京能鐵路專用線工程水泥改良粉土應(yīng)用研究

常 世 清

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

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京能鐵路專用線工程水泥改良粉土應(yīng)用研究

常 世 清

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)河北涿州京能鐵路專用線沿線原狀粉土和摻入不同劑量水泥的改良土進(jìn)行了物理力學(xué)指標(biāo)、壓實(shí)系數(shù)及地基系數(shù)等試驗(yàn)，驗(yàn)證了水泥改良該工程粉土的可行性，并確定了改良粉土所需要水泥的摻入量和改良土的最優(yōu)含水率。

粉土，物理力學(xué)指標(biāo)，壓實(shí)系數(shù)，地基系數(shù)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路飛速發(fā)展，新建鐵路運(yùn)行速度大大提高，對(duì)鐵路路基的穩(wěn)定性、強(qiáng)度及變形提出了更高的要求。路基不僅作為軌道結(jié)構(gòu)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，還要具備足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及耐久性，以提高列車運(yùn)行的安全性及舒適性。粉土為第四系全新統(tǒng)松散堆積物(Q4)，沖積、洪積而成，是一種具有特殊物理力學(xué)性能的不良路基填料。粉土具有較大滲透系數(shù)，擁有較強(qiáng)的滲透固結(jié)能力，干燥時(shí)多呈粉末狀，顆粒以粉粒和細(xì)粒為主，粘粒含量小，比表面積較小。粉土的塑性指數(shù)(Ip)較小，粘結(jié)力不強(qiáng)，不易碾壓成型，干燥后碾壓容易被壓碎，并出現(xiàn)分層狀現(xiàn)象及層疊式推移。粉土遇水尤其大面積浸水后，立刻會(huì)被濕透，易變成流體狀態(tài)，抗沖蝕能力較差。由此可見(jiàn)粉土由于其較差的物理力學(xué)性能會(huì)給鐵路路基帶來(lái)極大的安全隱患。然而由于粉土分布廣泛，就地取材，合理利用粉土作為路基填料已經(jīng)成為鐵路、公路行業(yè)學(xué)者的一個(gè)重要課題。近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者在采用石灰、水泥及粉煤灰等無(wú)結(jié)合料改良粉土整體性能方面已形成重要理論成果。

張海西等通過(guò)工程實(shí)踐，利用試驗(yàn)對(duì)水泥改良粉土和水泥粉煤灰改良粉土后的物理力學(xué)性能進(jìn)行了比較，得出了摻入少量水泥或粉煤灰可顯著增強(qiáng)粉土抗剪強(qiáng)度及水穩(wěn)性。

陳燕等以京滬高鐵新長(zhǎng)段粉土路基為研究對(duì)象，通過(guò)水泥改良粉土試驗(yàn)，對(duì)不同水泥摻入量的改良粉土的特性進(jìn)行了對(duì)比。

河北涿州京能熱電廠鐵路專用線工程中，路基挖、填方均較大，全線粉土覆蓋層較厚，均為C級(jí)填料。挖方棄土造成資源浪費(fèi)，而且外購(gòu)優(yōu)質(zhì)填料運(yùn)距較遠(yuǎn)，成本昂貴。面對(duì)這個(gè)問(wèn)題，在前人粉土改良研究的基礎(chǔ)上，充分考慮專用線附近水泥取材方便等條件，選用水泥作為摻加劑，對(duì)挖方棄土進(jìn)行改良加以利用。由于土質(zhì)差異性，各地粉土的物理力學(xué)性能各不相同，改良措施亦不可能相同。因此本文著重通過(guò)具體試驗(yàn)，確定該鐵路粉土路基的改良方案。

1 水泥穩(wěn)定粉土機(jī)理

粉土顆粒質(zhì)量較小，浸水時(shí)單個(gè)下沉碰撞到已沉積顆粒時(shí)，可能因顆粒之間的相互引力而停留在接觸面上不再繼續(xù)下沉，從而形成空隙較大的蜂窩結(jié)構(gòu)，土顆粒之間的凝結(jié)力較小，影響整體強(qiáng)度及穩(wěn)定性。加入一定量水泥后，水泥顆粒可以充分填充粉土顆粒之間的蜂窩狀空隙，提高土的整體容重，且水泥在水熱化過(guò)程中，可以吸收粉土顆粒間的一部分水分，將粉土顆粒牢固粘結(jié)在一起，大大提高粉土顆粒間的凝結(jié)力。施工過(guò)程中，粉土中摻入一定比例水泥并充分?jǐn)嚢枘雺赫剑偈顾嗯c粉土中的水分充分反應(yīng)，水泥與粉土相互凝結(jié)產(chǎn)生強(qiáng)度，提高了路基強(qiáng)度，亦可達(dá)到消除粉土濕陷、碾壓易碎的目的。

2 水泥改良粉土室內(nèi)試驗(yàn)

方案中確定使用水泥對(duì)粉土進(jìn)行改良，以確保改良土不僅具備鐵路路基所需的壓實(shí)度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求，又要符合經(jīng)濟(jì)合理的原則。因此通過(guò)一系列土工試驗(yàn)對(duì)原狀土及不同水泥劑量下的改良土在滿14 d的養(yǎng)護(hù)齡期后的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，從而得出最佳水泥摻入量。

