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摘 要 通过对水泥稳定级配碎石填料的形成机理及物理力学性质、水泥稳定级配碎石作为基床填料对路基面沉降量的影响、水泥稳定级配碎石对路基不同层位静动应力衰减，变形特征及沉降稳定时间的定性分析及过渡段沉降观测数据的分析评估，可得出水泥稳定级配碎石作为路基基床填料是可行的，其不但可减小路基工后沉降，还可大大缩减沉降静置观测期。从而极大缩短了客运专线线下结构施工工期，创造巨大经济效益。
关键词 水泥稳定级配碎石；客运专线；路基基床；填料；适用性
中图分类号 U2 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2011)121-0146-03
1 概述
我国铁路正在实现跨越式发展，新建高速客运专线和改造既有铁路提速建设方兴未艾。由于高速行车要求为其提供一个高平顺和稳定的轨下基础，控制变形是路基设计的关键。以往对路基可能产生的变形认识不足，认为路基只要能保证有一定的强度，不致发生稳定破坏，就满足要求。事实证明，路基的变形是制约列车速度的重要因素之一。在低速情况下，路基变形造成的影响很小，即便有不均匀沉降，对于低速行车并不构成严重影响，可以通过起道作业来改善这一问题，这也是长期以来路基不被重视的一个症结所在。在高速情况下，路基在重复荷载作用下所产生的累计沉降和不均匀下沉所造成的轨道不平顺将严重影响列车运行速度、舒适度和线路养护工作量。此外，高速行车过程中路基所产生的弹性变形直接反映到轨面的弹性变形，对列车的高速走行条件也有重要的影响。弹性变形过大则车速不能提高，因而，变形问题成为高速铁路路基的主要控制因素。
水泥稳定级配碎石主要作为高等级公路基层材料，在高速铁路路基中的应用比较少。试验研究表明，级配碎石的回弹模量为200 MPa左右，经3%~6%水泥稳定处理后的回弹模量可达到1 300 MPa~1 800 MPa，后者是前者的6~9倍。国外，常取级配碎石弹性模量为500 MPa，水泥稳定碎石的弹性模量为4 000 MPa ~8 000 MPa，后者为前者的8倍。
众所周知，刚性材料水泥硅的弹性模量为30 000 MPa，水泥稳定碎石的弹性模量介于柔性（级配碎石）和刚性材料（水泥砼）之间，所以，水泥稳定碎石也称为半刚性材料。
水泥稳定级配碎石主要特点是强度和刚度可通过水泥配合比调节，其强度随养护龄期而增长，长期稳定性和耐久性好。
客运专线路基工程设计应体现“先进、成熟、安全、可靠、经济”的原则，高速旅客列车要求路基轨下基础提供高平顺性的轨道系统，从德国针对我国高速铁路设计咨询的成果来看，德、法强调控制路基的不均匀沉降，其追求沉降的目标为不均匀沉降为零；对于无砟轨道路基，德国有更为严格的要求，要求路基的差异沉降为零。由于中德两国的国情不同，德国采用较长的施工周期来达到工后沉降为零的目的（德国200 km左右的高速铁路的工期可能达5～8年），而我国只能采用金钱换时间的办法来尽量消除工后沉降的影响，这就要求对不同路基填料进行详细研究，以期缩短相应工期和减小工后沉降，确保经济安全。
2 水泥稳定级配碎石特性研究
2.1 水泥稳定级配碎石强度的形成原理
1）嵌挤作用。由于水泥稳定级配碎石中的碎石有一定的级配范围，按大小颗粒进行排列组合，并按小颗粒填大颗粒空隙的一级填充一级的原则进行了设计，因此它在外力碾压的作用下，使级配碎石能紧密地嵌固在一起。依靠颗粒之间的嵌挤和摩阻作用而形成的内摩阻力，使其具有一定的强度和稳定性。
2）水泥硬化反应。硅酸盐水泥熟料中的五种矿物分别是硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）、铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）、硫酸钙（CaSO4），水泥矿物质与水发生强烈的水解和水化反应，在水泥颗粒表面生成钙矾石针状晶体、无定型的水化硅酸钙或水化铝酸钙等六方板状晶体，这些是主要的胶结成分。此外，生成的氢氧化钙，从溶液里分离出来积极地参与各种反应。各种水化物生成后，有的自行继续硬化，形成水泥石骨架，有的则与碎石中的其他矿物发生硬凝反应和碳酸化作用。随着时间的推移、水化反应的不断进行，水泥水化生成的胶体在适当的接触点借助分子间里而相互联结，逐渐形成三维的凝聚网状结构，将作为骨料的碎石紧紧地胶结在一起，形成一个坚实地整体，逐渐产生一定的强度，并且强度随着龄期的增大而增大，从而增大了水泥稳定级配碎石的强度
