史衛(wèi)國(guó)，阮 高，陳風(fēng)光，姚云泉

(1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074;2．中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430056)

路基填料工程性質(zhì)的優(yōu)劣直接關(guān)系路基填筑質(zhì)量［1］，我國(guó)高速鐵路路基工程中采用的天然路基填料，大多存在各種缺陷，如水穩(wěn)性差、黏性較高、膨脹率較大等，致使填筑壓實(shí)后，路基的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等不滿(mǎn)足工程要求。因此，常采用在填料中摻入改良劑的方法來(lái)改良填料。路堤填料改良是將粉碎的土和其它添加劑、水進(jìn)行充分拌合，再用機(jī)械壓實(shí)養(yǎng)護(hù)從而形成穩(wěn)定的路堤。目前常采用的添加劑主要有石灰、水泥、粉煤灰、瀝青、合成固化劑、合成樹(shù)脂等［2］。為此本文通過(guò)對(duì)具有代表性的高塑性黏性土的基本物理性質(zhì)、脹縮性、強(qiáng)度進(jìn)行分析，采用添加水泥的方法對(duì)其進(jìn)行改性，研究其物理力學(xué)性質(zhì)、水穩(wěn)定性和強(qiáng)度變化規(guī)律，為確定水泥作為路基填料的最佳摻量提供參考并指導(dǎo)施工。

1 水泥改良作用機(jī)理

由于在實(shí)際工程中水泥是最主要且最常用的工程改良原料［3］，因此這里主要討論水泥材料改良土體的固化機(jī)理。

1)水泥的水解和水化反應(yīng) 當(dāng)用水泥改良土體時(shí)，水泥顆粒表面的礦物很快與土中的水發(fā)生水解和水化反應(yīng)，其過(guò)程如表1所示。

2)離子交換作用 水泥與水反應(yīng)后的膠體中，存在著大量 Ca(OH)2及 Ca2+、OH－，其中 Ca2+及 OH－與土粒表面吸附的金屬離子進(jìn)行吸附交換，降低了黏性土的親水性和塑性，使分散顆粒形成較大的土團(tuán)，在氫氧化鈣的強(qiáng)烈吸附作用下，土團(tuán)進(jìn)一步結(jié)合成鏈條狀結(jié)構(gòu)的水泥土，水泥土封閉了土團(tuán)間的空隙，使其更加堅(jiān)固，從而提高土體強(qiáng)度，減少壓縮性［4］。如式(1)。

表1 水泥的水解和水化反應(yīng)

3)硬凝反應(yīng) 隨著水泥水化反應(yīng)深入，溶液中析出的鈣離子數(shù)量超過(guò)上述離子交換的需要量后，則在堿性的環(huán)境中，組成土體礦物的SiO2和Al2O3的一部分或大部分就能與鈣離子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，逐漸生成不溶于水的穩(wěn)定的結(jié)晶化合物，如式(2)和 式(3)。

這些新生成的化合物在水和空氣中逐漸硬化，增大了水泥土的強(qiáng)度。而且由于其結(jié)構(gòu)比較致密，水分不易浸入，具有足夠的水穩(wěn)定性。

4)碳酸化作用 水泥水化物中游離的氫氧化鈣能吸收水中的二氧化碳，發(fā)生碳酸反應(yīng)，生成不溶于水的碳酸鈣，見(jiàn)式(4)。

這種反應(yīng)生成CaCO3，使得土的分散度降低，壓縮性降低，強(qiáng)度提高，水穩(wěn)定性增強(qiáng)，起到了固化土體的作用。

2 工程特性及改良方案

2.1 黏性土工程特性

工程點(diǎn)的填土屬第四系(Q1－2)黏土，褐黃色，硬塑，富含鐵錳結(jié)核，并含有鈣質(zhì)結(jié)核(砂姜石)，結(jié)構(gòu)較為致密，厚度＞15 m。對(duì)該土進(jìn)行了礦物成分、物理力學(xué)性質(zhì)、脹縮性等多項(xiàng)室內(nèi)試驗(yàn)。該土由多種黏土礦物組成，其中以拜來(lái)石、伊利石為主，含有其它黏性土礦物。土的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。原狀土強(qiáng)度高，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度779 kPa，壓縮性一般，屬中等壓縮性土。水穩(wěn)性差，重夯制樣在浸水飽和后自動(dòng)崩解。濕化試驗(yàn)顯示:原狀土浸水1 h崩解約為35%，浸水24 h崩解約為70%。按照塑、液限指標(biāo)，可將其定名為粉黏土或黏性土。

