离析，其性能会大大降低。采用较大的粒径时，也不容易机械整平，而且用于拌和及整平的设备容易磨损。工程实践表明最大粒径为37.5mm的级配碎石施工中离析较大，而31.5mm的不易离析，质量均匀，并建议尽量采用31.5mm的级配碎石。我国规范规定对于高等级公路、一级公路基层、上基层采用摊铺机摊铺，但是采用摊铺机摊铺对于采用较大粒径的级配碎石是不利的，不可避免会产生离析，因此国内有关专家偏向于采用最大粒径小一些的级配碎石。

表1各国公路主要级配粒料基层、底基层材料的最大粒径情况

2)我国公路相关规范对最大粒径的规定

我国86基层规范规定了三种最大粒径的级配碎石基层，即40、50、60(园孔筛〕，其中使用最多为40、50mm。我国2000基层施工规范要求，当级配碎石、级配碎砾石用作二级或二级以下道路的基层时，最大粒径为37.5mm，当级配碎石用作一级、高速公路基层或过度层(即上基层)时，最大粒径为31.5mm，各级道路底基层可以采用最大粒径为53，37.5，31.5级配粒料；同时规定对于高等级公路、一级公路基层、级配碎石过度层采用中心拌和站厂拌，并采用摊铺机摊铺和重型压路机碾压为宜。

表2我国公路主要级配粒料基层、底基层材料的最大粒径情况

大陆及台湾地区	基层	底基层
			台湾高公局	50、25	50
台湾省公路局	50	100
			86基层施工规范	40、50、60	53，37.5，31.5
2000基层施工规范	37.5、31.5

3)对国内外公路规范对最大粒径规定的评价

从上表可以看出，各国、地区规范对级配碎石最大粒径规定不尽相同，甚至同一个国家，不同的地区与部门的规定也不完全相同，一般而言基层的最大粒径较底基层的最大粒径小，底基层的粒径较大，特别在潮湿、冰冻地区的底基层采用较大的粒径，如加拿大、英国、北欧地区。

加拿大属于潮湿、冰冻地区。加拿大的大不列颠哥伦比亚州基层一般采用最大粒径为50mm或75mm，厚度为15cm，同时为了提高基层的平整度，一般在级配碎石基层上再铺一层最大粒径为25mm的级配碎石层。其底基层为最大粒径75mm的级配粒料，厚度一般为15cm。而加拿大魁北克州一般采用最大粒径为31.5mm的级配碎石作基层，底基层最大粒径则为80mm。

法国气候相对温和。法国级配碎石为两种，31.5mm和40mm，一般31.5mm作基层，40mm的用于底基层。如果采用摊铺机摊铺施工能保证不会产生材料离析，也可以用40mm作基层。

美国各州、各部门都有相应的级配碎石规范，各规范之间不尽相同。得州采用的最大粒径较大，为45、63mm，ASTM规定只有一种即50mm，美国LTTP针对大量试验段提出的施工指南要求尽量采用最大粒径为50mm。美国联邦公路局推荐三种类型即最大粒径分别为50、37.5、25mm，AASHTO、加州推荐采用50、25mm两种。

4)国内外铁路相关规范对粒径的规定

国内外铁路规范中最大的粒径为法国的铁路路基封堵层，最大粒径为252mm，其它主要集中在30～63mm之间，我国相关设计规范以45mm为主。德国和法国均规定了两种级配结构：一种为密实结构，如德国的KG1，最大粒径为31.5mm，另一种为透水结构，最大粒径为63mm。

表3国内外铁路基床表层级配碎石最大粒径情况

5)高速铁路无砟轨道基床表层级配碎石最大粒径的确定

通过对国内外相关规范的综合分析可知，各国在确定级配碎石最大粒径的过程中，除了考虑最大粒径对级配碎石性能的影响外，还需要考虑具体的气候条件。一般而言,在地区潮湿、冰冻地区采用较大的粒径，如加拿大、英国、北欧地区。