2.2 水泥稳定级配碎石的优缺点
1）水泥稳定级配碎石的优点。水泥稳定级配碎石有良好的板体性、整体性，水稳定性、抗冻性和耐久性，这些方面都较其他稳定土好，强度随龄期增长，力学强度可根据需要进行调整具有强度增长快，受施工季节影响较小，在雨季雨停后即可施工，在冬季上冻之前半个月还能施工。公路基层弯沉试验证明，细小、缝宽不大的干缩裂缝对基层承载能力没有影响。我国碎石和水泥采购方便，而且水泥价格相对比较便宜。
2）水泥稳定级配碎石的缺点。水泥用量超过一定数量，水泥稳定粒料收缩性增大，易产生严重收缩裂缝。由于水泥水化和结硬作用进行比较快，对施工要求比较严格，要求在混合料初凝前较短时间内完成從加水拌和到碾压成型几个主要工序。由于影响水泥稳定粒料强度的因素很多，如原材料级配、水泥剂量、含水量、压实度，故施工控制有一定的难度。水泥稳定级配碎石的施工用水和养生用水比较多，在干旱地区或缺水路段使用困难大，水泥稳定级配碎石存在干缩裂缝和温缩裂缝缺陷。
虽然水泥稳定级配碎石有一定的缺点，但它的优点是其他稳定材料所不及的。因此，从发展趋势来看，水泥稳定级配碎石用于重载交通是有优势的。
3 水泥稳定级配碎石材料特性
通过相关学者及专家对水泥稳定级配碎石中级配曲线、击实试验、无侧限强度试验、回弹模量及渗透性等项目的大量试验可知如下内容。
1）水泥含量为3%~6%的稳定级配碎石在强度、回弹模量、渗透性和压实性等方面均有较大改善，均满足基床表层对材料的要求。
2）水泥稳定级配碎石的无侧限强度和水稳性随水泥含量增加而增加。
3）水泥稳定级配碎石的无侧限强度和水稳性随龄期增加而增加。
4）集料级配对水泥稳定级配碎石的强度影响较大，细粒含量偏小的级配碎石经水泥稳定改良后，其强度明显低于级配良好的级配碎石情况。
5）水泥稳定改良的级配碎石的渗透系数随水泥含量增加而减少，水泥稳定级配碎石具有较好的防渗功能，浸水不易崩解，其水稳定性
极好。
4 水泥稳定级配碎石作为基床填料特性分析
4.1 应力
车辆荷载作用于路面，经基层传递到路基，因此，应力反映基层及路基所受荷载及分散荷载能力的大小。静载时为静应力，动荷载时为动应力。
不论是静载作用还是动荷载作用，各层的动静应力与荷载可用线性关系描述。
σ=kP （1）
式中：σ—应力（kPa），静载时采用σ0，动载时采用σd；
P—荷载（kN），静载时为荷载P，动载时为荷载幅值Pv；
k—拟合参数，与相关结构的刚度有关；静载时为荷载k0，动载时为荷载幅值kd。
由于扩散作用，动静应力沿路基深度衰减。动静应力沿深度变化可用指数式来表示：
σ=ασ1e-βh （2）
式中：σ—应力（kPa）；
σ1—基床表面应力（kPa）；
h—距离基床表面的距离（m）；
α，β—试验常数，与基床刚度有关。
其中：α值基本较接近1。β值受基床刚度影响，随刚度的增加而增加，亦即水泥稳定级配碎石相对于级配碎石或A/B组填料的静动应力沿深度衰减快，相关试验表明，用水泥稳定级配碎石作为基床填料，基床底层静动应力不足其表面的10%。
4.2 变形
1）静载下变形。因武广客专路基地基采用了特殊处理（例如大部分采用CFG桩），使得地基的压缩层的范围和强度发生了很大变化，经过一段时间放置后，地基的后期沉降与路基本体沉降相比比例较小，在工后沉降中已不占主要部分。依据原设计方案，当路基填筑完成后，其表面工后沉降量主要由路基本体产生。当支承层及道床结构作为静载施加在路基面上时，根据上面静载荷沿深度衰减的分析可知，路基本体的沉降主要是基床沉降引起的，当将基床表层级配碎石及底层A/B料用水泥稳定级配碎石替换后，由于水泥稳定级配碎石属半刚性材料，其本身沉降变形几乎可忽略不计，另外，由上面分析知，载荷随深度的衰减的幅度与介质的刚度成正比，因水泥稳定级配碎石的刚度远大于级配碎石和A/B料的刚度，故荷载随深度的衰减幅度较大，施加在路基基床以下土体应力要小于没有替换时的应力，导致相应土体的固结沉降及次固结沉降变小，总的沉降量减小。
