大何鐵路路基水泥改良粉細砂填料的試驗研究

唐玉龍

(中鐵一院集團蘭州鐵道設計院有限公司,蘭州 730000)

1 概述

新建大塔——何家塔鐵路(以下簡稱大何線),地處內蒙古自治區鄂爾多斯高原和庫布其沙漠東部過渡地帶,線路全長140 km,按《鐵路路基設計規范》(TB10001—2005)[1]的國鐵Ⅰ級、重型軌道并考慮電氣化的相關規定進行設計,填料標準要求較高,基床強度及工后沉降控制較嚴。

該條線路自新包神鐵路大塔站疏解引出后沿庫布其沙漠邊緣的低山丘陵區向北行進。根據沿線勘察情況,地表多分布厚度不等的第四系全新統風積粉細砂,能符合填料要求的A、B組填料稀缺,如果完全依靠外運合格填料,既不經濟,也不現實。而粉細砂由于其組成、結構和物理狀態的特殊性,若直接作為路基填料,則路基整體穩定性差,承載能力低。在一定條件下極易產生液化及出現水流沖蝕等病害,不能滿足鐵路基床填料設計要求。因此,在大何線設計中,提出對粉細砂填料進行水泥改良,從而使其達到規范要求的填料標準。

影響水泥改良粉細砂填料強度的因素主要有水泥摻量、壓實度、養護齡期等。大何線對現場粉細砂進行了不同水泥配比、不同壓實度和不同養護齡期下強度和穩定性的室內試驗研究,得出了一些有益結論,解決了該線粉細砂進行水泥改良的一大難題,并為工程地質類似地區鐵路路基填料的選擇提供了科學的指導和重要的參考。

2 粉細砂特性

風積粉細砂天然容重較小,天然狀態下無黏性、無塑性,為磨圓度較好的單粒結構。土體呈松散狀態,粉黏粒(<0.05 mm)含量很少,顆粒組成多集中在0.25～0.074 mm,分選性一般,顆粒組成較單一、級配不良。由于粉黏粒的含量很少,風積粉細砂的礦物成分以長石、石英為主,SiO2的含量占55%～68%，因此風積粉細砂的表面活性很低。另一方面,風積粉細砂的滲透性能較好,滲透系數在10-3級,毛細水上升高度小于1 m。圖1為大何線粉細砂土樣的顆粒分析試驗結果。

圖1 大何線粉細砂土樣的顆粒分析試驗結果

大何線沿線地表厚度不等的第四系全新統風積粉細砂顆粒分析結果顯示,粒徑0.5～0.25 mm的顆粒質量占土樣質量的17%,粒徑0.25～0.075 mm的顆粒質量占土樣質量的83%,故大于0.075 mm的土顆粒含量占土樣的總質量超過了85%(圖1),得出不均勻系數為2.11,土體為均勻的土體,曲率系數為0.79,土體粒徑大小比較集中,根據我國《鐵路路基設計規范》(TB10001—2005)[1]中的規定,為級配不良填料[2]。

風積粉細砂只有非常低的黏聚力,內摩擦角26°～35°,幾乎沒有黏聚性。壓實成形后抗剪強度很低,整體穩定性較差。在地震、機器振動、列車行駛、打樁以及爆破等動力荷載(振動)作用下,粉細砂(特別是飽和粉細砂)表現出類似液體性狀而完全失去承載能力的現象稱為粉細砂的液化[4],形成噴砂冒水、震陷、滑塌、地基失穩等災害。其中又以地震引起的大面積甚至深層的粉細砂液化的危害性最大。因此,近年來粉細砂的振動液化引起了國內外工程界的普遍重視,成為工程設計中考慮的重要因素之一。

3 水泥改良粉細砂填料的特性

大何線選用水泥對粉細砂填料進行改良,改良土的硬化和強度形成過程即為水泥的水化、碳酸化、凝結和硬化過程[3]。

(1)水化反應

大何線沿線廣泛分布的粉細砂中主要含有SiO2,Al2O3,Fe2O3和少量鈣、鎂、鈉、鉀等氧化物,加入改良劑水泥以后,由于離子交換、吸附作用等一系列反應,使得大量的砂粒聚集成砂團,并形成水泥與粉細砂的鏈條狀結構,砂粒之間的空隙也被迅速封閉,水泥粉細砂形成堅固的聯結。在水泥與粉細砂的水化反應中,離子交換作用反應過程較快,是水泥改良粉細砂填料早期強度形成的主要原因。