2.1 物理性質(zhì)分析

通過(guò)密度試驗(yàn)、顆粒分析試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)及滲透試驗(yàn)等，分別測(cè)定了原狀土及改良土的含水量、密度、液限、塑限、液性指數(shù)、塑性指數(shù)及滲透系數(shù)等指標(biāo)，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 物理性質(zhì)指標(biāo)

由表1分析可知，與原狀粉土相比較，摻入水泥后土樣含水量與孔隙比下降，說(shuō)明水泥顆粒有效填充了土樣空隙，且與土中水發(fā)生反應(yīng)，使得土樣顆粒凝結(jié)在一起。改良后的粉土液限、塑限及塑性指數(shù)均有增加，以液限尤為明顯，進(jìn)一步說(shuō)明土顆粒膠結(jié)力及可塑性增強(qiáng)，而塑限、塑性指數(shù)及液性指數(shù)對(duì)于水泥不同摻入量無(wú)明顯區(qū)別。隨著水泥摻入量增加，土樣的液性指數(shù)逐漸降低，這表明加入水泥后可使粉土變得更加堅(jiān)硬，且隨著摻入量增加而增大，另外根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄D中表D.0.1-4可判斷改良后的粉土的地基基本承載力比原狀粉土有明顯提高。

2.2 壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)分析

從設(shè)計(jì)、施工角度出發(fā)，是否能達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)是判斷改良土成敗的最關(guān)鍵因素。以改良土為填料的鐵路路基是以壓實(shí)系數(shù)K≥0.9以及地基系數(shù)K30≥80 MPa/m的雙重標(biāo)準(zhǔn)衡量路基的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的。在京能鐵路專業(yè)用線DK1+622.5右側(cè)37.8 m處選取若干原狀土樣，分別對(duì)原狀土樣及加入不同劑量水泥的改良土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)與地基系數(shù)實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2，圖1～圖4所示。

表2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，原狀粉土的壓實(shí)系數(shù)不滿足規(guī)范要求，加入水泥后壓實(shí)系數(shù)增大，且隨著水泥劑量增加而加大。水泥摻入量為2%時(shí)，改良后的土樣已滿足壓實(shí)系數(shù)要求。

地基系數(shù)(K30)是從荷載強(qiáng)度與下沉關(guān)系曲線表中得出的下沉量基準(zhǔn)值(1.25 mm)對(duì)應(yīng)的荷載強(qiáng)度。由圖1～圖4可知，原狀粉土的地基系數(shù)(K30)較小，不符合壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，摻入2%水泥后提高至約70，但仍達(dá)不到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。摻入水泥量達(dá)到5%時(shí)，地基系數(shù)(K30)約81，滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

1)試驗(yàn)表明，河北涿州京能熱電廠鐵路專用線所在區(qū)域的粉土物理力學(xué)性質(zhì)較差，雖然能達(dá)到路基工程B級(jí)填料所要求的強(qiáng)度，但其穩(wěn)定性不足，無(wú)法達(dá)到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，如果選用其為路基填料，必須進(jìn)行改良處理。

2)摻入水泥后，土樣物理力學(xué)性質(zhì)明顯得到改善，地基承載力、壓實(shí)系數(shù)(K)以及地基系數(shù)(K30)均增大，水泥摻入量越大，效果越佳，但其增幅并非隨水泥摻入量呈線性增長(zhǎng)。

3)摻入水泥量為2%時(shí)，改良土的地基基本承載力、壓實(shí)系數(shù)(K)滿足要求，但是地基壓實(shí)系數(shù)(K30)尚未達(dá)到鐵路路基的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

4)水泥摻入量為5%，8%時(shí)，改良土的地基基本承載力、壓實(shí)系數(shù)(K)、地基壓實(shí)系數(shù)(K30)均滿足要求，說(shuō)明水泥改良粉土的方案是可行的。摻入8%的水泥的土樣物理力學(xué)性質(zhì)優(yōu)于摻入5%的水泥土樣，但從經(jīng)濟(jì)合理角度出發(fā)，建議水泥摻入量為5%，且其最優(yōu)含水率約為7.4%。

[1]張海西，夏 瓊，楊有海.水泥及水泥粉煤灰改良粉土填料性能試驗(yàn)研究.路基工程，2007(3)：75-76.

[2]陳 燕，魏宏超，徐 鵬.高速鐵路粉土路基改良試驗(yàn)研究.安全與環(huán)境工程，2011(5)：126-128.

[3]TB 10102—2010，鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程.

[4]TB 10012—2007，鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范.

[5]TB 10001—2005，鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范.

The application research on engineering cement modified soil powder of Jingneng railway dedicated line

Chang Shiqing

(ChinaRailwayFifthExploration&DesignInstituteGroupLimitedCompany,Beijing102600,China)

Through the indoor test, this paper made physical and mechanical indexes, compactness and foundation coefficient and other tests to Hebei Zhuozhou Jingneng railway dedicated line along undisturbed silt and improved soil doped into the different doses of cement, verified the feasibility of cement improved the engineering silt soil, and determined the cement amount of improved silt and optimal improved soil moisture rate.

silt, physical mechanics index, compaction coefficient, foundation coefficient

1009-6825(2015)18-0150-02

2015-04-15

常世清(1984- )，男，工程師

U214.15

A