2）动载下变形。在车辆荷载作用下，道床、基床均要产生变形。变形分为两部分，一部分是在卸载后，可以恢复的弹性变形，另外一部分是卸载后不能恢复有塑性残余变形。由于半刚性材料基床的弹性模量均在以上，而路基虽然模量较低，但受到的荷载作用相对较小，因此，在荷载作用下，路面和基层的总变形以弹性变形为主，残余塑性变形只是很小的一部分。但残余塑性变形随车辆荷载的作用次数而不断累积增加成为累积永久变形，路基和基床的累积永久变形即为沉降。
采用水泥稳定级配碎石作为基床表层填料，由于刚度提高，在动荷载作用下，不同位置的变形随动荷载时间历程而变化，其波形与动荷载基本相同，有峰值和谷值。动态变形明显降低。
3）累计残余变形。重复加载作用下，累积残余变形与加载次数关系采用下式描述：
（3）
式中：Sp—累積残余变形；
N—加载次数；
α，β—试验常数。
α是初始变形值，与荷载的大小、结构的刚度有关。β是反映各层结构的变形对加载次数的敏感程度，β越大说明对加载次数越敏感。由相关试验可知，α，β值共同影响变形，其中某一参数不能说明变形大小。经过试验可知，刚度大的整体变形较小。
综上所述，采用水泥稳定级配碎石作为路基基床填料具有以下
作用。
1）采用水泥稳定级配碎石基床表层对基床表面的应力影响不大，但能够大幅度降低基床底层及以下的动静应力。
2）采用水泥稳定级配碎石基床表层能够大幅降低动荷载作用时的动变形。
3）采用水泥稳定级配碎石基床表层能够减少基床结构的永久变形，增强轨道结构的稳定性。
4.3 沉降稳定时间
1）路基基床。由水泥稳定级配碎石特性分析可知，该填料填筑完成后，经过较短一段时间后其自身几乎不再发生固结等沉降，趋于稳定，与级配碎石或A/B料相比，大大缩短了沉降稳定的时间。
2）路基基床以下部分。由于水泥稳定级配碎石的刚度增加，导致路基基床、支承层及道床产生的荷载沿深度的衰减幅度增加，在路基基床以下部分的应力减小，进而导致该部分土体主固结及次固结量减小，按稳定的量化指标考虑，可大大缩短其稳定的时间。
3）地基。由于某一地基的特殊处理，并且路基填筑完成后放置了较长时间，其固结沉降已基本完成且趋于稳定，当用水泥稳定级配碎石替换相应填料后，由于刚度增加导致的应力衰减更加速了地基沉降稳定，在一定程度上缩减了沉降稳定期。
5 沉降观测与评估
虽然前面几部分从理论上定量的论述了用水泥稳定级配碎石替换级配碎石和A/B填料使静动应力随深度的衰减幅度增加、总体沉降变形缩小及路基达到稳定的时间缩减，但由于影响沉降的因素较多，目前的沉降计算精度还不足以达到控制无砟轨道工后沉降的要求。因此，在工程设计阶段应对变形测量进行规划、设计，施工时建立线下构筑物变形监测网，对线下构筑物进行变形观测，以及对沉降观测数据进行系统的综合分析与评估，来验证和调整设计参数与措施，使水泥稳定级配碎石路基工程在较短的静止期（一般1个月左右）达到规定的变形控制要求；通过分析、推算出最终的沉降量和工后沉降，合理确定无砟轨道开始铺设时间，达到确保客运专线无砟轨道结构铺设的质量。
为了验证水泥稳定级配碎石作为基床填料的沉降效果，本部分以某一客运专线某一标段中几个过渡段（采用水泥稳定级配碎石+5%水泥）中路基填筑完成1个月沉降观测断面数据为例来分析评估。
5.1 区段工程概况
1）区段工程地质概况。地形地貌：丘陵缓坡及丘间谷地，谷地地形略有起伏，稻田呈缓阶梯状分布，水塘零星，丘坡植被茂密。跨谷地，乡间公路、国道、小河和村民住房。
地层岩性：基岩局部裸露，丘陵覆盖第四系更新统残破积褐黄色粘土、粉质粘土、硬塑厚0～2 m，局部3 m～6 m，100 kPa三级，下部为板溪，群粉砂质板岩，局部谷地泥盆系中统棋子桥组砂页及泥灰岩。地质构造：断层褶皱极发育，主要发育白马垄至梅林桥断褶带，包括：由麻冲背斜，关山诗背斜，龙滑岭逆断层，清水塘逆断层。水文地质特征：丘坡地下水一般不发育，埋深0.3 m～3 m。主要的工程地质问题：桥基采用桩基础，路堤填筑B组改良土。
2）填挖情况与地基处理方式。本评估区段路基包括路堤与路堑，以路堤为主，路堤填土高度为2.3 m～8.9 m，路堑挖方深度为1.8 m～2.3 m，换填深度为1.8 m～2.3 m。过渡段路基断面采用级配碎石+5%水泥填筑。路基段地基处理方式主要为换填。
3）施工过程与沉降变形观测期。本评估段内所有断面观测期为1个月。