(2)碳酸化反應

碳酸化反應的實質是水泥水化物中的Ca(OH)2不斷吸收空氣中的CO2和水中的H2CO3而生成碳酸鈣的過程。碳酸化反應中,由于砂粒固結起到了粗?；饔?從而提高了改良填料的整體強度。

(3)硬凝反應

在水化反應的過程中,水泥溶液析出大量的Ca2+與粉細砂礦物中的SiO2和Al2O3進行化學反應,生成不溶于水的穩定結晶礦物,增大了水泥改良粉細砂的強度。

改良填料拌和后水泥分散于砂料顆粒的表面,由于粉細砂的單個顆粒的尺寸大于水泥顆粒,因此,水泥有可能全部或部分包裹單個砂顆粒,當水泥凝結硬化時,這些顆粒將膠結在一起,使粉細砂顆粒膠結成整體,硬化后具有較高且穩定的強度。同時水泥與粉細砂中所含的活性硅、鋁發生反應,生成的含水硅鋁酸鹽結晶對砂顆粒亦有一定的膠結作用。

4 影響水泥改良粉細砂強度的主要因素

根據以上分析可知,利用水泥對粉細砂填料進行改良后,在不同階段相繼發生水化、凝結和硬化反應,強度逐漸提高。根據水泥改良粉細砂強度的增長機理可知,影響其填料強度的主要因素有水泥摻入量、壓實度、養護齡期等。

大何線粉細砂改良中,室內試驗選取了無側限抗壓強度和剪切強度試驗來評價改良土的力學特性。無側限抗壓強度試驗中,水泥改良粉細砂填料試樣采用圓柱體,測試在無側向壓力的條件下,抵抗軸向壓力的極限強度。把通過前期試驗選定的不同摻和比的改良粉細砂制成的圓柱狀試樣(每組2個),在三軸儀上加荷試驗,測得水泥改良粉細砂的無側限抗壓強度。試驗儀器為英制大型GDS三軸實驗機。試樣尺寸H×Φ=12.5×6.18 cm2。試驗加荷速率為0.5 mm/min。試驗中試樣破壞判定,若出現破裂面,則以產生破裂面作為破壞標準,如不出現破裂面,則以試樣軸向應變達15%作為破壞標準[8]。

剪切強度試驗中,將不同摻和比的拌和料制成直徑為3.8 cm,高7.8 cm圓柱狀的試樣(每組3個),采用不固結不排水剪,施加的圍壓分別為50、100、200 kPa進行試驗,最后根據試樣的應力應變關系曲線得到抗剪強度指標[8]。

4.1 水泥摻入量對水泥改良粉細砂強度的影響

根據擊實試驗結果分析,選取水泥摻量為5%、6%、7%的改良粉細砂進行28 d齡期的無側限抗壓強度和剪切強度試驗。

圖2為不同水泥摻量的粉細砂改良填料無側限抗壓強度平均值的柱形圖。由圖2可以看出,水泥改良粉細砂的無側限抗壓強度由5%水泥摻量時的0.87 MPa增至7%水泥摻量時的1.32 MPa,隨水泥摻量的增大而增大,基本呈線性變化(線性擬合相關系數為R2=0.9993)。

圖2 不同水泥摻量粉細砂改良填料無側限抗壓強度

圖3為不同水泥摻量的粉細砂改良填料28 d齡期的黏聚力及內摩擦角柱形圖。由圖3可以看出,水泥摻量變大時,改良填料的內摩擦角和黏聚力也隨之變大。水泥摻量由5%增至7%,其內摩擦角由44.9°增至55.4°,黏聚力相對由167.8 kPa增至180.7 kPa。

圖3 不同水泥摻量粉細砂改良填料剪切強度

理論上,在粉細砂填料的礦物成分及物理力學性質相同的情況下,水泥摻入量不同時水泥改良粉細砂的強度也是不同的[5]。但因施工條件有所差異,水泥改良粉細砂強度的增加值與水泥摻入量百分比不完全一致,但總體上呈上升趨勢。

