提要  以多项科研成果为依据，分析了粉煤灰的工程特性，总结了粉煤灰填筑铁路专用线路堤和修建加筋粉煤灰挡墙的技术措施。并展望在铁路正线建设中应用粉煤灰的可行性、社会效益和经济效益。

关键词粉煤灰铁路路堤加筋土挡墙

1概述

    我国热电厂粉煤灰年排放量接近一亿吨，而利用率只有25％，大量粉煤灰贮入灰场，部分甚至流入江河。不仅占用土地，耗费资金，而且严重污染环境。鼓励粉煤灰的综合利用是国家的一项长期技术经济政策。

    国外对粉煤灰在工程中的应用研究一直很重视。许多发达国家70年代粉煤灰的利用率已经超过50％，80年代以来在土建工程中大量利用粉煤灰作填料。90年代初，日本开始进行粉煤灰作铁路路基填料的研究。在使用石膏添加剂的粉煤灰填筑路基方面有很大进展[1，2]。

    国内对粉煤灰用于工程的研究起步较晚，80年代初，水电部门开始研究粉煤灰贮灰坝和粉煤灰混凝土[3|，而公路部门进行了粉煤灰筑路的研究[4|，并进行了若干路段的原位试验。而后在上海、天津、西安等地大量使用粉煤灰修筑公路路堤。

  然而，粉煤灰在铁路正线建设中的应用至今还是空白。铁路工程中的土石方调配数量大，占用耕地多，能够为粉煤灰的大规模利用（而非作为建筑材料掺加剂的小数额利用）开辟广阔前景。当粉煤灰运价低时，可以考虑用其代替土方填筑路堤。这样，一方面变废为宝，保护了环境，另一方面，减少了耕地的占用量，降低了铁路造价。

    为此，结合工程进行了粉煤灰工程性质的室内试验、粉煤灰填筑铁路路堤的现场压实试验和载荷试验、粉煤灰中加筋条的室内拉拔试验和加筋粉煤灰铁路挡墙现场试验。本文在总结这些成果的基础上探讨粉煤灰用于铁路正线路基建设的可行性和开发研究设想。

2粉煤灰的化学组成和物理力学性质

    为探讨粉煤灰组成成分对其工程性质的影响，对青岛四方、淄博南定两个热电厂的粉煤灰取样进行了全面的室内实验。

2．1  化学组成

    粉煤灰室内实验成果见表1。粉煤灰的化学成分和颗粒级配随燃煤的品种、燃烧设备、燃烧方式和排灰方式的不同而有所不同。但主要成分是s．0，和A|，0 3，两项含量超过70％。一定含量的c a0使得粉煤灰有自凝聚作用，即随着龄期的增长，其强度有所增长。此外还有其它含量较少的盐类。其pH值约为14，呈碱性。高，非饱和粉煤灰的φ值一般超过30度，而且具有一定的粘聚力。对比试验发现，饱和后粉煤灰的强度和变形降低很小，不足5％，证明其水稳性很好。

2．4粉煤灰的击实特性

为了进一步探讨粉煤灰填筑铁路路堤的可行性，确定工程技术措施，1993年在青岛四方电厂专用线修建了一段40 m长的试验路堤。进行了压实试验和承载力试验，施工按课题组推荐的设计断面进行，即堤心填筑素粉煤灰，两侧边坡及堤顶包50 cm厚的砂粘土，分层填筑，人工摊铺，采用光面碾和轮胎式铲运机碾压。碾压试验结果见图2。试验表明：虚铺40 cm，含水量控制在30％左右，碾压5遍，压实系数可达90％以上。试验还发现：一方面粉煤灰的现场可压实性比室内击实试验要好得多，另一方面，轮胎式铲运机和羊足碾优于光面碾。这是粉煤灰的一个重要特征，文献[1]也得出了相似结论。分析其原因，主要是由于粉煤灰类似于粉砂和粉土，在既受剪又受压的应力状态下比只受正压力的应力状态下更容易压实。

3．2承载力试验

    圆形荷载板面积2 500 cm 2，加荷级差50 kPa，最大加荷550 kPa，总压缩量5．7 m m，共进行了两组平行试验。静力触探采用M卜15型静力触探仪，平均贯入阻力为16．1 M Pa，共进行了3组平行试验。由上述两种试验测得路堤的承载力标准值大于160 kPa。可见粉煤灰易于压实，强度高，符合铁路路基设计规范对承载力的要求。由于粉煤灰的强度随龄期增长，因此，上述强度值是最低强度。