此外，级配碎石的最大粒径与其强度、渗透性等有一定的关系：集料的粒径越大，其强度、刚度也就越大，同时可以显著提高抗永久变形能力；最大粒径越大，集料中起骨架作用的粗集料相对较多，渗透系数也大，如德国的保护层KG2，最大粒径采用了63mm。

研究结果表明：对于低细颗粒含量粗粒土的冻胀，其微观上表现为分布于颗粒骨架接触部位的薄膜水冻结引起的水分微迁移，宏观上表现水分原位原位冻结膨胀，因此，增大其渗透性及降低持水性能对于减小级配碎石冻胀性是有益的。

室内试验数据表明，随着最大粒径的增大，级配碎石渗透系数呈增大趋势，其持水性能呈减少趋势，对于我国严寒地区高速铁路基床表层级配碎石，建议将其最大粒径适当增大。

步骤S120，确定细集料的含量

对于粗细集料的划分，大部分国家或地区将4.75mm筛(或5mm)以下的集料称为细集料,如美国得州、FHWA、ASTM、日本、台湾、印度等，英国为5mm，我国也是按照这一标准进行划分，但也有部分国家将2.36mm或2mm作为划分标准，如加拿大(2.36)、美国AASHTO(2)、荷兰(2)等。

4.75mm(圆孔筛为5mm)集料含量分析

国内外研究资料表明，级配集料中细集料的含量对级配粒料的强度、密实度影响较大。研究表明：5mm以下颗粒含量与干密度关系形成一驼峰曲线，即随着5mm含量的增加，干密度逐渐增加，当5mm含量继续增加超过某一值后(42.5％)，集料的干密度迅速降低，＜5mm颗粒含量与干密度关系见图3。同时研究表明5mm颗粒含量与CBR、三轴抗剪切强度之间的关系也是驼峰关系，在5mm含量最佳值(42.5％)时，CBR、三轴抗剪切强度存在最大值，如图4所示。

1)各国公路规范对4.75mm通过率的规定

表4各国公路级配碎石4.75mm通过率

注：表中除了荷兰45表示为公称粒径外，其余均为最大粒径；

*表示4.75mm通过率是通过插值获得；

⁺表示为园孔筛，筛孔为5mm；

^#表示筛孔为5mm时通过率。

表4为各国级配基层集料4.75mm通过率情况，从中可以看出：

①我国与日本现行公路规范中4.75mm通过率对不同的最大粒径取相同的值，而其它国家则随着最大粒径的减小，4.75mm通过率有所增加；

②对于最大粒径为50mm的级配碎石，4.75mm通过率上限最大值为日本的60，最小值为英国的40，出现频率最多为55；下限最大值为ASTM的35，最小值为25，出现频率最高的为25，其次为30。我国86规范5mm通过率为30～55处于中间，其上限、下限正好分别是以上最大值、最小值的均值，30、55的平均值又正好为42.5；现行规范4.75mm通过率为29～54，是在86年规范园孔筛5mm时通过率上下限基础上转化为方孔筛4.75mm上下限得出的，相对减小了1；

③对于最大粒径为37.5mm的级配碎石，4.75mm通过率上限最大值为日本的65，最小值为法国的45(最大粒径为40mm)；下限最大值为FHWA的39，最小值为法国的21，我国86规范最大粒径40mm的4.75mm通过率为30～55通过率处于中间，其上限、下限正好又分别是以上最大值、最小值的均值，我国2000规范4.75mm通过率为29～54，与原86规范圆孔筛40mm相比，现有规范比86规范的4.75mm通过率上下限都减小了1；

④对于最大粒径为31.5mm的级配碎石4.75mm通过率，日本为30～65，法国为30-53，加拿大魁北克州为35～60，我国现行规范为29～54。各国4.75mm通过率上限除了魁北克州为35，其它基本为30；下限我国与法国接近，日本65为最大；

⑤对于最大粒径为25mm的级配碎石4.75mm通过率，上限最大值为加拿大的70，最小值为55；下限最大值为FHWA的47，最小值为35，应该说对于最大粒径为25mm的级配碎石4.75mm通过率可以取35～55。

