水泥改良黃土填筑鐵路基床的試驗研究

摘 要：不滿足作為鐵路路堤基床底層的填料經改良后達到技術和規范要求，使填料的范圍得到了擴大。本文通過研究在黃土中摻入水泥進行土質改良，經過大量室內試驗，主要從物理力學特性方面對水泥改良土進行了研究，得到了有價值的結論：在不同摻和比條件下，黃土經水泥改良后物理力學性質指標均能夠滿足路堤基床底層填料的要求，考慮到安全性和經濟性等因素，認為黃土摻入質量比為6%的水泥為宜。另外對改良土工程性質影響較大的還包括含水量，所以在工程實施過程中應使改良填料的含水量盡可能維持在最優含水量。

關鍵詞：鐵路路堤基床 水泥改良黃土 摻合比 最優含水量

Abstract： By improving the bottom filler of the embankment foundation of the railway， we can meet the requirements in technology and specifications， and expanding the range of the filler that can be used. Through a large number of laboratory tests， the physical and mechanical properties of cement improved soil has been studied， and valuable conclusions has been gotten： The indicators of Physical and mechanical properties of cement improved soil under different blending ratio conditions ， were able to meet the requirements of the road embankment foundation bed filler . For security and economic， we consider a 5% mixed with cement loess is appropriate. Moisture content has great impact on the engineering properties of improved soil， so its better to achieve an optimum moisture content in project implementation.

Key words： Foundation bed of railway embankment， Cement modified loess， Blend ratio， Optimum moisture content

引 言

路基作為鐵路的最基礎部分，對鐵路運營質量起著很重要作用，路基填料更是決定路基工程性質的關鍵要素，其工程質量與填料質量息息相關。在我國多數地區，存在較大的地區差異性，修筑鐵路路基時如何選用適合的填料，來防止基床病害發生，并最大程度的降低成本，一直是鐵路路基設計施工中一個很重要的課題。

銀川至西安鐵路在陜西省境內長約168km，所經地區全覆蓋有濕陷性黃土，且覆蓋層厚度較大，沿線主要有涇河、渭河等河流，根據環水保要求，填料不能自河道中挖取，故符合規范要求的基床范圍內填料嚴重匱乏，基床底層填料采用黃土直接填筑不滿足規范要求。通過對不滿足規范填料進行改良[1]，使其達到所要求的質量標準，不但節省了工程投資，同時也減少了棄土，保護了環境，社會效益和經濟效益十分顯著。

本文通過對所選試驗土樣中摻入不同質量比的水泥，研究黃土經水泥改良后的壓縮特性、強度特性、水穩定性、硬化機理等力學性質以及配合比、齡期、密實度等對其強度特性的影響因素進行分析，得出水泥改良土的最佳質量配合比和最優含水量，為即將修建的銀西鐵路路基基床填料提供重要依據，另對指導其它地區的鐵路設計與施工同樣具有重要意義。

經現場調查，沿線分布有許多水泥廠，購買水泥比較方便，故本次試驗主要研究黃土中摻入水泥。

1 路基基床的結構設計

銀西鐵路由中鐵第一勘察設計院設計。銀西鐵路為客運專線，設計時速為250km/h，預留350km/h的條件。

鐵路路基基床分為基床表層和基床底層。本線基床表層填筑級配碎石，厚度0.7m；基床底層填筑6%（質量比，100kg干土，摻和7kg水泥）水泥改良土，厚度2.3m。基床總厚度3.0m。

本文以基床底層改良土填筑及質量控制進行闡述。

2 水泥改良黃土的作用機理[2]

本次改良采用普通硅酸鹽水泥，其主要含氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鐵、三氧化二鋁及三氧化硫。將水泥摻入黃土后，水泥顆粒表面的礦物很快與黃土中的水發生水解和水化反應，生成Ca（OH）2和CSH等水化物，逐漸使土中水飽和形成膠體，水泥水化物中的一部分CaO、2SiO2.3H2O自身繼續硬化，形成早期水泥土的骨架；另一部分及其溶液與黃土顆粒發生反應形成土團粒后又進而結合成粒結構，進一步凝聚反應形成水穩性水化物。隨著水泥水化反應的深入，Ca（OH）2的堿性作用和水泥水化作用又生成水化物，最終水泥與土顆粒相互連結形成難以彼此分辨的致密空間網絡結構，使水泥土具有足夠的強度和水穩定性。

