屈耀輝，米維軍，周有祿

（中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

高速鐵路改良黃土填料性質(zhì)與工程實(shí)效研究＊

屈耀輝，米維軍，周有祿

（中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

填料性質(zhì)的優(yōu)劣是黃土地區(qū)高速鐵路控制路基工后沉降的關(guān)鍵因素之一，黃土一般屬等級(jí)較低的C、D組填料。改良黃土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、壓縮等室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，黃土摻入石灰或水泥后，黃土的工程性質(zhì)均得到了明顯的改善，相同摻量的水泥改良黃土較石灰改良黃土的工程性質(zhì)更優(yōu)。通過(guò)開(kāi)展改良黃土路基實(shí)體試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明，采用一定摻量的改良黃土填筑路基完全能滿足高速鐵路對(duì)路基工后沉降的控制要求。

巖土工程；高速鐵路；改良黃土；填料；性質(zhì)；工程實(shí)效

鄭州至西安高速鐵路沿線優(yōu)質(zhì)的A、B類路基填料十分缺乏，可供采用的填料幾乎全部為屬于C、D類的黃土，完全不能滿足高速鐵路對(duì)路基填料的技術(shù)要求[1-4]。鄭西高速鐵路大規(guī)模施工前，開(kāi)展了改良黃土填料物理及力學(xué)性質(zhì)的室內(nèi)試驗(yàn)研究，并通過(guò)開(kāi)展路基實(shí)體試驗(yàn)，對(duì)改良黃土填料的實(shí)際工程效果進(jìn)行了研究。

1 改良黃土填料室內(nèi)試驗(yàn)

本次試驗(yàn)中，水泥改良黃土的試驗(yàn)摻量有三種，分別為3%、5%、7%，石灰改良黃土的試驗(yàn)摻量有四種，分別為3%、5%、7%、9%，現(xiàn)將界限含水率試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)等方面的試驗(yàn)結(jié)果簡(jiǎn)述如下。

1.1 界限含水率試驗(yàn)

素土及改良黃土界限含水率試驗(yàn)的結(jié)果詳見(jiàn)表1，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，石灰改良黃土的塑限、液限和塑性指數(shù)分別為12.82%～14.18%、28.82%～31.20%、15.90～17.02；水泥改良黃土的塑限、液限和塑性指數(shù)分別為13.4%～17.2%、26.0%～30.3%、11.4～13.1。黃土摻入石灰和水泥后，塑限有所降低，而液限和塑性指數(shù)較素土有所增大；相同摻量下石灰改良黃土和水泥改良黃土的界限含水率以及塑性指數(shù)相差不大。

1.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)中改良黃土的壓實(shí)系數(shù)為0.95，分別開(kāi)展了7d、14d、28d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表2。各改良黃土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的對(duì)比詳見(jiàn)圖1～圖3。分析上述圖表來(lái)看，28d齡期四種摻量石灰改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 371.2～577. 2KPa；28d齡期三種摻量水泥改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1060.8～1937KPa，均超過(guò)了1000KPa。對(duì)比來(lái)看，相同摻量下水泥改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均較石灰改良黃土大，為2.8～4.0倍。

表1 試驗(yàn)土樣界限含水率統(tǒng)計(jì)表

表2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表（壓實(shí)系數(shù)0.95）

圖1 7d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比柱狀圖

圖2 14d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比柱狀圖

圖3 28d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比柱狀圖

1.3 壓縮試驗(yàn)

壓縮試驗(yàn)中試樣的壓實(shí)系數(shù)為0.95，試驗(yàn)齡期包括7d、14d和28d，壓縮試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表3。各改良黃土壓縮試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比詳如圖4～圖6所示。分析上述圖表來(lái)看，28d齡期四種摻量石灰改良黃土的壓縮系數(shù)為0.061～0.076MPa-1；28d齡期三種摻量水泥改良黃土的壓縮系數(shù)為0.037～0.047MPa-1。強(qiáng)度隨摻量增加而增大，隨齡期增加而增大。對(duì)比來(lái)看，相同摻量下水泥改良黃土的壓縮系數(shù)均較石灰改良黃土小。

1.4 干濕循環(huán)試驗(yàn)

干濕循環(huán)后各改良黃土試樣的強(qiáng)度損失詳見(jiàn)表4，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比詳見(jiàn)圖7。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，四種摻量石灰改良黃土干濕循環(huán)后試樣的強(qiáng)度損失率為34.8%～49.8%；三種摻量水泥改良黃土干濕循環(huán)后試樣的強(qiáng)度損失率為5.2%～23.1%。對(duì)比來(lái)看，相同摻量下水泥改良黃土干濕循環(huán)后的強(qiáng)度損失均較石灰改良黃土小。