表2 黏性土物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果匯總

2.2 改良方案

使用水泥改良填料，水泥與土的摻合質(zhì)量比分為3%、5%、7%三種，試驗(yàn)項(xiàng)目包括改良土的物理性質(zhì)、顆粒級(jí)配、水理性質(zhì)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和土的膨脹性指標(biāo)測(cè)定等。

3 改良后土體性能分析

3.1 顆粒級(jí)配的變化

從圖1中可以看出摻水泥改良后，土體顆粒級(jí)配發(fā)生了變化，主要表現(xiàn)在＜0.005 mm的黏粒和膠粒明顯減少，由原來(lái)的34%降低至17%，粉粒含量增加。因?yàn)閾饺胨鄬?dǎo)致了土體顆粒級(jí)配的變化，使土粒的分散度和比表面積減小，從而提高了土體顆粒間的連接力，降低了土體的親水性。

圖1 試驗(yàn)土樣顆粒級(jí)配曲線

3.2 塑性指數(shù)及液限、塑限的變化

黏性土改良后物性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表3。摻入水泥后液限、塑限均有所增加，且塑限增大幅度要大于液限，塑性指數(shù)減小。說(shuō)明黏性土經(jīng)改良后土性發(fā)生了很大的變化。

表3 黏性土改良前后物性指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.3 強(qiáng)度和水穩(wěn)定性的變化

經(jīng)改良后土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到大幅度提高，見(jiàn)表4。由表4可以看出，當(dāng)水泥摻入量 ＜5%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻入量的增加而增大，＞5%時(shí)，強(qiáng)度隨摻入量的增加而減小。因此對(duì)該類(lèi)土而言，摻入水泥5%為最適宜。強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期呈線性增長(zhǎng)，具有較高早期強(qiáng)度，隨養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)幅度較小。經(jīng)改良降低了土體的壓縮性。未經(jīng)改良重夯制樣屬中等壓縮性土，壓縮系數(shù)為0.19 MPa－1，摻入水泥改良后，壓縮系數(shù) ＜0.1 MPa－1，屬低壓縮性土。

黏性土中加水泥后，水穩(wěn)性明顯改善。由表4可見(jiàn)，原狀土浸水后強(qiáng)度明顯降低，強(qiáng)度衰減達(dá)92%，改良后的土體強(qiáng)度衰減41% ～65%。濕化試驗(yàn)顯示，黏性土加入水泥改良后，浸水48 h土樣均無(wú)明顯變化，證明黏性土經(jīng)改良后水穩(wěn)定性有明顯改善。

3.4 最優(yōu)含水率與土密度的變化

圖2為不同水泥摻入量下黏性土的擊實(shí)曲線。由圖2可知，隨著水泥摻入量的增大，改良土的最優(yōu)含水率增加，最大干密度則減小。改良土擊實(shí)曲線斜率比素土小，曲線較平緩，即改良土的干密度隨含水率的變化速率要比素土慢。這比較有利于路基填筑施工過(guò)程中填料含水率的控制［5-8］。

表4 不同水泥摻量時(shí)的土體強(qiáng)度

圖2 素土及改良土擊實(shí)曲線

4 結(jié)論

1)黏性土中摻入3% ～7%水泥改良后，能有效改善其顆粒級(jí)配、塑液限、壓縮性等指標(biāo)，并且力學(xué)強(qiáng)度和水穩(wěn)性大大提高。因此，對(duì)黏性土填料通過(guò)摻入一定量的水泥進(jìn)行改良的方案是可行的。

2)強(qiáng)度試驗(yàn)分析表明，水泥摻入量為5%時(shí)最優(yōu)。但在工程實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)原填料的物理力學(xué)性質(zhì)以及工程要求，合理選擇摻入劑量，也可考慮多種改良劑綜合使用，以保證滿(mǎn)足高速鐵路的強(qiáng)度要求。

［1］ 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):5-6．

［2］ 譚劍鋒．論不良土路基填料改良技術(shù)在廣梧高速公路的應(yīng)用［J］．現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2008(8):397-398．

［3］ 楊廣慶，茍國(guó)利．高速鐵路路基改良土的有關(guān)問(wèn)題［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003(5):15-17

［4］ 申愛(ài)琴．道路工程材料［M］．北京:人民交通出版社，2010:165-167．

［5］ 張保儉．既有線提速改建段路基改良土的試驗(yàn)研究［J］．鐵道建筑，2007(7):60-62．

［6］ 張林洪，吳華金．路基填筑施工技術(shù)［M］．北京:人民交通出版社，2008:115-117．

［7］ 王素靈．水泥改良土路基填筑施工技術(shù)［J］．鐵道建筑，2008(3):56-58．

［8］ 柳墩利，趙有明．擊實(shí)延遲時(shí)間對(duì)水泥改良土壓實(shí)系數(shù)影響的研究［J］．鐵道建筑，2008(8):91-94．