2試驗方案的設計和試驗過程

試驗用土樣取自禮泉縣取土場，其顆粒組成見表1，物理力學性質指標：液限WL=29.7%，塑限WP=18.6%，塑性指數IP=11.3，比重2.68，定名為C類低液限粉質粘土，不能直接作為鐵路路基基床填料，需進行土質改良后才能使用。

為研究黃土摻入水泥后土的工程特性，進一步評價黃土摻入水泥后的改良效果及選擇最佳室內水泥摻入比提供一定的依據，室內試驗內容主要包括擊實試驗，以確定最大干密度和最優含水量，以及液塑限試驗、無側限抗壓強度試驗。試驗方法嚴格按照《鐵路工程土工試驗規程》（TB10102-2004）進行。

本次試驗通過摻入水泥對黃土進行改良，重點為基床底層水泥改良土中的水泥摻入比為6%的試驗。水泥采用海螺牌PO42.5普通硅酸鹽水泥，其物理力學性質指標見表2。

2.1擊實試驗

土體密實度和含水量是影響路基填料壓實效果的重要因素，也是控制路基填筑質量的重要條件，當土體同時處于最大干密度及最優含水率狀態下，其壓實效果最好。擊實試驗的理論依據是土的三相（顆粒、水、空氣）之間的體積變化理論，隨著空氣及含水量的變化土顆粒得到重新排列[3][4][5]。當土體顆粒的排列達到最大干密度及相應的含水量之后，擊實作用大部分被水分承擔，土顆粒上的有效應力變小。此時，干密度隨含水量的增加而降低。

本次試驗采用輕型擊實法，分三層，每層擊數94下，單位體積擊實功2176.4kJ/m3。

擊實試驗得出的最大干密度為1.86g/cm3，最優含水量為13.2%，此指標對應的壓實系數K=1.0。設計要求的壓實系數K≥0.95。

2.2壓縮試驗

壓縮性是路基填料的重要力學性質指標，主要表現為路基填筑體的剛度。在上部荷載作用下，適當的路基剛度使填筑土體既不會產生過量的動態變形，也不會產生過大的瞬時變形。壓縮試驗主要測試黃土經水泥改良后，在不同等級垂直壓力下的壓縮特性，判定其壓縮性是否滿足作為路基填料。通過壓縮實驗可獲得不同摻和比改良土的壓縮系數和壓縮模量，為工后沉降變形提供可靠依據。試樣的干容重采用最佳干容重的95%[6]，含水率為最優含水率，標準養護28d后進行試驗，制樣采用尺寸為φ39mm×h80mm的環刀，每種配比制4個樣。試樣加荷等級依次為50kPa，100kPa，200kPa，300kPa。儀器采用南京土壤儀器廠生產的WG-1A型三聯固結儀測定。

2.3靜三軸試驗

土的強度指標是確定土的承載力的一個重要指標，主要測試水泥改良黃土在不同等級垂直壓力作用下抗剪強度，檢驗其是否作滿足作為路基填料的要求。

試驗采用不固結不排水剪方法，儀器采用GDS雙向振動三軸儀上進行。試樣尺寸為φ39mm×h20mm，每種配比制4個樣，在飽水狀態下養護28d，加荷速率ε=0.05%/min，在加載過程中，軸向壓力、軸向變形等數據由電腦采集處理，最終得出不同配合比改良土的內摩擦角和粘聚力。

2.4液塑限試驗

通過液塑限試驗測定黃土改良前后的液限、塑限、塑性指數的變化，研究不同配合比填料的工程性質，進而判斷改良黃土對實際工程是否可行。本試驗采用光電式液塑限聯合測定儀進行測定，將試樣風干后，過0.50mm的篩，取一定量（200g）的代表性土樣，摻入配合比分別為3%、5%、6%、7%的水泥，用純水將不同水泥配合比改良試樣調制成均勻膏狀，放入調土皿，浸潤一晝夜后進行試驗。