2)各国铁路规范中4.75mm通过率的规定

表5各国铁路规范级配碎石4.75mm通过率

由表5可以看出,随着最大粒径的增大，各国基床表层级配碎石中4.75mm(圆孔筛5mm)以下颗粒含量呈减少趋势，但其均值基本在42.5％左右。其中德国、法国采用最大粒径为63mm的级配碎石中，4.75mm以下颗粒含量为30～54，均值为42，与级配碎石强度及密度达到最大值时含量42.5％基本吻合。

综合以上分析，初步拟定我国高速铁路无砟轨道基床表层级配碎石4.75mm颗粒含量上下限分别取值为30、54。

0.425mm(我国0.5mm)集料含量分析

研究表明，级配集料的密实度、强度受集料中0.425mm(我国为0.5mm)集料的通过率影响较大，同时0.425mm(我国0.5mm)以下料的液限和塑性指数对级配集料的水稳定性有重要影响。

我国大量室内试验表明，0.5mm以下颗粒含量与干密度、CBR、三轴抗剪切强度之间呈驼峰关系，在0.5mm含量最佳值时，CBR、三轴抗剪切强度存在最大值，但是在最佳值的左侧，随着0.5mm通过率的降低，三轴强度会迅速下降，即在0.5mm通过率较低的一侧其对三轴强度影响敏感，而在最佳值的右边，相对而言其通过率对三轴强度的影响敏感性低些，因此0.5mm通过率应该取偏大一些较好。

0.425mm以下颗粒液限、塑性指数越大，水稳定性越差，随着塑性指数增大，集料的CBR值迅速下降。在级配碎石中加入少量塑性细土，集料的CBR下降较大，同时相同荷载下的变形也会增大较大，采用塑性指数较低的细料，会明显降低塑性变形或车辙。同时塑性指数较高的细料，其遇水易膨胀，从而降低了材料的透水性和水稳定性，增加了冰冻敏感性。

我国各地几十年来丰富的实践经验表明，级配集料作为沥青混凝土路面的基层，必须严格控制其塑性指数。凡是级配碎石基层材料的塑性指数超过一定值的路段，沥青路面往往会过早破坏，而低塑性的级配碎石使用效果较好。在其它各国多年的实践中也得出同样的结论。

1)各国公路规范对0.425mm通过率的规定

表6各国公路规范级配碎石0.425mm(0.5mm)通过率以及塑性指数要求

注：表中各数据除以下说明外，其数据均为0.425mm通过率；

^#表示数据为通过插值获得的0.425mm通过率；

⁺为我国86规范园孔筛，筛孔为0.5mm；

^*括号内法国规范中0.5mm筛孔通过率，括号外的数据为插值获得的0.425mm时通过率。

2)各国铁路规范对0.425mm通过率的规定

表7各国铁路规范级配碎石0.425mm(0.5mm)通过率以及塑性指数要求

3)0.425mm集料通过率分析

①最大粒径为50mm的0.425mm通过率上限最大值为日本的30，最小为18，一般取18-21左右，下限最大值为10，最小为6，一般取值为8，因此就最大粒径为50mm的0.425mm通过率可以取为8-20，同时可以看出，日本的上下限都较大，因此偏细；

②最大粒径为37.5mm的0.425mm通过率,日本为10-30,FHWA为12-21,法国(最大粒径为40)为4.5-19，我国2000规范为6-17,86规范为10-20。可以看出，日本的上下限都较大，因此偏细；我国现行规范的上限17较低，而86规范10-20或按照以上50mm时的8-20正好处于各规范中间；

③最大粒径为31.5mm的0.425mm通过率,日本为10-30,法国为5.5-21，加拿大魁北克州为10.5-22，我国2000规范为6-17,下限仍然是最低的，按照50mm时的8-20正好在中间；同时可以看出，日本的上下限都较大，因此偏细；

