客運專線水泥改良黃土填料試驗研究

張亞賓 楊有海

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州 730070)

1 概述

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

關于黃土填料的改良，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現，部分改良黃土壓實度難以滿足壓實要求，但其強度卻滿足要求，并由此提出了黃土的時效性問題。蔣關魯等［3］通過室內試驗、時效性試驗及填筑壓實試驗研究改良黃土的力學指標和改良后路基的沉降。本文結合鄭西客運專線建設，通過室內試驗對水泥改良黃土的物理力學特性進行研究，為水泥改良黃土填料設計提供依據。

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，為砂質黃土，呈褐黃色，略顯濕密，其物理性質見表1。該黃土是非自重濕陷性黃土，濕陷等級為Ⅰ級輕微。

表1 黃土的物理性質指標

2.2 試驗內容

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

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

3)干濕循環試驗。環境溫度、濕度的變化會導致路基填料含水率發生變化，這對水敏感較強的黃土影響巨大。降雨后，黃土路基填料吸水飽和，之后又會失水干縮，這種周而復始的干濕循環會導致路基填料結構發生變化。為研究干濕循環對水泥改良黃土的影響，按壓實系數η=0.95，制備水泥摻量為3%，5%的水泥改良土試樣，將試樣在標準條件下養護28 d后，測定干濕循環次數為0次、1次、5次、10次后的抗剪強度指標。

3 試驗結果及分析

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系曲線圖。從試驗結果可以看出，隨著水泥摻量的增加，最優含水率逐漸增加，而最大干密度逐漸減小。隨著水泥摻量的增加，最優含水率變化不大。產生這種現象的原因一方面是水泥與黃土發生水解反應和水化反應，使黃土的結構發生改變;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 強度特性

3.2.1 重塑黃土強度特性試驗

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

圖1 重塑黃土及改良黃土擊實曲線

圖2 非飽和重塑黃土應力—應變曲線（η=0.92）

圖3 飽和重塑黃土應力—應變曲線（η=0.92）

圖4 非飽和重塑黃土應力—應變曲線（η=0.95）

圖5 飽和重塑黃土應力—應變曲線（η=0.95）

從試驗所得到的應力—應變曲線中可以看出:

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

2)壓實系數越大，應力值越大。不論在飽和狀態下還是非飽和狀態下，壓實系數η=0.95時的應力值明顯大于壓實系數η=0.92時的應力值。

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

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

3.2.2 改良黃土的應力—應變曲線

為研究水泥改良黃土的強度特性及其影響因素，分別對水泥改良黃土在飽和狀態、壓實系數η=0.95下，養護28 d后做固結不排水三軸剪切試驗。圖6～圖9給出了4組應力—應變關系的試驗結果，從試驗所得到的應力—應變曲線中可以看出:

1)水泥改良黃土的應力—應變曲線具有明顯的峰值，當達到峰值后，其應力值顯著下降，顯示出明顯的軟化特性。峰值所對應的應變ε均小于2%，表現出明顯的脆性破壞狀態，并且破壞后的殘余強度依然很大。

圖6 水泥摻量為3%時改良黃土應力—應變曲線

圖7 水泥摻量為5%時改良黃土應力—應變曲線

圖8 σ3=50 kPa時改良黃土應力—應變曲線

圖9 σ3=150 kPa時改良黃土應力—應變曲線

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度的影響

摻合比對水泥改良黃土抗剪強度的影響見表2，試樣是在壓實系數η=0.95下、含水率為各種摻合比下最優含水率下制備的，經過標準養護28 d后，做不固結不排水三軸剪切試驗，得到試件的大小主應力數值及抗剪強度指標。