4）观测网布置。本评估区段按照《铁路客运专线沉降变形观测系统实施细则》的要求进行观测网的布设和测量，观测网精度达到国家二等水准的要求。
5.2 观测断面工程属性信息汇总表沉降变形观测数据分析与结果
评估区段【DK1593+322.62～DK1602+659.62】设计为无砟轨道，以下按里程桩号顺序，对路基过渡段（级配碎石+5%水泥）沉降变形观测数据进行分析预测。按照《评估技术指南》的要求，具体对观测期、当前观测沉降量、后期沉降发展趋势、预测分析的可靠性和稳定性、最终沉降预测值和工后沉降量进行系统分析和评价。
【DK1596+497.3~DK1596+544.25】路基区段的沉降分析结果汇总
于表1。
5.3 结果分析
1）本段属于过渡段路基，基床全部采用水泥稳定级配碎石（级配碎石+5%水泥）料填筑，填筑完成后静置观测期为1个月。
2）观测桩的当前观测沉降量为0.52 mm～2.19 mm，后期沉降均趋于稳定。
3）各观测断面曲线回归相关系数均大于0.92，满足《评估技术指南》对相关系数的要求。
4）路基填筑完成后，预测时的沉降观测值与预测的最终沉降量（不包含结构层引起的沉降量）之比s（t）/s（∞）在0.77～0.97之间，均大于75%，满足《评估技术指南》对沉降预测时间的要求。
5）考虑轨道结构层引起的沉降量后，计算工后沉降量为0.23 mm~
1.49 mm，远小于容许工后沉降量15 mm，满足《评估技术指南》对工后沉降的要求。
分析表明：本路基段填筑完成后至目前观测期仅1个月，但分析评估后工后沉降量为0.23 mm～1.49 mm，远小于容许工后沉降量15 mm，且后期沉降均趋于稳定。
从上面的分析可知，水泥稳定级配碎石作为基床填料不但减小工后沉降量（某一全线采用级配碎石作为路基基床表层及A/B料作为基床底层的路基工后沉降80%在5 mm~7 mm之间），而且大大缩减了路基填筑完成后的静置期（当采用级配碎石及A/B料作为基床表层及底层时，路基填筑完成后至少四个月沉降才能趋于稳定）。从而达到了用水泥稳定级配碎石作为路基基床填料缩减工期的目的。
6 结论及建议
通过对水泥稳定级配碎石填料的形成机理及物理力学性质、客运专线路基基床厚度确定、水泥稳定级配碎石对路基不同层位静动应力衰减，变形特征及沉降稳定时间的定性分析及过渡段沉降观测数据的分析评估，可得出水泥稳定级配碎石作为路基基床填料具有以下特征。
1）水泥含量为3%~6%的稳定级配碎石在强度、回弹模量、渗透性和压实性等方面均有较大改善，均满足基床表层对材料的要求；水泥稳定级配碎石的无侧限强度和水稳性随水泥含量增加而增加；水泥稳定级配碎石的无侧限强度和水稳性随龄期增加而增加；集料级配对水泥稳定级配碎石的强度影响较大，细粒含量偏小的级配碎石经水泥稳定改良后，其强度明显低于级配良好的级配碎石情况；水泥稳定改良的级配碎石的渗透系数随水泥含量增加而减少，水泥稳定级配碎石具有较好的防渗功能，浸水不易崩解，其水稳定性极好。
2）客运专线路基基床由表层和底层组成，表层厚度一般应为0.7 m，底层约为2.3 m。当采用水泥稳定级配碎石作为路基基床填料时，如果其厚度仍为3.0 m，则路基表面动位移小于用级配碎石和A/B料作为基床表层和底层填料的量值。
3）水泥稳定级配碎石相对于级配碎石或A/B组填料的静动应力沿深度衰减快，相关试验表明，用水泥稳定级配碎石作为基床填料，基床底层静动应力不足其表面的10%。
4）采用水泥稳定级配碎石作为路基基床填料可使路基静动沉降变形总量明显减小。
5）采用水泥稳定级配碎石作为路基基床填料可大大缩短路基（路基基床、路基基床以下部分、地基）沉降稳定的时间。
6）通过某一客专某一标段中的路基过渡段水泥稳定级配碎石基床的沉降观测数据分析评估可知，采用5%水泥+级配碎石作为路基基床填料不但减小路基各部位沉降量，而且大大缩短了路基各部位沉降稳定时间，进而大大节省了工期并提高了路基安全性。
参考文献
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[2]梁立新,封義强,李平.浅述水泥稳定级配碎石基层施工工艺[J].北方交通,2008,
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[5]林青.水泥稳定级配碎石基床结构的动力特性分析[D].西南交通大学,2006.