④最大粒径为25mm的0.425mm通过率,FHWA为12-21，加州BC州为7-23，美国加州、台湾高公局为8-25，取8-20应该可以。

⑤世界各国铁路规范与公路规费类似，随着最大粒径的减小，对应的0.425mm通过率有所增加。最大粒径的法国为5-14，最大粒径为63mm的0.425mm通过率为8-24。

⑥根据公路经验，最大粒径为50mm的0.425mm通过率上限一般取18-21左右，下限一般取值为8，对于最大粒径为63mm的级配碎石0.425mm通过率应相应减小，因此，建议我国高速铁路基床表层级配碎石0.425mm通过率取7-20。

4)0.425mm以下集料的液限、塑性指数

从表7可以看出AI以及英国对级配碎石中小于0.425mm颗粒的液限和塑性指数标准定得较高，只有美国得州定的标准最低，一般液限为不大于25％，塑性指数为不大于4～6。

表中除了日本只规定塑性指数、爱尔兰和FHWA只规定液限外，一般都有液限和塑性指数指标。爱尔兰30年的粒料基层使用经验认为，采用基层集料只要满足表中的液限要求，一般都有较好的路用性能，由于塑限测定的重复性较差，因此其现行标准中取消了此项要求。

我国铁路路基设计规范目前液限要求不大于25％，塑性指数为不大于6，根据我国南方多雨地区出现基床翻浆及东北严寒地区基床冻胀病害的现象，建议我国高速铁路基床表层级配碎石中小于0.5mm颗粒液限应不大于25％，塑性指数为0，如果实在难达到无塑性要求，要求最低不大于4。

步骤S130，细料(0.075mm)含量确定

一般将0.075mm(0.063mm)以下料称为细料(fine)。0.075mm通过率对集料的密度和强度影响较为显著。研究表明，随着0.075mm集料通过率增加，级配碎石的干容重增逐渐增大，当达到某一含量后(15％)则干容重又会随着0.075mm集料通过率的增加而迅速减小。

三轴试验结果表明：随着0.075mm集料通过率增加，集料的抗剪强度增加，当达到某一含量(5％)后，抗剪强度达到最大值，其后会随着0.075mm集料通过率的增加而迅速降低。

饱水CBR试验结果表明，集料的CBR值随0.075mm通过率增加而迅速降低，这说明集料中细料越多，其水稳定性就越差。同时对于同一料源的材料，0.075mm通过率越大，级配碎石基层的冻胀值也越大。英国在对级配碎石水稳定性和结构性研究发现，相对于0.075mm集料通过率较高的材料，0.075mm通过率(在级配范围内)较低的集料水稳定性较好，较适合潮湿地区，但其在行车荷载作用下更易于产生变形，前者的整体结构性较好，强度较高，在非潮湿地区表现较好。

CEN即欧洲标准化协会(European Committee for standardization)正在推出适合整个欧洲各国的道路无结合料混合料(包括基层、底基层)规范，其方案见表8。由于欧洲各国对最大细料含量的规定差异性较大，如法国级配碎石中允许采用最大细集料含量的高值10％，同时规定了一个最小的细料含量，为2％；英国则没有具体规定最小的细料含量，即最低可以为0％。

表8欧洲标准化协会最大细料含量类型选择方案

表9各国级配碎石基层0.075mm通过率

国家	基层	国家	基层
				英国	50：0-8	日本	53、37.5、31.5：2-10
美国FHWA	50、37.5、25：4-8	加拿大BC州	75、50、25：0-5
				美国得州	无规定	法国	40、31.5：2-10
美国ASTM<sup>+</sup>	50：0-8	荷兰*	45：0-8
				美国AASHTO	50：2-8	台湾高公局	50、25：2-9
美国加州	50、25：2-9	台湾省公路局	50(甲):2-8
				加拿大魁北克州	31.5：2-7	AI	不大于7
我国2000规范	37.5、31.5：0-7	我国86规范<sup>+</sup>	60、50、40：4-10

