客運專線水泥改良黃土填料試驗研究

張亞賓 楊有海

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

1 概述

隨著我國鐵路提速及高鐵建設(shè)，新建鐵路設(shè)計施工標(biāo)準(zhǔn)也隨之提高，對路基穩(wěn)定性及工后沉降的要求也越來越高，特別是對黃土地區(qū)高速鐵路路基設(shè)計施工有了極為嚴(yán)格的要求。黃土的工程性質(zhì)非常差，如果直接用黃土填筑路基，會產(chǎn)生嚴(yán)重的路基病害，沉降也難以達(dá)到高鐵及客運專線設(shè)計要求。因此，在黃土地區(qū)修建鐵路時必須要對黃土填料進(jìn)行改良。

關(guān)于黃土填料的改良，羅照新等［1］通過試驗研究改良黃土填料作為高速無砟軌道路基的可行性。姚建平等［2］在黃土填筑試驗中發(fā)現(xiàn)，部分改良黃土壓實度難以滿足壓實要求，但其強(qiáng)度卻滿足要求，并由此提出了黃土的時效性問題。蔣關(guān)魯?shù)龋?］通過室內(nèi)試驗、時效性試驗及填筑壓實試驗研究改良黃土的力學(xué)指標(biāo)和改良后路基的沉降。本文結(jié)合鄭西客運專線建設(shè)，通過室內(nèi)試驗對水泥改良黃土的物理力學(xué)特性進(jìn)行研究，為水泥改良黃土填料設(shè)計提供依據(jù)。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

試驗所用黃土取自鄭西客運專線滎陽市柿園村取土點的黃土，為砂質(zhì)黃土，呈褐黃色，略顯濕密，其物理性質(zhì)見表1。該黃土是非自重濕陷性黃土，濕陷等級為Ⅰ級輕微。

表1 黃土的物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2 試驗內(nèi)容

1)擊實試驗。本試驗采用重型擊實標(biāo)準(zhǔn)，對重塑黃土、摻合比分別為3%，5%，10%，15%的水泥改良黃土進(jìn)行重型擊實試驗，測定試樣在標(biāo)準(zhǔn)擊實功下含水量與干密度之間的關(guān)系，得到擊實曲線，從而確定試樣的最優(yōu)含水率和最大干密度。

2)重塑黃土及改良黃土強(qiáng)度特性試驗。重塑黃土在最優(yōu)含水率下，按壓實系數(shù)η=0.92和η=0.95制備試樣，試樣規(guī)格為直徑39.1 mm，高度80 mm，對重塑黃土做三軸剪切試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。水泥改良黃土采用水泥摻量為3%，4%，5%，6%，壓實系數(shù)為 η =0.92 和 η =0.95，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，28 d，90 d，180 d及不同的養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行三軸剪切試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，對非飽和狀態(tài)下的試件做不固結(jié)不排水三軸剪切試驗、對飽和狀態(tài)下的試件做固結(jié)不排水三軸剪切試驗。

3)干濕循環(huán)試驗。環(huán)境溫度、濕度的變化會導(dǎo)致路基填料含水率發(fā)生變化，這對水敏感較強(qiáng)的黃土影響巨大。降雨后，黃土路基填料吸水飽和，之后又會失水干縮，這種周而復(fù)始的干濕循環(huán)會導(dǎo)致路基填料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。為研究干濕循環(huán)對水泥改良黃土的影響，按壓實系數(shù)η=0.95，制備水泥摻量為3%，5%的水泥改良土試樣，將試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，測定干濕循環(huán)次數(shù)為0次、1次、5次、10次后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 擊實試驗

圖1為重塑黃土和水泥改良黃土干密度與含水量關(guān)系曲線圖。從試驗結(jié)果可以看出，隨著水泥摻量的增加，最優(yōu)含水率逐漸增加，而最大干密度逐漸減小。隨著水泥摻量的增加，最優(yōu)含水率變化不大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因一方面是水泥與黃土發(fā)生水解反應(yīng)和水化反應(yīng)，使黃土的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變;另一方面由于水泥密度小于黃土顆粒密度。故隨水泥摻量增加，水泥改良黃土的密度、最大干密度隨之降低。

3.2 強(qiáng)度特性

3.2.1 重塑黃土強(qiáng)度特性試驗

為研究重塑黃土的強(qiáng)度特性及其影響因素，分別對重塑黃土在不同壓實系數(shù)(η=0.92，η=0.95)下、不同飽和狀態(tài)(飽和、非飽和)下，做固結(jié)不排水三軸剪切試驗和不固結(jié)不排水三軸剪切試驗，圖2～圖5給出了4組應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的試驗結(jié)果。