[6]卿三惠.红层软岩地区高速铁路软基路堤沉降控制研究[D].成都理工大学,2007.
作者简介
刘付仓（1972—），男，工程师，现在中铁十九局集团有限公司武广项目部任总工程师。
关键词 水泥稳定级配碎石；客运专线；路基基床；填料；适用性
中图分类号 U2 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2011)121-0146-03
1 概述
我国铁路正在实现跨越式发展，新建高速客运专线和改造既有铁路提速建设方兴未艾。由于高速行车要求为其提供一个高平顺和稳定的轨下基础，控制变形是路基设计的关键。以往对路基可能产生的变形认识不足，认为路基只要能保证有一定的强度，不致发生稳定破坏，就满足要求。事实证明，路基的变形是制约列车速度的重要因素之一。在低速情况下，路基变形造成的影响很小，即便有不均匀沉降，对于低速行车并不构成严重影响，可以通过起道作业来改善这一问题，这也是长期以来路基不被重视的一个症结所在。在高速情况下，路基在重复荷载作用下所产生的累计沉降和不均匀下沉所造成的轨道不平顺将严重影响列车运行速度、舒适度和线路养护工作量。此外，高速行车过程中路基所产生的弹性变形直接反映到轨面的弹性变形，对列车的高速走行条件也有重要的影响。弹性变形过大则车速不能提高，因而，变形问题成为高速铁路路基的主要控制因素。
水泥稳定级配碎石主要作为高等级公路基层材料，在高速铁路路基中的应用比较少。试验研究表明，级配碎石的回弹模量为200 MPa左右，经3%~6%水泥稳定处理后的回弹模量可达到1 300 MPa~1 800 MPa，后者是前者的6~9倍。国外，常取级配碎石弹性模量为500 MPa，水泥稳定碎石的弹性模量为4 000 MPa ~8 000 MPa，后者为前者的8倍。
众所周知，刚性材料水泥硅的弹性模量为30 000 MPa，水泥稳定碎石的弹性模量介于柔性（级配碎石）和刚性材料（水泥砼）之间，所以，水泥稳定碎石也称为半刚性材料。
水泥稳定级配碎石主要特点是强度和刚度可通过水泥配合比调节，其强度随养护龄期而增长，长期稳定性和耐久性好。
客运专线路基工程设计应体现“先进、成熟、安全、可靠、经济”的原则，高速旅客列车要求路基轨下基础提供高平顺性的轨道系统，从德国针对我国高速铁路设计咨询的成果来看，德、法强调控制路基的不均匀沉降，其追求沉降的目标为不均匀沉降为零；对于无砟轨道路基，德国有更为严格的要求，要求路基的差异沉降为零。由于中德两国的国情不同，德国采用较长的施工周期来达到工后沉降为零的目的（德国200 km左右的高速铁路的工期可能达5～8年），而我国只能采用金钱换时间的办法来尽量消除工后沉降的影响，这就要求对不同路基填料进行详细研究，以期缩短相应工期和减小工后沉降，确保经济安全。
2 水泥稳定级配碎石特性研究
2.1 水泥稳定级配碎石强度的形成原理
1）嵌挤作用。由于水泥稳定级配碎石中的碎石有一定的级配范围，按大小颗粒进行排列组合，并按小颗粒填大颗粒空隙的一级填充一级的原则进行了设计，因此它在外力碾压的作用下，使级配碎石能紧密地嵌固在一起。依靠颗粒之间的嵌挤和摩阻作用而形成的内摩阻力，使其具有一定的强度和稳定性。
2）水泥硬化反应。硅酸盐水泥熟料中的五种矿物分别是硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）、铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）、硫酸钙（CaSO4），水泥矿物质与水发生强烈的水解和水化反应，在水泥颗粒表面生成钙矾石针状晶体、无定型的水化硅酸钙或水化铝酸钙等六方板状晶体，这些是主要的胶结成分。此外，生成的氢氧化钙，从溶液里分离出来积极地参与各种反应。各种水化物生成后，有的自行继续硬化，形成水泥石骨架，有的则与碎石中的其他矿物发生硬凝反应和碳酸化作用。随着时间的推移、水化反应的不断进行，水泥水化生成的胶体在适当的接触点借助分子间里而相互联结，逐渐形成三维的凝聚网状结构，将作为骨料的碎石紧紧地胶结在一起，形成一个坚实地整体，逐渐产生一定的强度，并且强度随着龄期的增大而增大，从而增大了水泥稳定级配碎石的强度