表3 壓縮試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表（壓實(shí)系數(shù)0.95）

表4 干濕循環(huán)試驗(yàn)強(qiáng)度損失統(tǒng)計(jì)表（壓實(shí)系數(shù)0.95）

圖4 7d齡期壓縮指標(biāo)柱狀圖

圖5 14d齡期壓縮指標(biāo)柱狀圖

圖6 28d齡期壓縮指標(biāo)柱狀圖

圖7 干濕循環(huán)后試樣強(qiáng)度損失率柱狀圖

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，相同摻量的水泥改良黃土較石灰改良黃土的工程性質(zhì)普遍要好。

2 改良黃土路基實(shí)體試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)路基概況

依據(jù)改良黃土室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，在陜西省華陰市衛(wèi)峪鄉(xiāng)坪塬村開(kāi)展了路基實(shí)體試驗(yàn)。試驗(yàn)路基填料所用的黃土取自附近正線路塹挖方路段，多為第四系上更新統(tǒng)沖積、洪積和風(fēng)積（Q3）砂質(zhì)黃土、黏質(zhì)黃土和中更新統(tǒng)坡積（Q2）黃土，都屬于C組填料。

試驗(yàn)路基長(zhǎng)140m，高度為4.6m，其中基床以下路堤2.3m，基床底層2.3m，基床以下路堤采用8%的石灰改良黃土填筑，基床底層采用5%的水泥改良黃土填筑，路基橫斷面詳見(jiàn)圖8（圖中基床表層級(jí)配碎石未施工）?；驳讓邮┕ね瓿珊?，填筑預(yù)壓土進(jìn)行堆載預(yù)壓，預(yù)壓土的高度為3m，該高度為無(wú)砟軌道路基上的軌道和列車荷載換算土柱的高度，其中列車荷載按“ZK-活載”考慮，為了便于施工將預(yù)壓土滿鋪于路基頂面，坡率為1:1[5-8]。試驗(yàn)路基共設(shè)了9個(gè)觀測(cè)斷面，斷面編號(hào)為斷面1～斷面9，各斷面均采用CDI-100型多點(diǎn)組合式沉降觀測(cè)儀對(duì)路基進(jìn)行分層沉降觀測(cè)。

圖8 試驗(yàn)路基橫斷面示意圖

2.2 試驗(yàn)路基本體壓縮沉降量分析

試驗(yàn)路基填筑完成后3個(gè)月，路基本體的壓縮沉降量統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表5。

表5 路基本體壓縮沉降量統(tǒng)計(jì)（單位：mm）

分析表5可得：

1）路基填筑完成后3個(gè)月，路基本體的壓縮沉降量為0.0～5.0mm，平均3.0mm，僅占路基填高4.6m的0.65‰。其中基床底層壓縮沉降0.0～2.5mm，平均1.3mm，占基床底層總厚度2.3m的0.57‰?；惨韵侣返虊嚎s沉降0.0～3.0mm，平均1.7mm，占基床以下路堤總厚度2.3m的0.74‰。

2）堆載預(yù)壓條件下的沉降觀測(cè)結(jié)果表明，路基本體壓縮沉降在路基填筑完成后3個(gè)月時(shí)間內(nèi)已經(jīng)完成，其工后沉降基本為零。說(shuō)明采用5%的水泥改良黃土填筑基床底層、8%的石灰改良黃土填筑基床以下路堤的路基填筑方案完全能滿足高速鐵路對(duì)路基工后沉降的控制要求。

3）堆載預(yù)壓條件下，路基本體的壓縮沉降量為0.0～5.0mm，沿縱向比較而言，路基本體的壓縮沉降量雖然在不同區(qū)段存在一些差異，但總的來(lái)說(shuō)，路基本體的壓縮變形還是比較均勻的，由此說(shuō)明路基沿縱向的壓實(shí)度是基本一致的。

3 結(jié)論

1）黃土摻入石灰或水泥后，塑限有所降低，而液限和塑性指數(shù)較素土有所增大。

2）28d齡期3%、5%、7%、9%四種摻量石灰改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為371.2～577.2kPa；28d齡期3%、5%、7%三種摻量水泥改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1060.8～1937kPa。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量增加而增大，隨齡期增加而增大。

3）對(duì)比無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、壓實(shí)試驗(yàn)與干濕循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，相同摻量的水泥改良黃土均較石灰改良黃土的工程性質(zhì)好。

4）堆載預(yù)壓條件下，路基填筑完成后3個(gè)月，路基本體的總壓縮沉降為0.0～5.0mm，平均為3.0mm，僅占路基填高的0.65‰。該沉降在3個(gè)月時(shí)間內(nèi)已經(jīng)完成，其工后沉降基本為零。說(shuō)明采用5%的水泥改良黃土填筑基床底層、8%的石灰改良黃土填筑基床以下路堤的路基填筑方案完全能滿足高速鐵路對(duì)路基工后沉降的控制要求。

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U213.1

國(guó)家科研院所技術(shù)開(kāi)發(fā)研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目（編號(hào)：2010EG123210）；鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2005K001-B-2）