圖1 重塑黃土及改良黃土擊實曲線

圖2 非飽和重塑黃土應(yīng)力—應(yīng)變曲線（η=0.92）

圖3 飽和重塑黃土應(yīng)力—應(yīng)變曲線（η=0.92）

圖4 非飽和重塑黃土應(yīng)力—應(yīng)變曲線（η=0.95）

圖5 飽和重塑黃土應(yīng)力—應(yīng)變曲線（η=0.95）

從試驗所得到的應(yīng)力—應(yīng)變曲線中可以看出:

1)重塑黃土應(yīng)力—應(yīng)變曲線沒有明顯峰值。在不同壓實系數(shù)及飽和狀態(tài)下，圍壓較小時(σ3=25 kPa，50 kPa)，重塑黃土應(yīng)力—應(yīng)變曲線為軟化型;圍壓較大時(σ3=100 kPa，150 kPa)，重塑黃土應(yīng)力—應(yīng)變曲線為硬化型。

2)壓實系數(shù)越大，應(yīng)力值越大。不論在飽和狀態(tài)下還是非飽和狀態(tài)下，壓實系數(shù)η=0.95時的應(yīng)力值明顯大于壓實系數(shù)η=0.92時的應(yīng)力值。

3)飽和度越大，應(yīng)力值越低。在壓實系數(shù)η=0.92和η=0.95時，飽和土的應(yīng)力值明顯小于非飽和土的應(yīng)力值，可見含水率對黃土的強(qiáng)度影響巨大。飽和狀態(tài)下，重塑黃土強(qiáng)度下降顯著。

4)圍壓大小直接影響試件的破壞強(qiáng)度和破壞形式。圍壓越大，試件破壞時的強(qiáng)度越大。

3.2.2 改良黃土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

為研究水泥改良黃土的強(qiáng)度特性及其影響因素，分別對水泥改良黃土在飽和狀態(tài)、壓實系數(shù)η=0.95下，養(yǎng)護(hù)28 d后做固結(jié)不排水三軸剪切試驗。圖6～圖9給出了4組應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的試驗結(jié)果，從試驗所得到的應(yīng)力—應(yīng)變曲線中可以看出:

1)水泥改良黃土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線具有明顯的峰值，當(dāng)達(dá)到峰值后，其應(yīng)力值顯著下降，顯示出明顯的軟化特性。峰值所對應(yīng)的應(yīng)變ε均小于2%，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞狀態(tài)，并且破壞后的殘余強(qiáng)度依然很大。

圖6 水泥摻量為3%時改良黃土應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖7 水泥摻量為5%時改良黃土應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖8 σ3=50 kPa時改良黃土應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖9 σ3=150 kPa時改良黃土應(yīng)力—應(yīng)變曲線

2)在相同水泥摻量下，隨著圍壓的增加，試件破壞時的峰值大小也隨之增大;在不同水泥摻量下，隨著水泥摻量增加，試件破壞時的峰值大小也隨之增大。

3)在相同圍壓下，隨著水泥摻量的增加，試件破壞時的峰值大小也隨之增大;在不同圍壓下，隨著圍壓增大，試件破壞時的峰值大小也隨之增大。

3.2.3 摻合比對改良黃土抗剪強(qiáng)度的影響

摻合比對水泥改良黃土抗剪強(qiáng)度的影響見表2，試樣是在壓實系數(shù)η=0.95下、含水率為各種摻合比下最優(yōu)含水率下制備的，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，做不固結(jié)不排水三軸剪切試驗，得到試件的大小主應(yīng)力數(shù)值及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

表2 不同摻合比下的強(qiáng)度特性

從表2中可以看出:1)經(jīng)水泥改良后，黃土的抗剪強(qiáng)度顯著提高。水泥改良黃土的強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而增大:當(dāng)水泥摻量較低時，水泥改良黃土的強(qiáng)度增加明顯;當(dāng)水泥摻量較高時，水泥改良黃土的強(qiáng)度增速放緩。2)摻合比的大小對水泥改良黃土在同一圍壓下的各組試件的大主應(yīng)力值影響顯著。3)隨著水泥摻量的增加，內(nèi)摩擦角φ變化不大，粘聚力c變化較大，但都大于重塑黃土的值。這是因為黃土經(jīng)水泥改良后，發(fā)生一系列水解、水化反應(yīng)、碳酸化作用、離子交換和團(tuán)?；饔煤?，在水泥改良土中形成膠體，同時形成水泥石骨架和大粒徑土團(tuán)粒。內(nèi)摩擦角φ作為摩擦強(qiáng)度的反映指標(biāo)，黃土的礦物組成會對其產(chǎn)生較大影響，黃土經(jīng)水泥改良后，其礦物組成并沒有徹底改變，只是發(fā)生了部分變化，故水泥改良黃土的內(nèi)摩擦角φ雖有變化，但變化不大。黃土的粘聚強(qiáng)度主要由水膜的原始凝聚力、膠體的加固凝聚力和基質(zhì)吸力組成，水泥與黃土充分反應(yīng)后，形成土體骨架，加強(qiáng)了土體結(jié)構(gòu)，同時水泥改良土中產(chǎn)生了膠體，因此，水泥改良黃土的粘聚力c增加較大。

