高速鐵路軟土路基紅黏土改良試驗研究

馬兵林

中鐵十八局集團市政工程有限公司 天津 300222

紅黏土的承載能力較差，且遇水易流失，因此在該地區(qū)進行高速鐵路建設時，需要采取一定的措施對路基軟土進行改良[1-3]。

目前，我國南方地區(qū)鐵路建設快速發(fā)展，各領域專家學者們也針對鐵路軟土路基改良展開了積極研究。

劉蓓[4]基于數(shù)值模擬軟件Abaqus及雙曲線回歸理論對某鐵路軟土路基的變形作出了預測，認為鐵路的軟土路基最大變形點在路基中軸線處，且在距離路基中心線一定距離處會出現(xiàn)地表隆起現(xiàn)象。

賀文波[5]依托滬通鐵路軟土地基加固工程，采用Abaqus軟件深入分析旋噴樁在鐵路軟土加固工程中的效果，發(fā)現(xiàn)軟土地基加樁后最大沉降量相對減小41%，旋噴樁對軟土地基的改良與加固效果顯著。

對于紅黏土路基的處理，周海蕓等[6]提出紅黏土路基碾壓時的含水率在26%～28%之間最佳，秦雨航[7]認為ISS固化劑能夠大幅弱化紅黏土的膨脹性能，并增強紅黏土的抗剪切性能與抗壓強度。部分學者認為摻加一定的建筑材料或廢渣亦能夠提升紅黏土的路用性能，李佳明等[8]指出摻加一定量的納米石墨粉可使紅黏土的抗剪強度提升3.4%～16.6%，紅黏土的承載能力大幅提高；董薇等[9]基于室內試驗結果，指出在江西地區(qū)紅黏土中加入20%砂進行改良后，紅黏土的承載能力得到了提升，且其收縮開裂現(xiàn)象也得到了明顯的改善。

上述針對高速鐵路軟土路基的改良研究大多數(shù)從數(shù)值模擬研究出發(fā)，而有機纖維作為無污染、低成本材料，在軟土路基改良中的研究卻很少涉及[10-11]。

本文以某高速鐵路軟土路基為例，通過引入聚丙烯纖維材料改良軟土路基新技術，設計不同有機纖維摻量、不同圍壓下的紅黏土三軸不固結不排水強度的室內試驗，以研究有機纖維材料對軟土的改良效果，為鐵路軟土路基的改良提供一定的支撐。

1 試驗設計

1.1 試樣制備

本次土的性質改良試驗所用紅黏土取自我國某地區(qū)擬建高速鐵路路基。使用烘干機將土樣烘干后，按照相關試驗規(guī)范，取一定量烘干土樣置于容器中，并按照試驗方案（表1）中所需的聚丙烯纖維摻量摻入一定質量的纖維后，用力搖晃容器使纖維在烘干的紅黏土中均勻分布。此后，稱取紅黏土質量15%的蒸餾水加入密封桶內，拌和均勻，加蓋密封，靜止浸潤。將不同纖維摻量改良土分3層于制樣器中擊實并養(yǎng)護24 h后，方可進行試驗。

表1 試驗設計

1.2 試驗設備與試驗流程

利用GDS土的三軸壓縮強度試驗系統(tǒng)，進行改良紅黏土試樣的不固結不排水強度試驗。該設備最大軸向加載力為1 000 kN，最大圍壓加載為2 MPa。在紅黏土三軸加載過程中，首先以10 kPa/min的加載速度將圍壓提升至預定值（50 、100、200 kPa），選用軸向變形速度進行加載控制，加載控制速度為0.4 mm/min。

2 試驗結果分析

2.1 應力-應變曲線

圖1為不同摻量、不同圍壓下改良纖維紅黏土的應力-應變曲線。由圖1可知，紅黏土的應力-應變曲線均可分為壓密階段、彈性階段及屈服破壞階段，這與土的內部孔隙及物理性質息息相關。

圖1 不同纖維摻量下改良土三軸應力-應變曲線

由于制備的紅黏土內部仍存在一定的孔隙，因此在低應力作用下發(fā)生孔隙壓密，且紅黏土作為一種典型軟土，其本身性質較為軟弱，因此彈性變形階段較短，在外部荷載作用下很快便進入了屈服階段。

改良紅黏土具有較大的變形能力，在經過短暫的彈性變形階段后，其塑性變形能力較強，最大軸向應變超過15%。三維荷載作用下紅黏土持續(xù)硬化，未發(fā)生明顯的破壞，由此可見，紅黏土是一種極軟的土。同時，當纖維摻量達到3%、5%后，50 kPa圍壓下改良紅黏土出現(xiàn)峰值應力及峰后應力跌落現(xiàn)象，由此可知，纖維改良在一定程度上提高了土的脆性，因此高纖維摻量、低圍壓條件下改良土的應力-應變曲線出現(xiàn)脆性破壞特征。此外，由紅黏土的應力-應變曲線可知，圍壓對于土的性質提升效果明顯，而纖維摻量也能夠提升紅黏土的強度，但強化幅度較小。