*表示细料筛孔为0.063mm；

⁺最终级配中0.075mm通过率不能大于0.6mm通过率的60％；0.075mm通过率在潮湿条件下尽量取低值，同时注意0.02mm通过率不大于3％。

由表9可以看出除了美国得州无规定外，加拿大BC州、ASTM、荷兰、英国0.075mm以及我国现行规范通过率允许采用最低为0的标准，而其它各标准都有0.075mm通过率最低不小于2％的要求。实际上加拿大、荷兰、英国都为潮湿地区，特别是加拿大、荷兰属于冰冻地区，一般采用较大粒径、低细料含量、厚度较厚的级配碎石，甚至采用开级配的级配碎石，以提高其抗冻性能和排水性能，除了以上的荷兰、加拿大，还有北欧地区(包括挪威、瑞典、丹麦、芬兰、冰岛)等国。

而在非冰冻地区如法国、日本以及美国大部分州、欧洲部分国家，一般都建议规定一个最低的0.075mm通过率，从表9可以看出一般不小于2％，FHWA甚至规定最小不得小于4％的要求。

因此，0.075mm通过率应该根据各地具体条件而定，我国86规范规定4-10，而现行规范定为0-7，并规定对于无塑性的细料时，0.075mm通过率尽量取上限。

表10各国铁路规范级配碎石0.075mm(0.063mm)通过率

由表10可见,级配碎石中0.075mm(0.063mm)下限较高的是美国ASTM标准，其次为我国《铁路路基设计规范》及《日本高速铁路路基设计及施工技术》中的规定值。我国及德国、法国高速铁路基床表层级配碎石下限均为0。对于0.075mm上限含量，我国高速铁路设计规范、德国KG1、KG2及法国路基封堵层均为5，其余大都在10左右。

由图5可以看出，0.075mm细颗粒含量在5％左右时，级配碎石的三轴抗剪强度达到最大值，同时承载比值也较高，当0.075mm细粒含量小于5时，三轴抗剪强度会下降较快，但土样承载比较高。

国外潮湿地区，特别是加拿大、荷兰属于冰冻地区，一般采用较大粒径、细料含量低的厚度较厚的级配碎石，甚至采用开级配的级配碎石，以提高其抗冻性能和排水性能，除了以上的荷兰、加拿大，还有北欧地区(包括挪威、瑞典、丹麦、芬兰、冰岛)等国。

综合以上分析，建议0.075mm通过率的确定应该充分考虑0.075mm以下颗粒含量对以上各性能的影响，综合考虑：对于潮湿、冰冻地区尽量取低限，可以为0％；对于其它地区尽量取级配上限，以5～6％为佳。

步骤S140，确定公称粒径对应筛孔的通过率。

实践证明通过控制公称粒径对应筛孔通过率即控制级配集料中超粒径颗粒(即粒径大于公称直径颗粒)，可以减少粗颗粒之间的干扰，增加混合料的均匀性，提高其施工性能，可以减小施工中的离析问题，并便于施工机械的整平，减少施工设备的磨损。但是如果公称粒径对应通过率太高，即粗集料太少，不利于形成稳定的骨架。

表11各国级配碎石公称粒径下的通过率

说明：括号内值为公称粒径。

①最大粒径为50mm对应的公称粒径为37.5mm，其下限最大值为FHWA的97，最小值为加拿大的BC州的80，一般采用95或90；

②最大粒径为37.5mm对应的公称粒径除了FHWA为25，日本、法国、我国现行规范均为31.5mm。其下限最大值为FHWA(插值获得粒径为31.5mm的通过率)的99，最小值为法国的85，日本为95，我国现行规范为90；

③最大粒径为31.5mm对应的公称粒径日本为26.5mm，加拿大魁北克州、法国为20mm，我国现行规范为19mm。通过插值，日本的19mm通过率为75-92.5较低，这样通过率下限最低为日本75，其次为法国和我国现行规范为85，加拿大魁北克州为90；如果都通过插值得出26.5mm通过率，则其通过率都为95～100。