2.2 水泥稳定级配碎石的优缺点
1）水泥稳定级配碎石的优点。水泥稳定级配碎石有良好的板体性、整体性，水稳定性、抗冻性和耐久性，这些方面都较其他稳定土好，强度随龄期增长，力学强度可根据需要进行调整具有强度增长快，受施工季节影响较小，在雨季雨停后即可施工，在冬季上冻之前半个月还能施工。公路基层弯沉试验证明，细小、缝宽不大的干缩裂缝对基层承载能力没有影响。我国碎石和水泥采购方便，而且水泥价格相对比较便宜。
2）水泥稳定级配碎石的缺点。水泥用量超过一定数量，水泥稳定粒料收缩性增大，易产生严重收缩裂缝。由于水泥水化和结硬作用进行比较快，对施工要求比较严格，要求在混合料初凝前较短时间内完成從加水拌和到碾压成型几个主要工序。由于影响水泥稳定粒料强度的因素很多，如原材料级配、水泥剂量、含水量、压实度，故施工控制有一定的难度。水泥稳定级配碎石的施工用水和养生用水比较多，在干旱地区或缺水路段使用困难大，水泥稳定级配碎石存在干缩裂缝和温缩裂缝缺陷。
虽然水泥稳定级配碎石有一定的缺点，但它的优点是其他稳定材料所不及的。因此，从发展趋势来看，水泥稳定级配碎石用于重载交通是有优势的。
3 水泥稳定级配碎石材料特性
通过相关学者及专家对水泥稳定级配碎石中级配曲线、击实试验、无侧限强度试验、回弹模量及渗透性等项目的大量试验可知如下内容。
1）水泥含量为3%~6%的稳定级配碎石在强度、回弹模量、渗透性和压实性等方面均有较大改善，均满足基床表层对材料的要求。
2）水泥稳定级配碎石的无侧限强度和水稳性随水泥含量增加而增加。
3）水泥稳定级配碎石的无侧限强度和水稳性随龄期增加而增加。
4）集料级配对水泥稳定级配碎石的强度影响较大，细粒含量偏小的级配碎石经水泥稳定改良后，其强度明显低于级配良好的级配碎石情况。
5）水泥稳定改良的级配碎石的渗透系数随水泥含量增加而减少，水泥稳定级配碎石具有较好的防渗功能，浸水不易崩解，其水稳定性
极好。
4 水泥稳定级配碎石作为基床填料特性分析
4.1 应力
车辆荷载作用于路面，经基层传递到路基，因此，应力反映基层及路基所受荷载及分散荷载能力的大小。静载时为静应力，动荷载时为动应力。
不论是静载作用还是动荷载作用，各层的动静应力与荷载可用线性关系描述。
σ=kP （1）
式中：σ—应力（kPa），静载时采用σ0，动载时采用σd；
P—荷载（kN），静载时为荷载P，动载时为荷载幅值Pv；
k—拟合参数，与相关结构的刚度有关；静载时为荷载k0，动载时为荷载幅值kd。
由于扩散作用，动静应力沿路基深度衰减。动静应力沿深度变化可用指数式来表示：
σ=ασ1e-βh （2）
式中：σ—应力（kPa）；
σ1—基床表面应力（kPa）；
h—距离基床表面的距离（m）；
α，β—试验常数，与基床刚度有关。
其中：α值基本较接近1。β值受基床刚度影响，随刚度的增加而增加，亦即水泥稳定级配碎石相对于级配碎石或A/B组填料的静动应力沿深度衰减快，相关试验表明，用水泥稳定级配碎石作为基床填料，基床底层静动应力不足其表面的10%。
4.2 变形
1）静载下变形。因武广客专路基地基采用了特殊处理（例如大部分采用CFG桩），使得地基的压缩层的范围和强度发生了很大变化，经过一段时间放置后，地基的后期沉降与路基本体沉降相比比例较小，在工后沉降中已不占主要部分。依据原设计方案，当路基填筑完成后，其表面工后沉降量主要由路基本体产生。当支承层及道床结构作为静载施加在路基面上时，根据上面静载荷沿深度衰减的分析可知，路基本体的沉降主要是基床沉降引起的，当将基床表层级配碎石及底层A/B料用水泥稳定级配碎石替换后，由于水泥稳定级配碎石属半刚性材料，其本身沉降变形几乎可忽略不计，另外，由上面分析知，载荷随深度的衰减的幅度与介质的刚度成正比，因水泥稳定级配碎石的刚度远大于级配碎石和A/B料的刚度，故荷载随深度的衰减幅度较大，施加在路基基床以下土体应力要小于没有替换时的应力，导致相应土体的固结沉降及次固结沉降变小，总的沉降量减小。