2.5干濕循環無側限抗壓強度試驗

由于鐵路所經地段氣候環境復雜多變，填筑土在旱季失水后收縮，在雨季吸水后膨脹，多次循環后導致填料土體結構發生變化，土體的強度也不同程度降低。因此，通過對不同配合比水泥改良黃土進行干濕循環試驗，測定水泥改良后黃土在干濕循環交替作用下抗壓強度是否滿足作為路基填料，評定其水穩性能，同時為選擇最佳水泥配合比提供設計依據。

試驗要點：

（1）不同配合比水泥改良黃土摻合料按其最優含水率制備，密度采用最大干密度的95%。

（2）嚴格控制試件飽和度。通過計算飽和度大于95%即認為試樣達到飽和。

（3）嚴格控制試件風干含水量為最優含水量。

（4）加壓時應使試件軸向受力，若試件傾斜將導致其內部受力不均勻，測得的強度將有所降低。

試件采用全封閉，養生穩定控制在20±2℃，濕度95%，養生28天。取出養生后試件，在25℃水中浸泡24小時，然后在60℃條件下烘6小時，經過5次干濕循環后進行飽水無側限抗壓強度試驗。

3 試驗結果分析

3.1擊實試驗

試驗結果按下列公式計算并繪圖：

（3）以干密度為縱坐標，含水率為橫坐標，繪制干密度與含水率關系曲線，曲線上峰值點的縱橫坐標分別表示該擊實試樣的最大干密度和最優含水量。詳見圖2。

根據以上擊實干密度與含水量的關系曲線，得出不同配合比水泥改良黃土的最大干密度及最優含水量，見表3。

由表3可知，黃土經水泥改良后的最優含水量較改良前有所增大，在一定的水泥配合比范圍內，最大干密度較改良前變化幅度不大。

圖3為最大干密度及最優含水率與水泥配合比的關系曲線，從圖中可以看出，不同配合比條件下，改良黃土填料的最優含水率隨水泥配合比的增大呈減小趨勢，主要原因在于向黃土中加入水泥的細度較黃土要大，吸收的水分也相對較高；而最大干密度在較小配合比范圍內隨水泥配合比不同其變化幅度不大。

3.2壓縮試驗

不同配合比水泥改良黃土壓縮試驗結果見表4。由表中數據可以明顯看出，改良后黃土壓縮系數α1.0～2.0均不大于0.05 MPa-1，較改良前（0.10 MPa-1）有很大程度減小，屬于低壓縮性土，滿足路基填料設計要求；壓縮模量比改良前（14.4 MPa）有很大程度提高，這說明黃土摻入水泥后壓縮性能大大提高，可有效的減小路基的沉降變形，利于線路的平順和列車的安全運行。

3.2.1壓縮系數、壓縮模量與水泥配合比的關系

為進一步研究不同配合比水泥改良黃土壓縮性能改善情況和變化規律，繪制了改良黃土壓縮系數及壓縮模量與水泥配合比的關系曲線，見圖2。從圖中可以看出，隨水泥配合比增大，水泥改良黃土的壓縮系數逐漸減少，而壓縮模量逐漸增大。水泥配合比從3%～5%時，壓縮系數變化較大；水泥配合比從5%～7%時，壓縮系數基本無變化；水泥配合比從3%變化到7%時，壓縮模量均有不同程度的增大。因此，在滿足路基填料的要求下，水泥對此類黃土的壓縮性能改善存在一個最佳水泥配合比。

3.2.2 e—lgP關系曲線

本次試驗主要研究不同配合比水泥改良黃土壓縮特性及其變化規律，由于不同配合比水泥改良黃土初始孔隙比不同。因此，為更好的研究不同配合比水泥改良黃土孔隙比隨軸向應力增大的變化規律，試驗對不同配合比改良黃土孔隙比e=ei /e0與軸向應力做了歸一化處理，得到不同配合比水泥改良黃土壓縮（e—lgP）曲線，見圖3。從圖中可以看出，隨著軸向荷載變大，其孔隙比逐漸減小，水泥改良黃土明顯比素土的抗軸向變形能力好很多，不宜產生過大不均勻變形。