3.2.4 齡期對改良黃土抗剪強(qiáng)度的影響

圖10給出了不同摻合比水泥改良黃土在壓實系數(shù)η=0.95的條件下，經(jīng)7 d，28 d，90 d，180 d齡期養(yǎng)護(hù)下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果。從圖中可以看出，水泥改良黃土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值都大于1 MPa，說明其具有足夠的強(qiáng)度。隨著齡期的增長，水泥改良土強(qiáng)度也隨之增長，90 d之前，水泥改良土強(qiáng)度增長較快，90 d后水泥改良土強(qiáng)度增長緩慢，并且隨著水泥摻量的增加，90 d后水泥改良土強(qiáng)度增速明顯放緩。水泥改良黃土早期齡期效應(yīng)顯著，后期齡期效應(yīng)不明顯，即水泥改良黃土具有早強(qiáng)的性質(zhì)。

圖10 水泥改良黃土強(qiáng)度隨齡期的變化圖

3.3 干濕循環(huán)試驗

圖11為壓實系數(shù)η=0.95的條件下，水泥摻量分別為3%，5%的水泥改良黃土在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，進(jìn)行干濕循環(huán)試驗的結(jié)果。干濕循環(huán)作用會引起黃土結(jié)構(gòu)的改變，從而影響其強(qiáng)度特性及水穩(wěn)定性。水泥改良黃土中含有起膠結(jié)作用的可溶鹽，這些膠體為改良黃土提供了較大的剪切強(qiáng)度，干濕循環(huán)過程中，水會溶解部分可溶鹽并稀釋膠體，從而降低水泥改良黃土的強(qiáng)度。其中第1次干濕循環(huán)時，可溶鹽溶解流失最明顯、膠體結(jié)構(gòu)破壞最嚴(yán)重，之后逐漸趨于穩(wěn)定。遇水時黃土骨架顆粒的排列方式會發(fā)生改變，尤其第1次干濕循環(huán)時這種改變最劇烈。因此，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，水泥改良黃土的強(qiáng)度逐漸降低，特別是第1次干濕循環(huán)后，強(qiáng)度會劇烈降低，之后逐漸趨于穩(wěn)定。但是水泥改良黃土在齡期綜合作用下，干濕循環(huán)過程中強(qiáng)度的變化趨于復(fù)雜，其強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加會小幅下降，有時甚至?xí)晕⑸仙?，但其變化幅度不劇烈，其?qiáng)度趨于穩(wěn)定。

圖11 水泥改良黃土的循環(huán)次數(shù)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

4 結(jié)語

1)通過對水泥改良黃土進(jìn)行室內(nèi)試驗，研究表明黃土經(jīng)水泥改良后能有效改善其力學(xué)性能，同時，水泥改良黃土具有較高的強(qiáng)度和良好的穩(wěn)定性，能夠滿足路基對填料的要求。

2)隨著水泥摻量的增加，水泥改良黃土的最優(yōu)含水率逐漸增加，而最大干密度逐漸減小。

3)水泥改良黃土的強(qiáng)度受壓實系數(shù)、摻合比及齡期等因素的影響。當(dāng)水泥摻量較低時，水泥改良黃土的強(qiáng)度增加明顯;當(dāng)水泥摻量較高時，水泥改良黃土的強(qiáng)度增速放緩。水泥改良黃土強(qiáng)度隨齡期增長，并具有早強(qiáng)性質(zhì)。

4)壓實系數(shù)較高的水泥改良黃土具有脆性，其破壞時所對應(yīng)的應(yīng)變ε＜2%，破壞后的殘余強(qiáng)度依然很大。

5)干濕循環(huán)作用下，水泥改良黃土強(qiáng)度會降低，但同時發(fā)生的齡期效應(yīng)會使其強(qiáng)度增加，在這兩種效應(yīng)的綜合作用下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，水泥改良黃土的強(qiáng)度會小幅下降或者略微上升，但其變化幅度不劇烈，其強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

［1］ 羅照新，梁 波.不同埋深的黃土填料特性及改良試驗研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2009，5(125):30-34.

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