2）动载下变形。在车辆荷载作用下，道床、基床均要产生变形。变形分为两部分，一部分是在卸载后，可以恢复的弹性变形，另外一部分是卸载后不能恢复有塑性残余变形。由于半刚性材料基床的弹性模量均在以上，而路基虽然模量较低，但受到的荷载作用相对较小，因此，在荷载作用下，路面和基层的总变形以弹性变形为主，残余塑性变形只是很小的一部分。但残余塑性变形随车辆荷载的作用次数而不断累积增加成为累积永久变形，路基和基床的累积永久变形即为沉降。
采用水泥稳定级配碎石作为基床表层填料，由于刚度提高，在动荷载作用下，不同位置的变形随动荷载时间历程而变化，其波形与动荷载基本相同，有峰值和谷值。动态变形明显降低。
3）累计残余变形。重复加载作用下，累积残余变形与加载次数关系采用下式描述：
（3）
式中：Sp—累積残余变形；
N—加载次数；
α，β—试验常数。
α是初始变形值，与荷载的大小、结构的刚度有关。β是反映各层结构的变形对加载次数的敏感程度，β越大说明对加载次数越敏感。由相关试验可知，α，β值共同影响变形，其中某一参数不能说明变形大小。经过试验可知，刚度大的整体变形较小。
综上所述，采用水泥稳定级配碎石作为路基基床填料具有以下
作用。
1）采用水泥稳定级配碎石基床表层对基床表面的应力影响不大，但能够大幅度降低基床底层及以下的动静应力。
2）采用水泥稳定级配碎石基床表层能够大幅降低动荷载作用时的动变形。
3）采用水泥稳定级配碎石基床表层能够减少基床结构的永久变形，增强轨道结构的稳定性。
4.3 沉降稳定时间
1）路基基床。由水泥稳定级配碎石特性分析可知，该填料填筑完成后，经过较短一段时间后其自身几乎不再发生固结等沉降，趋于稳定，与级配碎石或A/B料相比，大大缩短了沉降稳定的时间。
2）路基基床以下部分。由于水泥稳定级配碎石的刚度增加，导致路基基床、支承层及道床产生的荷载沿深度的衰减幅度增加，在路基基床以下部分的应力减小，进而导致该部分土体主固结及次固结量减小，按稳定的量化指标考虑，可大大缩短其稳定的时间。
3）地基。由于某一地基的特殊处理，并且路基填筑完成后放置了较长时间，其固结沉降已基本完成且趋于稳定，当用水泥稳定级配碎石替换相应填料后，由于刚度增加导致的应力衰减更加速了地基沉降稳定，在一定程度上缩减了沉降稳定期。
5 沉降观测与评估
虽然前面几部分从理论上定量的论述了用水泥稳定级配碎石替换级配碎石和A/B填料使静动应力随深度的衰减幅度增加、总体沉降变形缩小及路基达到稳定的时间缩减，但由于影响沉降的因素较多，目前的沉降计算精度还不足以达到控制无砟轨道工后沉降的要求。因此，在工程设计阶段应对变形测量进行规划、设计，施工时建立线下构筑物变形监测网，对线下构筑物进行变形观测，以及对沉降观测数据进行系统的综合分析与评估，来验证和调整设计参数与措施，使水泥稳定级配碎石路基工程在较短的静止期（一般1个月左右）达到规定的变形控制要求；通过分析、推算出最终的沉降量和工后沉降，合理确定无砟轨道开始铺设时间，达到确保客运专线无砟轨道结构铺设的质量。
为了验证水泥稳定级配碎石作为基床填料的沉降效果，本部分以某一客运专线某一标段中几个过渡段（采用水泥稳定级配碎石+5%水泥）中路基填筑完成1个月沉降观测断面数据为例来分析评估。
5.1 区段工程概况
1）区段工程地质概况。地形地貌：丘陵缓坡及丘间谷地，谷地地形略有起伏，稻田呈缓阶梯状分布，水塘零星，丘坡植被茂密。跨谷地，乡间公路、国道、小河和村民住房。
地层岩性：基岩局部裸露，丘陵覆盖第四系更新统残破积褐黄色粘土、粉质粘土、硬塑厚0～2 m，局部3 m～6 m，100 kPa三级，下部为板溪，群粉砂质板岩，局部谷地泥盆系中统棋子桥组砂页及泥灰岩。地质构造：断层褶皱极发育，主要发育白马垄至梅林桥断褶带，包括：由麻冲背斜，关山诗背斜，龙滑岭逆断层，清水塘逆断层。水文地质特征：丘坡地下水一般不发育，埋深0.3 m～3 m。主要的工程地质问题：桥基采用桩基础，路堤填筑B组改良土。
2）填挖情况与地基处理方式。本评估区段路基包括路堤与路堑，以路堤为主，路堤填土高度为2.3 m～8.9 m，路堑挖方深度为1.8 m～2.3 m，换填深度为1.8 m～2.3 m。过渡段路基断面采用级配碎石+5%水泥填筑。路基段地基处理方式主要为换填。
3）施工过程与沉降变形观测期。本评估段内所有断面观测期为1个月。
