水泥改良黃土力學特性試驗研究

2011-06-06 07:18:54劉瀟敏何小亮

地下水 2011年5期

劉瀟敏，何小亮

(西北大學地質學系/大陸動力學國家重點試驗室，陜西西安 710069)

一個多世紀以來，鐵路作為一種重要的運輸方式得到了長足發展，尤其是鐵路高速客運列車的出現，使鐵路成為航空和公路等交通運輸手段強有力的競爭者。隨著我國西部大開發戰略的深入推進和中長期鐵路規劃網的逐步實施，我國在黃土地區相繼開展了高速鐵路、重載鐵路、客運專線以及其它鐵路工程的建設項目。高速鐵路對軌道平順性的要求非常嚴格，控制路基工后沉降、不均勻沉降已成為路基工程的核心內容。《高速鐵路設計規范》(TB 10621-2009)［1］規定，從路基竣工驗收算起，無砟軌道路基的工后總沉降不宜超過15 mm，同時要求嚴格控制差異沉降。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計要求。在缺乏優質填料的情況下，為使路基工程達到質量要求，保證后續運營的安全穩定，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試驗，研究水泥改良黃土的工程性質，驗證其是否滿足高速鐵路路基填料的要求。

1 試驗內容

1.1 試驗材料

試驗土樣取自某客運專線沿線取土場，取樣土層為黃土狀粉土層(Q3):褐黃色，稍濕，稍密，土體大孔發育，少量針孔，土質較均勻，搖震反應一般，無光澤，韌性低，含植物根系及零星蝸牛殼碎片。基本物性指標見表1。試驗所用水泥是秦嶺水泥場生產的硅酸鹽水泥，水泥標號P.O32.5。

表1 試驗黃土的基本物性指標

1.2 試驗方法

此次黃土的改良主要采用化學方法，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，通過多項室內物理力學試驗，判斷改良后黃土作為高速鐵路路基填料使用的適用性，并從中選出室內最佳水泥改良配合比。試驗嚴格按照《鐵路工程土工試驗規程》(TB 10102-2004)［2］、《公路工程無機結合料穩定土試驗規程》(JTJ057-94)}進行。

1.2.1 液塑限試驗

采用液塑限聯合測定儀對摻入水泥的擾動黃土分別進行液塑限試驗，通過試驗測定不同水泥配合比改良黃土的液限、塑限、塑性指數的變化情況，判定改良黃土與水的結合程度及其在不同含水率條件下的穩定性，從而間接的判定改良黃土的工程性質。

1.2.2 擊實試驗

土體的密實度和含水率是影響路基填料壓實效果的兩個重要因素，同時也是控制路基填筑質量的重要條件。高速鐵路對路基填筑質量要求非常嚴格，只有當土體處于最大干密度及最優含水率時，才能達到最好的壓實效果。因此，本次擊實試驗的目的是求得黃土的最大干密度及最優含水率，作為后續黃土填料研究工作的依據。根據實測塑限含水率，將風干后過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《鐵路工程土工試驗規程》(TB 10102-2004)［2］的要求，選定用重1型擊實試驗。將制備好的試樣分5層擊實后，稱重并測定含水率，繪制干密度含水率曲線，確定最優含水率(ωop)和最大干密度(ρdmax)。

1.2.3 固結壓縮試驗

取一定量的擾動黃土，風干過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含水率，壓實系數K=0.95，試樣尺寸為φ79.8 mm ×h20 mm，標準養護7d后進行試驗。試驗采用12h快速固結法在標準固結儀中進行，加荷等級分別為100、200、300、400 kPa。

1.2.4 無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度是評價土體抵抗豎向壓力極限強度的重要力學指標，是路基填料的控制指標之一。取一定量的擾動黃土，風干過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含水率，且要求壓實系數 K=0.95。試樣尺寸為φ50 mm ×h100 mm，試樣配制完成后，放入標準養護箱養護7 d后在應變控制式無側限壓縮儀上進行試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 液塑限

水泥改良黃土的液塑限試驗結果見表2，液塑限、塑性指數與水泥配合比的關系見圖1～圖3。

表2 水泥改良黃土的液塑限試驗結果

圖1 液限與水泥配合比關系

圖2 塑限與水泥配合比關系

圖3 塑性指數與水泥配合比關系

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;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IP隨著水泥配合比增加的變化與液塑限呈減小的趨勢，水泥的摻入改善了黃土原來的粉質特性，提高了黃土的抗水性。

2.2 擊實特性

表3為根據不同配合比水泥改良黃土實測擊實曲線得出的最大干密度及最優含水率。圖4和圖5為最優含水率和最大干密度隨水泥配合比變化的關系曲線。

表3 水泥改良黃土的液塑限試驗結果

圖4 最優含水率與水泥配合比關系

圖5 最大干密度與水泥配合比關系

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

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，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結果見表4。圖6和圖7為水泥改良黃土壓縮系數及壓縮模量與水泥配合比的關系曲線。

表4 水泥改良黃土的壓縮試驗結果

圖6 壓縮系數與水泥配合比關系

圖7 壓縮模量與水泥配合比關系

由表4可知，改良后黃土的壓縮系數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絡格架狀水泥土，通過夯實后，水泥土顆粒間的孔隙明顯減小，密實度增大［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逐漸減小，而壓縮模量逐漸增大。