④最大粒径为25mm对应的公称粒径均为19，其下限最大值为FHWA的97，最小值为加拿大BC州的80，美国加州、台湾高公局均为90。

表12各国铁路规范级配碎石公称粒径下的通过率

综合上述分析可知，国内外公路规范中公称粒径下限最小值为80，最大值为97；铁路相关规范中美国的相关规范下限值最大，为97，我国2000规范及日本高速铁路路基设计及施工控制技术中为95，其余规范均在90左右，我国高速铁路设计规范及客运专线级配碎石暂行技术条件下限均取82，针对我国潮湿多雨及严寒地区采用较低细粒含量，因此建议将公称粒径通过率下限提高为88。

综合以上分析，初步拟定出我国高速铁路无砟轨道基床表层级配碎石级配最大粒径、4.75mm、0.425mm、0.075mm控制范围，如表13所示，根据表13绘制出级配碎石初选级配曲线，如图6所示。

表13初选级配碎石级配范围控制点

在表13及图6基础上进行内插，获得不同粒径筛孔下颗粒通过的质量范围，如表14所示。根据表14绘制出级配曲线，如图7所示。

表14基床表层级配碎石粒径级配(初拟值)

进一步的，所述步骤S200包括：

步骤S210，对所述初步选定的级配对应的级配碎石进行渗透以及持水率试验，得出级配曲线的上、下限对应的渗透系数和持水率；

步骤S220，根据试验得到的渗透系数和持水率以及预定要求的渗透系数和持水率对所述级配曲线的上、下限进行调整。

具体的，对步骤S200进一步展开进行如下说明。

对表14中拟定的级配曲线上、下限进行室内渗透及持水率试验，结果见表15以及图8和图9：

表15持水及渗透试验结果

级配曲线	渗透系数	持水率
			上限	9.77×10<sup>-4</sup>cm/s	5.37％
下限	3.42×10<sup>-2</sup>cm/s	2.51％

由表15可以看出，初步拟定的级配曲线上限渗透系数略微偏小，需对拟定的级配曲线上限进行调整。

适当增大级配碎石上限中粗集料含量，降低细集料含量，调整后级配碎石级配如下表16和图10所示：

表16调整后基床表层级配碎石粒径级配

调整级配后级配碎石上限渗透系数为5.13×10-3cm/s，大于5×10-3cm/s的要求。

进一步的，所述步骤S300中的结构类型包括悬浮密实结构、骨架密实结构和骨架孔隙结构。

具体的，压实后的级配碎石随粗细集料含量的变化可分为三种典型的结构类型：悬浮密实结构、骨架密实结构、骨架孔隙结构。

悬浮密实结构：指级配碎石中细集料为主，粗骨料悬浮于细集料中，即为悬浮密实结构，该结构类型中粗集料含量一般在50％左右，细集料含量较多。压实后的级配碎石随粗细集料含量的变化可分为三种典型的结构类型：悬浮密实结构、骨架密实结构、骨架孔隙结构。

骨架孔隙结构：结构中粗骨料相互紧密接触，形成稳定的结构，但细集料含量不足以填满骨料之间的孔隙，即骨架孔隙结构，骨架孔隙结构型混合料与骨架密实型混合料相比具有较高的孔隙率，适用于有较高内部排水要求的情况。

进一步的，结合试验提出一种适合我国铁路路基基床表层级配碎石级配与多级嵌挤密实级配的算法。具体由下式计算：

p_x＝100(i)^x(％) (1)

式中：级数x＝3.32*lg(D/d_x)；

进一步的，所述i的取值范围为0.7～0.8。

根据上述的算法对初步选定的级配碎石上、下限进行计算，计算结果见表17、18。

表17级配碎石下限计算结果

表18级配碎石上限计算结果

粗细集料采用不同的i值进行计算：对于上限，细集料i取0.77，粗集料i取0.80；对于下限，细集料i取0.72，粗集料i取0.76。

由此获得多级嵌挤密实级配曲线，如表19所示：

表19多级嵌挤密实级配曲线

具体的，对步骤S400进行进一步的说明。

将初步选定曲线与级配计算方法获得的级配绘制于同一坐标中，如图11所示。

由图11可以看出，按照级配计算方法计算所得级配曲线上、下限基本吻合，但上限中0.075含量超出初步拟定的级配范围内，且超出值不大，满足多级嵌挤密实的要求，属于骨架密实结构。