4）观测网布置。本评估区段按照《铁路客运专线沉降变形观测系统实施细则》的要求进行观测网的布设和测量，观测网精度达到国家二等水准的要求。
5.2 观测断面工程属性信息汇总表沉降变形观测数据分析与结果
评估区段【DK1593+322.62～DK1602+659.62】设计为无砟轨道，以下按里程桩号顺序，对路基过渡段（级配碎石+5%水泥）沉降变形观测数据进行分析预测。按照《评估技术指南》的要求，具体对观测期、当前观测沉降量、后期沉降发展趋势、预测分析的可靠性和稳定性、最终沉降预测值和工后沉降量进行系统分析和评价。
【DK1596+497.3~DK1596+544.25】路基区段的沉降分析结果汇总
于表1。
5.3 结果分析
1）本段属于过渡段路基，基床全部采用水泥稳定级配碎石（级配碎石+5%水泥）料填筑，填筑完成后静置观测期为1个月。
2）观测桩的当前观测沉降量为0.52 mm～2.19 mm，后期沉降均趋于稳定。
3）各观测断面曲线回归相关系数均大于0.92，满足《评估技术指南》对相关系数的要求。
4）路基填筑完成后，预测时的沉降观测值与预测的最终沉降量（不包含结构层引起的沉降量）之比s（t）/s（∞）在0.77～0.97之间，均大于75%，满足《评估技术指南》对沉降预测时间的要求。
5）考虑轨道结构层引起的沉降量后，计算工后沉降量为0.23 mm~
1.49 mm，远小于容许工后沉降量15 mm，满足《评估技术指南》对工后沉降的要求。
分析表明：本路基段填筑完成后至目前观测期仅1个月，但分析评估后工后沉降量为0.23 mm～1.49 mm，远小于容许工后沉降量15 mm，且后期沉降均趋于稳定。
从上面的分析可知，水泥稳定级配碎石作为基床填料不但减小工后沉降量（某一全线采用级配碎石作为路基基床表层及A/B料作为基床底层的路基工后沉降80%在5 mm~7 mm之间），而且大大缩减了路基填筑完成后的静置期（当采用级配碎石及A/B料作为基床表层及底层时，路基填筑完成后至少四个月沉降才能趋于稳定）。从而达到了用水泥稳定级配碎石作为路基基床填料缩减工期的目的。
6 结论及建议
通过对水泥稳定级配碎石填料的形成机理及物理力学性质、客运专线路基基床厚度确定、水泥稳定级配碎石对路基不同层位静动应力衰减，变形特征及沉降稳定时间的定性分析及过渡段沉降观测数据的分析评估，可得出水泥稳定级配碎石作为路基基床填料具有以下特征。
1）水泥含量为3%~6%的稳定级配碎石在强度、回弹模量、渗透性和压实性等方面均有较大改善，均满足基床表层对材料的要求；水泥稳定级配碎石的无侧限强度和水稳性随水泥含量增加而增加；水泥稳定级配碎石的无侧限强度和水稳性随龄期增加而增加；集料级配对水泥稳定级配碎石的强度影响较大，细粒含量偏小的级配碎石经水泥稳定改良后，其强度明显低于级配良好的级配碎石情况；水泥稳定改良的级配碎石的渗透系数随水泥含量增加而减少，水泥稳定级配碎石具有较好的防渗功能，浸水不易崩解，其水稳定性极好。
2）客运专线路基基床由表层和底层组成，表层厚度一般应为0.7 m，底层约为2.3 m。当采用水泥稳定级配碎石作为路基基床填料时，如果其厚度仍为3.0 m，则路基表面动位移小于用级配碎石和A/B料作为基床表层和底层填料的量值。
3）水泥稳定级配碎石相对于级配碎石或A/B组填料的静动应力沿深度衰减快，相关试验表明，用水泥稳定级配碎石作为基床填料，基床底层静动应力不足其表面的10%。
4）采用水泥稳定级配碎石作为路基基床填料可使路基静动沉降变形总量明显减小。
5）采用水泥稳定级配碎石作为路基基床填料可大大缩短路基（路基基床、路基基床以下部分、地基）沉降稳定的时间。
6）通过某一客专某一标段中的路基过渡段水泥稳定级配碎石基床的沉降观测数据分析评估可知，采用5%水泥+级配碎石作为路基基床填料不但减小路基各部位沉降量，而且大大缩短了路基各部位沉降稳定时间，进而大大节省了工期并提高了路基安全性。
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作者简介
刘付仓（1972—），男，工程师，现在中铁十九局集团有限公司武广项目部任总工程师。