2.2 圍壓效應

根據(jù)土的摩爾-庫倫強度準則可知，隨著圍壓的提升，外部約束對土的變形與破壞起到更強的束縛效應與抑制效果，因此土的強度不斷提升。由圖2可知，不同摻量下纖維改良土的強度隨著圍壓的升高而不斷提高，這也符合土的強度準則基本規(guī)律。

以1%摻量改良紅黏土為例，50 kPa圍壓下改良紅黏土的峰值應力為157.46 kPa，100 kPa圍壓下改良紅黏土的強度比50 kPa下提升59.93%，而200 kPa圍壓下改良紅黏土的強度則已經達到50 kPa下的2.97倍，由此可見，紅黏土與改良紅黏土作為一種較軟的材料，其抗壓強度對于圍壓效應的響應強烈。

2.3 纖維改良效應

圖3為不同圍壓下改良土峰值應力隨纖維摻量變化關系圖。由圖3可知，隨著纖維摻量的增大，改良紅黏土的強度逐漸提高，摻加聚丙烯纖維對于紅黏土的強度提升具有一定的效果。50 kPa條件下，不同摻量改良紅黏土的峰值應力分別為129.21、157.46、196.64、260.40 kPa；100 kPa條件下，不同摻量改良紅黏土的峰值應力分別為236.89、251.82、314.13、342.35 kPa；200 kPa條件下，不同摻量改良紅黏土的峰值應力分別為390.28、467.42、479.06、515.4 kPa。由此可見，利用聚丙烯纖維改良高速鐵路軟土路基紅黏土的路用性能具有高度的可行性。

圖2 不同纖維摻量下改良土峰值應力與圍壓關系

圖3 不同圍壓下改良土峰值應力與纖維摻量關系

為進一步分析改良紅黏土峰值應力（σc）與纖維摻量（ω）的相對變化趨勢，利用線性函數(shù)對二者之間的關系進行擬合，擬合結果如圖3所示，擬合函數(shù)及相關性（R2）如表2所示。

表2 不同圍壓下改良紅黏土峰值應力與纖維摻量擬合函數(shù)

由圖3及表2可知，改良紅黏土的強度與纖維摻量之間成線性正相關關系，且擬合函數(shù)線性相關系數(shù)均在0.85以上，擬合效果良好。因此，可以認為改良紅黏土的強度隨纖維摻量逐漸升高。進一步觀察到，隨著圍壓的逐漸升高，函數(shù)的斜率逐漸減小，即高圍壓下改良紅黏土的強度隨摻量的增加速度降低，這表明在高圍壓下纖維摻量對改良紅黏土的影響逐漸弱化。由此可見，對于軟土路基深埋的紅黏土，由于所處深度較大，其所受地應力束縛效果明顯，此時纖維改良對其強度提升效果不大，因此不適合進行纖維改良工作。

進一步結合圖2、圖3及表2所得試驗結果，基于三維應力下摩爾-庫倫強度準則可得，不同摻量下改良紅黏土的黏聚力分別為15.56、16.92、20.50、22.42 kPa，內摩擦角分別為27.52°、30.66°、31.002°及29.55°，由此可見，纖維改良對紅黏土的黏聚力提升效果較大，而對內摩擦角的影響較小。此外，相對于素紅黏土，1%纖維摻量對于紅黏土的黏聚力提升效果僅達到8.8%，而3%纖維摻量對于紅黏土的黏聚力提升效果達到31.75%，5%纖維摻量對于紅黏土的黏聚力提升效果達到44.08%?？紤]到纖維改良土的成本與工程的經濟效益，采用3%聚丙烯纖維摻量改良的紅黏土強度提升效果好且經濟成本最合理[12]。

3 結語

本文以某高速鐵路軟土路基紅黏土改良工程為依托，基于室內不同摻量、不同圍壓下的纖維改良紅黏土三軸不固結不排水強度試驗，深入研究了聚丙烯纖維改良紅黏土的可行性。

紅黏土作為一種典型軟土，圍壓對其強度的提升效果明顯，以1%摻量改良紅黏土為例，50 kPa圍壓下改良紅黏土的峰值應力為157.46 kPa，100 kPa圍壓下改良紅黏土的強度比50 kPa下提升59.93%，而200 kPa圍壓下改良紅黏土的強度則已經達到50 kPa下的2.97倍。聚丙烯纖維改良紅黏土明顯提高了試樣的強度性能，50 kPa圍壓下，紅黏土的抗壓強度分別為129.21、157.46、196.64、260.40 kPa。此外，3%的聚丙烯纖維摻量能夠大幅提升紅黏土的路用性能且是解決經濟成本的最佳方案。