劉瀟敏，何小亮

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

一個(gè)多世紀(jì)以來，鐵路作為一種重要的運(yùn)輸方式得到了長足發(fā)展，尤其是鐵路高速客運(yùn)列車的出現(xiàn)，使鐵路成為航空和公路等交通運(yùn)輸手段強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)和中長期鐵路規(guī)劃網(wǎng)的逐步實(shí)施，我國在黃土地區(qū)相繼開展了高速鐵路、重載鐵路、客運(yùn)專線以及其它鐵路工程的建設(shè)項(xiàng)目。高速鐵路對(duì)軌道平順性的要求非常嚴(yán)格，控制路基工后沉降、不均勻沉降已成為路基工程的核心內(nèi)容。《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621-2009)［1］規(guī)定，從路基竣工驗(yàn)收算起，無砟軌道路基的工后總沉降不宜超過15 mm，同時(shí)要求嚴(yán)格控制差異沉降。而由于黃土屬于C組填料，并屬于特殊性巖土，不符合高速鐵路路基填料的設(shè)計(jì)要求。在缺乏優(yōu)質(zhì)填料的情況下，為使路基工程達(dá)到質(zhì)量要求，保證后續(xù)運(yùn)營的安全穩(wěn)定，如何選擇合適的路基填料顯得尤為重要。為此，本文開展了不同配合比水泥改良黃土的物理力學(xué)試驗(yàn)，研究水泥改良黃土的工程性質(zhì)，驗(yàn)證其是否滿足高速鐵路路基填料的要求。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自某客運(yùn)專線沿線取土場(chǎng)，取樣土層為黃土狀粉土層(Q3):褐黃色，稍濕，稍密，土體大孔發(fā)育，少量針孔，土質(zhì)較均勻，搖震反應(yīng)一般，無光澤，韌性低，含植物根系及零星蝸牛殼碎片?；疚镄灾笜?biāo)見表1。試驗(yàn)所用水泥是秦嶺水泥場(chǎng)生產(chǎn)的硅酸鹽水泥，水泥標(biāo)號(hào)P.O32.5。

表1 試驗(yàn)黃土的基本物性指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

此次黃土的改良主要采用化學(xué)方法，即向重塑黃土中分別摻入4%、5%、6%、7%配合比的水泥來改變黃土的工程性質(zhì)，通過多項(xiàng)室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，判斷改良后黃土作為高速鐵路路基填料使用的適用性，并從中選出室內(nèi)最佳水泥改良配合比。試驗(yàn)嚴(yán)格按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB 10102-2004)［2］、《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ057-94)}進(jìn)行。

1.2.1 液塑限試驗(yàn)

采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀對(duì)摻入水泥的擾動(dòng)黃土分別進(jìn)行液塑限試驗(yàn)，通過試驗(yàn)測(cè)定不同水泥配合比改良黃土的液限、塑限、塑性指數(shù)的變化情況，判定改良黃土與水的結(jié)合程度及其在不同含水率條件下的穩(wěn)定性，從而間接的判定改良黃土的工程性質(zhì)。

1.2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

土體的密實(shí)度和含水率是影響路基填料壓實(shí)效果的兩個(gè)重要因素，同時(shí)也是控制路基填筑質(zhì)量的重要條件。高速鐵路對(duì)路基填筑質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，只有當(dāng)土體處于最大干密度及最優(yōu)含水率時(shí)，才能達(dá)到最好的壓實(shí)效果。因此，本次擊實(shí)試驗(yàn)的目的是求得黃土的最大干密度及最優(yōu)含水率，作為后續(xù)黃土填料研究工作的依據(jù)。根據(jù)實(shí)測(cè)塑限含水率，將風(fēng)干后過0.5 mm篩的土樣，配制成7%、9%、11%、13%、15%、17%、19%七種含水率的重塑樣品，每份樣品重量約為6.5kg。按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB 10102-2004)［2］的要求，選定用重1型擊實(shí)試驗(yàn)。將制備好的試樣分5層擊實(shí)后，稱重并測(cè)定含水率，繪制干密度含水率曲線，確定最優(yōu)含水率(ωop)和最大干密度(ρdmax)。

1.2.3 固結(jié)壓縮試驗(yàn)

取一定量的擾動(dòng)黃土，風(fēng)干過0.5 mm的篩，配制成4%、5%、6%、7%的4種水泥配合比的試樣，試樣含水率為各水泥配合比黃土的最優(yōu)含水率，壓實(shí)系數(shù)K=0.95，試樣尺寸為φ79.8 mm ×h20 mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用12h快速固結(jié)法在標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)儀中進(jìn)行，加荷等級(jí)分別為100、200、300、400 kPa。

1.2.4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是評(píng)價(jià)土體抵抗豎向壓力極限強(qiáng)度的重要力學(xué)指標(biāo)，是路基填料的控制指標(biāo)之一。取一定量的擾動(dòng)黃土，風(fēng)干過0.5 mm的篩，配制成4%、5%、6%、7%的4種水泥配合比的試樣，試樣含水率為各水泥配合比黃土的最優(yōu)含水率，且要求壓實(shí)系數(shù) K=0.95。試樣尺寸為φ50 mm ×h100 mm，試樣配制完成后，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)7 d后在應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀上進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 液塑限