对初步选定级配曲线进行修正，对其上限中1.7mm粒径含量进行调整，与计算曲线一致，同时减少计算曲线中0.075mm以下细颗粒含量，修正后级配如下表。

表20修正后级配曲线

进一步的，所述步骤S500包括：

步骤S510，对所述第二次调整后的级配对应的级配碎石分别进行持水试验、渗透试验、以及冻胀敏感性试验，得出级配曲线的上、下限对应的持水率、渗透系数和冻胀率；

步骤S520，根据预定要求的持水率、渗透系数和持水率判断试验得到的持水率、渗透系数和持水率是否满足预定要求：如果满足，则级配配制结束；如果不满足，则回到所述第一阶段验证和第一次调整的步骤S200。

根据级配曲线的上下限计算不均匀系数和曲率系数；

判断不均匀系数和曲率系数是否满足压实要求。

具体的，对步骤S500进行进一步的说明。

由高速铁路无砟轨道基床表层级配碎石受力及变形性能分析可知，高速铁路无砟轨道基床表层所受动应力幅值较小，范围基本在11～16kPa之间，且随车速变化不明显，而抗剪强度、CBR等指标在初步拟定级配曲线时已进行了考虑，因此，本次着重对与级配碎石抗冻胀、翻浆相关性能指标的验证，即级配碎石的持水性能、渗透性能、冻胀敏感性三个指标。

1、级配碎石持水性能验证

对拟定级配上、下限进行持水试验，验证其持水性能能否满足要求，试验结果如表21及图12和图13所示：

表21持水试验结果

级配曲线	持水率
		上限	5.11％
下限	2.51％

由图12和图13及表21结果可知，拟定的级配碎石级配曲线上、下限持水率均小于5.5％，满足要求。

2、级配碎石渗透性能验证

调整级配后级配碎石上限渗透系数为5.33×10-3cm/s，下限渗透系数为3.42×10-2cm/s，大于5×10-3cm/s的要求，满足要求。

3、级配碎石冻胀敏感性验证

对于铁路路基，均匀的冻胀变形对于线路平顺性的影响较小，相对而言，局部的不均变形会对线路的不平顺带来较大影响。从前面的研究可知，对于散粒体材料，其绝对冻胀的控制十分困难，而控制其不均匀冻胀相对容易。

将土样泡入水中饱水后，置于空气中静置24小时，然后进行冻胀试验，可以模拟降雨停止后24h路基的冻胀情况，通过对比试样饱水前后冻胀率的变化，可以分析其冻胀敏感性。表22为拟定级配碎石上下限持水试验前后冻胀试验结果。

表22拟定级配曲线持水试验前后冻胀试验结果

对比分析持水试验前后级配碎石冻胀量变化，持水试验前后拟定级配碎石上下限冻胀率变化不大，表明拟定级配碎石上、下限冻胀敏感性满足要求。

4、级配碎石压实性能

为了便于碾压密实基床表层级配碎石，级配碎石材料应具有一定的不均匀性，根据高速铁路设计规范要求，不均匀系数Cu＝D60/D10不得小于15，曲率系数Cc在1～3之间。而且，为了保证基床表层级配碎石自身的防冻性能，严寒地区级配碎石中不得含有0.075mm以下颗粒。

计算出级配碎石上限、下限两条曲线的不均匀系数及曲率系数。

级配碎石上限：Cu＝D₆₀/D₁₀＝9/0.2＝45

Cc＝(D₃₀)²/(D₆₀*D₁₀)＝(1.6)²/1.8＝1.42

级配碎石下限：Cu＝D₆₀/D₁₀＝18/0.75＝24

Cc＝(D₃₀)²/(D₆₀*D₁₀)＝16/(0.75*18)＝1.18

由计算可知，该级配曲线上、下限不均匀系数、曲率系数均能满足压实要求。

综合以上分析，拟定的级配碎石级配属于骨架密实型级配，其上、下限持水性、渗透性及冻胀敏感性要求，不均匀系数及曲率系数满足压实性能要求，综合以上分析，提出严寒地区高速铁路基床表层级配碎石级配如表23及图14所示：