3．3试验段运营状况

    试验路堤已运营5年，历经了多次大到暴雨的考验，下沉甚微，也未出现其它病害，状况良好。证明粉煤灰填筑铁路专用线路堤是完全可行的。

    在四方电厂积累经验以后，1994年又在淄博南定电厂用粉煤灰填筑铁路专用线路基，交付运营三年，线路状态完好，无任何不良现象。

3．4利用粉煤灰填筑路堤的技术措施

    粉煤灰填筑铁路专用线路堤不需要专门施工机械，只需采用如下技术措施：

    （1）室内击实试验及现场碾压试验表明，粉煤灰可以在小于最佳含水量较宽的含水量范围内进行施工，这为粉煤灰路基的施工提供了很大的方便。具体的含水量控制是，运输时，最好接近施工含水量，不宜低于20％，以免飞扬；采用重型碾压机械时，施工含水量宜控制在25％～35％；采用轻型碾压机械时，施工含水量宜控制在30％～40％，含水量不足应洒水，过量应凉晒，无论如何不得超过最佳含水量。

   （2）应采用羊足碾或轮胎式碾压机械，不宜使用光面碾。

    （3）在路基两侧及顶部要设置50 cm厚的砂粘土包层。包层必须与粉煤灰同步填筑、同步压实，以使灰土形成一个整体。外包层对粉煤灰的稳定至关重要，运营期间如有冲蚀要及时修补。

    （4）粉煤灰的压实标准为：基床表层95％（木目当于修正普氏标准86％），表层以下90％（木目当于修正普氏标准81％），一般虚铺厚度为30 cm，重型机械表层碾压6～7遍，表层以下5～6遍，轻型机械适当增加2～3遍，即可达到上述要求。

    （5）由于饱和松散粉煤灰有液化现象，因此，路堤底部应高于地下水位或长期滞水0．5 m以上，否则应在粉煤灰以下设置隔水垫层。粉煤灰不得填筑浸水路堤。

4加筋粉煤灰铁路挡墙

    如果粉煤灰能够填筑铁路路堤，也必定能够成为铁路支挡建筑物的填料。有人进行过公路加筋粉煤灰挡墙的研究[5|，但铁路加筋粉煤灰挡墙的研究尚无先例。作为粉煤灰工程性质综合研究项目的一部分，进行了粉煤灰中钢筋混凝土筋条拉拔室内试验和加筋粉煤灰挡墙现场试验。

4．1  室内筋条拉拔试验L6J

    模型槽尺寸为1．08 m×0．47 m×1．o m，采用镀锌铁带和混凝土板两种筋条。共进行了68根次不同埋深、不同密实度和不同含水量粉煤灰中的筋条拉拔试验。

    室内试验得到的一个耐人寻味的结论是，混凝土筋条的视摩擦系数不小于1．5。这一数值比直剪仪中测得的粉煤灰内摩擦系数大得多，也比改造的直剪仪中粉煤灰与混凝土接触面上的视摩擦系数大得多，这一结论也被后来的现场试验所证实。

4．2现场筋条拉拔试验

现场试验工点在青岛四方热电厂铁路专用线上的加筋粉煤灰挡墙。墙高3．4m，长75．6m，矩形面板75 cm×55 cm×1 0 cm，筋条断面为20 cm×7 cm，每一段长1 m，总长4．0～5．0 m。共设三个断面，断面1和断面2为拉拔试验断面，断面3为静力测试断面。每个断面自下而上等距排列5根筋条。现场拉拔试验曲线见图3，由钢筋混凝土筋条的拉拔试验确定的极限摩擦系数平均值为1．526，与室内试验的1．5吻合很好。钢筋混凝土筋条的视摩擦系数比较大的原因是：①筋条表面粗糙，而粉煤灰被碾压后很密实。筋条受拉后引起筋条附近粉煤灰的剪胀是不可避免的。形成筋条附近应力集中，引起视摩擦系数增大。②由于分段连接的钢筋混凝土筋条在铺设时不可能完全平直，在受拉过程中有“被动土压力"的作用，使视摩擦系数增大。