水泥改良黃土的液塑限試驗(yàn)結(jié)果見表2，液塑限、塑性指數(shù)與水泥配合比的關(guān)系見圖1～圖3。

表2 水泥改良黃土的液塑限試驗(yàn)結(jié)果

圖1 液限與水泥配合比關(guān)系

圖2 塑限與水泥配合比關(guān)系

圖3 塑性指數(shù)與水泥配合比關(guān)系

從圖1～圖3可以看出，隨著水泥配合比的增加，改良黃土液塑限值均呈增大趨勢(shì);配合比從0%(重塑黃土)增加到4%，液塑限值增長幅度較小;配合比從4%增加到7%，液塑限值增長幅度較大，尤其當(dāng)配合比超過5%以后，液塑限值的增長速率明顯加快。以液限值隨水泥配合比的變化為例，配合比從0%增加到4%，液限值僅增加了1.6%，配合比從4%增加到5%，液限值增加了2.8%。塑性指數(shù)IP隨著水泥配合比增加的變化與液塑限呈減小的趨勢(shì)，水泥的摻入改善了黃土原來的粉質(zhì)特性，提高了黃土的抗水性。

2.2 擊實(shí)特性

表3為根據(jù)不同配合比水泥改良黃土實(shí)測(cè)擊實(shí)曲線得出的最大干密度及最優(yōu)含水率。圖4和圖5為最優(yōu)含水率和最大干密度隨水泥配合比變化的關(guān)系曲線。

表3 水泥改良黃土的液塑限試驗(yàn)結(jié)果

圖4 最優(yōu)含水率與水泥配合比關(guān)系

圖5 最大干密度與水泥配合比關(guān)系

由圖4可知，改良黃土的最優(yōu)含水率隨水泥配合比的增加整體上呈增大趨勢(shì)。水泥含量從0%增加到4%，最優(yōu)含水率的增長并不明顯;當(dāng)水泥配比超過4%以后，改良黃土的最優(yōu)含水率呈明顯增加趨勢(shì)。原因可能是加入水泥量較少時(shí)，水泥與土反應(yīng)不夠充分，對(duì)最優(yōu)含水率的影響不夠明顯;當(dāng)水泥摻入量超過一定比例后，水泥與黃土發(fā)生較為充分的反應(yīng)，最優(yōu)含水率明顯增長。

由圖5可知，最大干密度隨水泥配合比增加呈緩慢增長趨勢(shì)，整體上變化幅度不大。這是由于素土中摻入水泥后，部分水泥顆粒分散于黏土團(tuán)聚體表面，引起水泥土最大干密度的增大，但由于其所占比例較小，所以最大干密度的增長較為緩慢［4］。

2.3 壓縮特性

不同配合比水泥改良黃土的壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表4。圖6和圖7為水泥改良黃土壓縮系數(shù)及壓縮模量與水泥配合比的關(guān)系曲線。

表4 水泥改良黃土的壓縮試驗(yàn)結(jié)果

圖6 壓縮系數(shù)與水泥配合比關(guān)系

圖7 壓縮模量與水泥配合比關(guān)系

由表4可知，改良后黃土的壓縮系數(shù)較改良前有很大程度的減小，均小于0.1MPa，屬低壓縮性土。這說明摻入水泥后，黃土抵抗壓縮的性能大大提高，有效的減小了水泥改良填料路基的沉降變形。其原因是由于水泥吸附包裹土顆粒形成網(wǎng)絡(luò)格架狀水泥土，通過夯實(shí)后，水泥土顆粒間的孔隙明顯減小，密實(shí)度增大［5］。從圖7中可以看出，隨著水泥配合比的增大，水泥改良黃土的壓縮系數(shù)逐漸減小，而壓縮模量逐漸增大。

2.4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表5為不同水泥配合比改良黃土的7d飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，圖8為水泥改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥配合比的關(guān)系曲線。

表5 水泥改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖8 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥配合比關(guān)系

3 結(jié)論

(1)未經(jīng)改良的重塑黃土其力學(xué)性質(zhì)不能滿足高速鐵路路基設(shè)計(jì)的要求，不能作為路基填料直接使用。

(2)塑性指數(shù)隨水泥配合比的增加呈減小趨勢(shì)，即水泥的摻入改善了黃土原來的粉質(zhì)特性，提高了黃土的抗水性。

(3)水泥改良黃土的最優(yōu)含水率及最大干密度隨水泥配合比的增加基本上呈增大趨勢(shì)。

(4)水泥改良后黃土的壓縮系數(shù)大幅度地減小，均小于0.1MPa，屬低壓縮性土，隨著水泥配合比的增加，改良黃土的壓縮系數(shù)逐漸減小，壓縮模量逐漸增大。

(5)不同水泥配合比改良黃土的7d飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值均大于0.35MPa;隨著水泥配合比的增加，改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯增大。

由以上結(jié)論可知，水泥改良黃土的物理力學(xué)性質(zhì)可以滿足高速鐵路路基填料的設(shè)計(jì)要求，建議采用的配合比為5% ～6%。

［1］鐵道部.高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(TB 10621-2009)［S］.北京:中國鐵道出版社.2009.

［2］鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程(TB 10102-2004)［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［3］交通部.公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程(JTJ057-94)［S］.北京:人民交通出版社.1994.

［4］夏明曉.水泥改良土在洛湛鐵路路基中的應(yīng)用［J］.科協(xié)論壇，2009(6):5-7.

［5］楊忠誠，王毅敏等.水泥改良黃土工程特性的試驗(yàn)研究［J］.路基工程，2006(2)，57-59.