表23基床表层级配碎石粒径级配

本发明的第二方面提供了一种根据前述的配制方法配制所得的级配碎石，所述级配碎石中各集料的级配就如表23所示，包括：

粒径63mm，过筛质量百分率为100％。

在一个优选的实施例中，所述级配碎石中各集料的级配为：

粒径0.075mm，过筛质量百分率为2％；

粒径0.5mm，过筛质量百分率为15％；

粒径1.7mm，过筛质量百分率为25％；

粒径7.1mm，过筛质量百分率为45％；

粒径22.4mm，过筛质量百分率为70％；

粒径31.5mm，过筛质量百分率为80％；

粒径45mm，过筛质量百分率为95％；

粒径63mm，过筛质量百分率为100％。

1、本发明的级配碎石具有良好的渗透性。

2、本发明的级配碎石具有较好的压实性能。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims

1.一种用于高速铁路基床表层的级配碎石的配制方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据需求初步选定级配碎石的级配；

2.根据权利要求1所述的用于高速铁路基床表层的级配碎石的配制方法，其特征在于，所述根据需求初步选定级配碎石的级配的步骤包括：

确定集料的最大粒径；

确定细集料的含量；

确定细料的含量；

确定公称粒径对应筛孔的通过率。

3.根据权利要求1或2所述的用于高速铁路基床表层的级配碎石的配制方法，其特征在于，所述对该初步选定的级配对应的级配碎石进行第一阶段性能验证，根据验证结果对所述级配进行第一次调整的步骤包括：

4.根据权利要求1-3任一项所述的用于高速铁路基床表层的级配碎石的配制方法，其特征在于，所述结构类型包括悬浮密实结构、骨架密实结构和骨架孔隙结构。

5.根据权利要求1-4任一项所述的用于高速铁路基床表层的级配碎石的配制方法，其特征在于，所述级配曲线根据下式计算确定：

p_x＝100(i)^x(％) (1)

式中：级数x＝3.32*lg(D/d_x)；

6.根据权利要求5所述的用于高速铁路基床表层的级配碎石的配制方法，其特征在于，所述i的取值范围为0.7～0.8。

7.根据权利要求1-6任一项所述的用于高速铁路基床表层的级配碎石的配制方法，其特征在于，所述对所述第二次调整后的级配对应的级配碎石进行第二阶段性能验证，判断验证结果是否满足预定需求，如果满足，则级配配制结束；如果不满足，则回到所述第一阶段验证和第一次调整的步骤包括：

8.根据权利要求7所述的用于高速铁路基床表层的级配碎石的配制方法，其特征在于，所述第二阶段性能验证还包括级配碎石压实性能试验，包括：

根据级配曲线的上下限计算不均匀系数和曲率系数；

判断不均匀系数和曲率系数是否满足压实要求。

9.根据权利要求1-8任一项所述的用于高速铁路基床表层的级配碎石的配制方法配制所得的级配碎石，其特征在于，所述级配碎石中各集料的级配为：

粒径63mm，过筛质量百分率为100％。

10.根据权利要求9所述的用于高速铁路基床表层的级配碎石的配制方法配制所得的级配碎石，其特征在于，所述级配碎石中各集料的级配为：

粒径0.075mm，过筛质量百分率为2％；

粒径0.5mm，过筛质量百分率为15％；

粒径1.7mm，过筛质量百分率为25％；

粒径7.1mm，过筛质量百分率为45％；

粒径22.4mm，过筛质量百分率为70％；

粒径31.5mm，过筛质量百分率为80％；

粒径45mm，过筛质量百分率为95％；

粒径63mm，过筛质量百分率为100％。