    目前，加筋土工程中视摩擦系数的设计值，一般是将极限视摩擦系数除以2～3的安全系数后得到的。故建议粉煤灰与钢筋混凝土筋条间的视摩擦系数设计值取0．5～o．75。

4．3静力测试试验图4墙板后的侧向土压力分布曲线对试验断面3的静力测试分两步进行。1994年挡墙施工过程中进行监控测试；1995年竣工一年以后进行复测。压力传感器测试内容有墙面板后土压力分布、筋条拉力分布和筋条表面竖向压力分布。

    土压力分布结果见图4。由于加筋土挡墙墙面是柔性结构，墙面各点的位移无规律，因此，墙后的土压力锯齿状分布是正常的。即受筋条约束位移小的位置土压力大；位移大的土压力小。但从总体上看，土压力的合力介于静止土压力与主动土压力之间。按静止土压力设计是偏于安全的。同时也证明，加筋土挡墙“零土压力"的观点是欠妥的。只有当筋条密度较大而墙面板不受限制地外移时，墙后土压力才有可能全部被筋条承担，使墙面板所受的土压力趋于零。但是，为了保持墙体的美观及变形协调，墙面板无限制外移是不允许的，也是不可能的。因此，墙面板配筋时应计入土压力的作用，不然，墙面板有被拉坏的危险。

    从竣工后一年的测试结果可以看出，由于粉煤灰内部应力的调整和粉煤灰长期强度的提高，墙后土压力明显减小。

4．4加筋粉煤灰试验挡墙的运营状况

    竣工至今三年，墙面平整如初，没有凸凹现象。墙顶路基面稳定，未见异常。

4．5加筋粉煤灰挡墙技术要点

    加筋粉煤灰挡墙与普通加筋土挡墙的设计施工基本一致，仅需注意以下问题：①粉煤灰的腐蚀性强，应采用耐腐蚀筋条或对筋条进行防腐处理。使用钢筋混凝土筋条时应在段与段之间的接头处包沥青布防腐。②与粉煤灰路堤相似，在路基顶面和裸露边坡处，包50 cm厚砂粘土保护层。尽量采用羊足碾或轮胎式机械进行碾压。③铺设筋条时，筋条与墙面板卡环连接处务必拉紧，不留有缝隙，以免墙面板产生过大的侧移，导致整个墙面凸凹不平。

5结论

    通过一系列试验和理论研究得出如下结论：

    （1）粉煤灰用作铁路专用线路堤或加筋土挡墙的填料是完全可行的；

    Q）粉煤灰用作填方（尤其是包层后）时，可溶物对环境的污染低于环保部门的限值；

    （3）粉煤灰作填方时其含碳量（即烧失量）可以突破8％的限制；

    （4）粉煤灰压实时，羊足碾和轮胎式机械优于光面碾；

    （5）压实系数为90％时（现行规范），压实粉煤灰承载力不低于160 kPa；

    （6）加筋粉煤灰挡墙的侧向土压力合力大小介于静止与主动土压力之间；

    （7）一系列研究表明，粉煤灰具有容重小、强度高、易于压实、水稳性强等许多优点，用作铁路正线路基填料的前景也是光明的；

    （8）对粉煤灰用于铁路正线路基的主要担心是铁路正线运量大、行车密度高、冲击动载大。动载长期作用下是否会出现诸如“颗粒破碎"、  “积累变形大"等病害。笔者认为，粉煤灰的颗粒很小觇表1），且随着龄期的增长压实粉煤灰具有自凝聚性。与细粒土类似，普通荷载要改变其颗粒结构是不可能的。另一方面，主要承担动载作用的基床表层是粉煤灰的包层，可使用规范规定的标准填料填筑或加固；即使是重载铁路，路基面以下0．5 m处的最大应力也不大于50 kPa，远远低于1 60 kPa。研究证明，压实粉煤灰的变形小于一般粘性土；

    （9）对粉煤灰的另一担心是其液化现象[7]。但液化必须具备两个条件：饱和、松散。只要排水、隔水措施得力，不将粉煤灰用于浸水地区和降雨量富足地区，液化问题也可以避免。

    当务之急是修筑正线路基试验段，用切合实际的方法继续深入研究粉煤灰在列车动载作用下的强度、变形特性和液化特性，以及强度增长与龄期的关系。以便确定用粉煤灰填筑铁路正线路基的适用条件和技术措施。使这一技术尽快在铁路建设中发挥作用。