表2 不同摻合比下的強度特性

從表2中可以看出:1)經水泥改良后，黃土的抗剪強度顯著提高。水泥改良黃土的強度隨水泥摻量的增加而增大:當水泥摻量較低時，水泥改良黃土的強度增加明顯;當水泥摻量較高時，水泥改良黃土的強度增速放緩。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力值影響顯著。3)隨著水泥摻量的增加，內摩擦角φ變化不大，粘聚力c變化較大，但都大于重塑黃土的值。這是因為黃土經水泥改良后，發生一系列水解、水化反應、碳酸化作用、離子交換和團粒化作用后，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粒。內摩擦角φ作為摩擦強度的反映指標，黃土的礦物組成會對其產生較大影響，黃土經水泥改良后，其礦物組成并沒有徹底改變，只是發生了部分變化，故水泥改良黃土的內摩擦角φ雖有變化，但變化不大。黃土的粘聚強度主要由水膜的原始凝聚力、膠體的加固凝聚力和基質吸力組成，水泥與黃土充分反應后，形成土體骨架，加強了土體結構，同時水泥改良土中產生了膠體，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η=0.95的條件下，經7 d，28 d，90 d，180 d齡期養護下的無側限抗壓強度試驗結果。從圖中可以看出，水泥改良黃土7 d無側限抗壓強度值都大于1 MPa，說明其具有足夠的強度。隨著齡期的增長，水泥改良土強度也隨之增長，90 d之前，水泥改良土強度增長較快，90 d后水泥改良土強度增長緩慢，并且隨著水泥摻量的增加，90 d后水泥改良土強度增速明顯放緩。水泥改良黃土早期齡期效應顯著，后期齡期效應不明顯，即水泥改良黃土具有早強的性質。

圖10 水泥改良黃土強度隨齡期的變化圖

3.3 干濕循環試驗

圖11為壓實系數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準條件下養護28 d后，進行干濕循環試驗的結果。干濕循環作用會引起黃土結構的改變，從而影響其強度特性及水穩定性。水泥改良黃土中含有起膠結作用的可溶鹽，這些膠體為改良黃土提供了較大的剪切強度，干濕循環過程中，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度。其中第1次干濕循環時，可溶鹽溶解流失最明顯、膠體結構破壞最嚴重，之后逐漸趨于穩定。遇水時黃土骨架顆粒的排列方式會發生改變，尤其第1次干濕循環時這種改變最劇烈。因此，隨著干濕循環次數的增加，水泥改良黃土的強度逐漸降低，特別是第1次干濕循環后，強度會劇烈降低，之后逐漸趨于穩定。但是水泥改良黃土在齡期綜合作用下，干濕循環過程中強度的變化趨于復雜，其強度隨干濕循環次數增加會小幅下降，有時甚至會略微上升，但其變化幅度不劇烈，其強度趨于穩定。

圖11 水泥改良黃土的循環次數與無側限抗壓強度關系曲線

4 結語

1)通過對水泥改良黃土進行室內試驗，研究表明黃土經水泥改良后能有效改善其力學性能，同時，水泥改良黃土具有較高的強度和良好的穩定性，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)水泥改良黃土的強度受壓實系數、摻合比及齡期等因素的影響。當水泥摻量較低時，水泥改良黃土的強度增加明顯;當水泥摻量較高時，水泥改良黃土的強度增速放緩。水泥改良黃土強度隨齡期增長，并具有早強性質。

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

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

［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］.鐵道工程學報，2009，5(125):30-34.

［2］ 姚建平，史存林，閆宏業.淺談水泥改良濕陷性黃土干密度的時效性［J］.鐵道工程學報，2007，12(sup):48-50.

［3］ 蔣關魯，房立鳳，張俊兵，等.客運專線水泥改良黃土路基填料填筑試驗研究［J］.中國鐵道科學，2009，30(1):1-7.

［4］ 房立鳳，蔣關魯，張俊兵，等.鄭西客運專線路基黃土填料水泥改良試驗研究［J］.鐵道標準設計，2008(9):4-7.

［5］ 馬學寧，梁 波，黃志軍，等.高速客運專線路基改良填料的試驗研究［J］.鐵道學報，2005，27(5):96-101.

［6］ 劉宏泰，張愛軍，段 濤，等.干濕循環對重塑黃土強度和滲透性的影響［J］.水利水運工程學報，2010(4):38-42.