3.3靜三軸試驗

通過靜三軸試驗，可以獲得改良土的內摩擦角φ和粘聚力c。從表5可以看出，水泥土的φ角和粘聚力c都有很大程度的提高，隨著水泥摻量的增加而增大，粘聚力的增長速度大于摩擦角的增長速度。因此，向黃土中摻入一定配合比水泥對其粘聚力影響較大，摩擦角影響相對較小，主要依靠增大粘聚力來提高改良后黃土強度。

3.4液塑限試驗

水泥改良黃土液塑限試驗結果見表6，水泥改良黃土液限、塑限、塑性指數都較重塑土有明顯增大。主要原因在于向黃土中摻入一定量水泥后，形成一定的膠結物，其比表面積增大，吸收的水分也相應的增加，這是液限、塑限、塑性指數增大的原因。黃土加入水泥后，改變了黃土原來粉質、濕陷性特征，增強了其穩定性，同時也大大提高了路基的承載力。

3.5 干濕循環無側限抗壓強度試驗

不同配合比水泥改良黃土經過5次干濕循環無側限抗壓強度見表7。由表7可知，不同配合比水泥改良黃土養護后抗壓強度均大于500kPa，滿足路基設計要求。隨著水泥配合比的增大，改良黃土的無側限抗壓強度呈增大趨勢。

為研究干濕循環前后不同配合比改良黃土抗壓強度變化，本試驗主要以干濕循環前后改良黃土的強度比來比較直觀的衡量其水穩性能。從表中可以看出，經5次干濕循環后，不同配合比水泥改良黃土強度比均在0.8附近，即整體水穩性能較好。

4 結論

經上述試驗和分析，可以得到如下結論和建議：

（1）含水量對水泥改良黃土的工程性質影響較大，因此在施工中要煙盒控制填料的含水量使其達到最優含水量；另外也要注意防止基床雨水下滲和路基坡面的防護。

（2）黃土經水泥改良后壓縮系數減小，壓縮模量提高，提高了黃土的壓縮性能，起到了減小路基的沉降變形目的。

（3）黃土經水泥改良后，液限、塑限、塑性指數都有明顯增大，增強了其穩定性，提高了路基的承載力。

（4）通過改良黃土的耐久性試驗可知，經過5次干濕循環，不同配合比水泥改良黃土試件抗壓強度損失率均小于25%，水穩性能較好。

（5）試驗證明，此類黃土采用水泥進行改良是可行的，滿足作為路基填料的要求。

本試驗證明黃土采用水泥改良是可行的，在滿足高速鐵路路基填料的要求條件下，同時從經濟性因素考慮，確定室內水泥改良黃土最佳摻入比為5%；由于室內試驗條件和工地現場條件存在一定差別，故現場施工配合比應比試驗配合比提高0.5～1%，最終確定施工時水泥改良黃土施工配合比為6%，即路基基床底層填料采用黃土摻入6%水泥改良。

本文僅對靜力條件下水泥改良黃土的工程特性進行了研究，對改良土的動力特性研究還有待深入，特別是臨界動應力試驗的研究。

參考文獻：

[1] 周神根等.高速鐵路路基設計技術條件研究.見：國家“八五”科技攻關項目—高速鐵路線橋隧設計參數選擇的研究（研究報告之六）.北京：鐵道部科技研究院鐵道建筑研究所，1995.

[2] 楊有海，蘇在朝，夏瓊，馬學寧. 雙灰料填筑及加固既有鐵路黃土路基基床原理及應用[A]. 中國交通土建工程學術論文集（2006）[C]. 2006.

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[4] Konrad J.M.Physical processes during freeze-thaw cycles in clayeysilts[J].Cold Regions Science and Technology，1989，16（6）：291-303.

[5] Yong R N，Boonsinsuk P.Alteration of soil behavior after cyclicfreezing and thawing[A].In：Proc.of Fourth International Symposium on Ground Freezing [C].Sapporo：[s.n.]，1985.

[6] 中華人民共和國鐵道部.鐵路工程土工試驗規程[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

作者簡介：劉倍利（1982— ），男，工程師，碩士研究生，2007年畢業于長安大學公路學院巖土工程專業，現主要從事鐵路工程建設管理工作。通訊地址：西安市新城區建工路9號，郵編：710043。