從試驗結果來看,水泥的摻入量對水泥改良粉細砂早期強度的影響小于對后期強度的影響。粉細砂經水泥改良后強度比天然填料提高很多。隨著水泥摻入量的提高,水泥改良粉細砂的強度也提高,但是水泥摻入量過高會提高改良成本,強度方面也會向脆性材料發展,因此,工程中水泥改良劑的配比一般控制在一定范圍內。將不同齡期水泥改良粉細砂填料強度與水泥摻入比關系進行回歸分析后得出,fcu,k=A(aw)B。其中,fcu,k為水泥改良粉細砂k天齡期的立方體抗壓強度；aw為水泥質量摻入比；A,B均為經驗系數[6]。

4.2 壓實度對水泥改良粉細砂強度的影響

粉細砂與水泥進行拌和后,水泥與粉細砂骨料之間的膠結程度受改良填料壓實度的直接影響。圖4為水泥改良粉細砂在壓實度分別為0.91、0.93、0.95時的無側限抗壓強度柱形圖。

圖4 不同壓實度的水泥改良粉細砂無側限抗壓強度

由圖4可以看出,壓實度為0.91時的無側限抗壓強度值明顯小于壓實度為0.93和0.95時的值,差值分別為0.09 MPa和0.10 MPa。而壓實度為0.93和0.95時的無側限抗壓強度無多大變化,差值僅為0.01 MPa。

總體看來,水泥改良粉細砂的無側限抗壓強度隨壓實度逐漸變化的特性不太明顯,主要原因為當壓實度達到一定程度后,改良粉細砂的壓實度變化不再顯著,所引起的強度變化亦不明顯。

4.3 養護齡期對水泥改良粉細砂強度的影響

水泥改良粉細砂的強度增長需要一定時間,硬凝反應過程一般需3個月才能完成。本次試驗通過對水泥改良粉細砂試樣在0～28 d、28～60 d和60～90 d 3個時間段內的強度增長結果分析得出,在0～28 d之間的強度增長最為顯著,起初增長較快,以后隨著時間的增長強度提高逐漸減緩[7]。

圖5 不同齡期的水泥改良粉細砂無側限抗壓強度

圖5為水泥改良粉細砂填料分別在7、14、28 d養護齡期的無側限抗壓強度柱形圖。從圖中可以看出,水泥改良粉細砂的無側限抗壓強度的增長隨其養護齡期的變化較為明顯。14 d養護齡期較7 d養護齡期的無側限抗壓強度大0.34 MPa,28 d養護齡期較14 d養護齡期的無側限抗壓強度大0.18 MPa,其增長幅度逐漸減小。

圖6為水泥改良粉細砂填料分別在0、7、14、28 d養護齡期下的內摩擦角與黏聚力的柱形圖。從圖中可以看出,水泥改良粉細砂的內摩擦角的增長幅度隨其養護齡期的變化不明顯,其黏聚力在水泥初凝后有明顯增強,后期增幅較為緩慢。

圖6 不同齡期的水泥改良粉細砂剪切強度

無論從無側向抗壓強度還是三軸剪切試驗都能看出養護齡期對水泥改良粉細砂強度的影響較大,呈現出隨齡期逐漸增長的特性,并且在0～7 d齡期內強度增長比較明顯,以后其強度增幅逐漸減小。

5 結論

(1)大何線沿線分布的第四系全新統風積粉細砂顆粒粒徑0.5～0.25 mm的顆粒質量占試樣質量的17%,粒徑0.25～0.075 mm的顆粒質量占試樣質量的83%,不均勻系數為2.11,曲率系數為0.79,為級配不良填料。

(2)水泥及水泥與粉細砂中所含礦物質的水化、碳酸化、凝結和硬化等反應是水泥改良粉細砂填料強度形成的主要來源。

(3)影響水泥改良粉細砂填料強度的因素主要有水泥摻入量、壓實度、養護齡期等。

水泥改良粉細砂的強度,隨水泥摻入量的增加而逐漸提高,但水泥摻入量過高會提高改良成本,強度方面也會向脆性材料發展,大何線路基工程中改良土的水泥摻量建議值為5%。

水泥改良粉細砂填料的強度隨壓實度的增加而增大,但當壓實度達到0.93、0.95時強度變化較小,大何線改良土路基壓實度建議取值為0.93。

水泥改良粉細砂的強度隨齡期的增長幅度在0～7 d之間較快,7～28 d之間逐漸減緩,工程建設中要根據實際承載力的設計要求合理選擇養護齡期。

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