遼西地區粗顆粒泥質砂巖水泥改良試驗研究

，， ，

（1.湖南科技大學 建筑與藝術學院，湖南 湘潭 411201；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；3.中建五局土木工程有限公司，湖南 長沙 410004）

1 研究背景

隨著國內高速鐵路的飛速發展，高速鐵路將穿越更多復雜的地質條件區域，但是高速鐵路對其路基變形有著嚴格的要求，這無疑會增加高速鐵路的修建技術要求。京沈客運專線途經的遼西地區，分布著大量的風化巖，其中較為常見的是泥質砂巖。這種路基土具有遇水膨脹軟化、失水收縮干裂的工程特性，因而限制了施工時對路基填料的就地取材。因此，需要對泥質砂巖進行改良，以提高其作為路基填料的利用率。

對于膨脹巖性能方面的研究，國內外學者們已經取得了諸多的成果[1-4]。如池澤成[1]、謝云[2]等，均采用三向膨脹儀，分別對不同地域的膨脹土進行了膨脹力的相關試驗，得知膨脹土的豎向膨脹力總是大于其橫向膨脹力。楊長青[3]、鐘志彬[4]等以膨脹性泥巖為研究對象，在室內開展了原狀巖樣浸水物化膨脹性試驗，得知巖樣吸水膨脹變形具有顯著的時間效應。傅學敏等[5]對軟巖（砂質泥巖、泥巖）進行了大量的膨脹性試驗，并且探究了軟巖的宏觀膨脹規律，同樣發現巖樣的膨脹率有很強的時間效應，并且證明了巖樣的層理方向對其膨脹率也有一定的影響。

國內外學者們對于改良膨脹巖土樣方面的研究也相對較多，如劉雨等[6]對水泥改良的泥質板巖粗粒土樣進行了大型靜三軸試驗，得出了該改良土樣的軸向應力-應變關系，并且得知改良后土樣的抗壓強度、黏聚力和彈性模量均得到了顯著的提高，土樣的線彈性變形范圍也顯著擴大，但是其內摩擦角的變化不大。孫姣姣等[7]研究了滲透時間對水泥改良土樣的強度以及滲透性能的影響，發現制備的水泥改良土樣的抗壓強度隨著滲透時間的增加而降低，但是其滲透系數隨著滲透時間的增加而增大。劉占一[8]通過剪切試驗，不僅對水泥改良土樣的機理進行了分析，而且對改良土樣的主要影響因素進行了探討，試驗結果表明，經水泥改良后可以較大程度地提高土樣的抗剪強度，并且隨著土樣初始含水率與水泥摻入量的增加，土樣的抗剪強度均不斷增加。閆愛軍[9]用水泥對黃土狀土樣進行了改良，并且經過對比試驗獲得了最佳的改良方案。高建偉等[10]用水泥對膨脹性土進行了改良，并且通過試驗研究了水泥改良膨脹土的強度特性，所得結果表明，水泥的添加不僅抑制了膨脹土的膨脹性能，并且增強了改良土的水穩性和土體強度。

綜上所述，水泥是一種良好的膨脹土改良劑，水泥的添加既能抑制土樣的膨脹性能，也能增加土樣的抗剪強度[11-14]。但是已有的研究成果大多數停留在對細顆粒小環刀試樣的研究，而對于土顆粒粒徑超過20 mm的膨脹土樣的研究相對較少，因此，本文擬通過改良現有儀器，對泥質砂巖進行大粒徑原樣土的改良試驗，這樣的試驗結果會更加貼近實際工程，以期對現場改良泥質砂巖作為路基填料方案提供更具價值的理論參考。

2 基本參數

本課題組依照鐵路工程土工試驗規程[15]，對遼西地區的泥質砂巖進行了大量的室內土工試驗，得出了該地區泥質砂巖的基本物理力學指標，具體指標與數據如表1所示。

表1 遼西地區泥質砂巖的基本物理力學指標Table 1 Basic physical and mechanical indicators of argillaceous sandstone in Western Liaoning

實驗過程中發現，該地區泥質砂巖具有黏性土的特征，雖然在烘干狀態時較為堅硬，但是遇水后即呈泥漿狀。因此，對遼西地區的泥質砂巖進行了干篩和濕篩的對比，得到的泥質砂巖級配曲線與級配情況如圖1和表2所示。

圖1 泥質砂巖級配曲線Fig.1 Argillaceous sandstone grading curves

表2 泥質砂巖級配情況Table 2 Shale sandstone grading

表2中，d10、d30、d60分別為粒徑分布曲線上的縱坐標上質量分數等于10%,30%,60%時對應的粒徑，其中d10稱為有效粒徑；Cc為曲率系數；Cu為不均勻系數。

由圖1所示泥質砂巖干篩和濕篩的級配曲線可以得知，經過干篩和濕篩處理后，所得到的泥質砂巖顆粒的直徑分布的差異較大，濕篩中各顆粒粒徑土的通過率大大提高。從數值上分析，干篩中顆粒直徑為0.075 mm的通過率僅為1.68%，而濕篩的同粒徑土的通過率達到了80.7%。如此巨大的差異，說明了大中粒徑的土顆粒是由細顆粒（依據鐵路規范，細顆粒土的粒徑不大于0.075 mm）黏結而成，故大中粒徑的土顆粒在遇水及外力的雙重作用下可以解散為細顆粒。因此，在室內擊實試驗和現場施工中，如果遇到降水或者地下水位上升，再加之外力做功，將使得泥質砂巖濕土顆粒破碎，從而形成新的級配結果。而通過濕篩的泥質砂巖級配情況良好，并且由其不均勻系數為45.4可以得知，泥質砂巖具有極好的不均勻性，易于壓實。

3 試驗儀器改進概述

由鐵路工程土工試驗規程[15]可以得知，土樣的膨脹性試驗主要有無荷膨脹率試驗、有荷膨脹率試驗和膨脹力試驗。相比有荷膨脹率試驗和膨脹力試驗，無荷膨脹率試驗更能滿足基床表層和基床底層填料屬于無荷載和低荷載的工程實際要求，并且具有操作簡單、試驗結果準確、試驗效率高等優點。傳統的試驗試樣為環刀樣（直徑為61.8 mm，高20 mm），且要求土樣最大的顆粒粒徑應小于2 mm，因此需要將風化巖過2 mm篩后再進行試驗，這與工程現場最大粒徑為20 mm的泥質砂巖原樣土有明顯的差異。故綜合考慮以上兩點，對改進試驗，采用體積更大的擊實筒試樣（直徑為152 mm，高116 mm）進行無荷膨脹率試驗。

制作擊實桶試樣時的膨脹率制樣刻畫標記線與人工整平如圖2所示。

圖2 膨脹率制樣刻畫標記線并人工整平Fig.2 Incremental rate sample plot line with artificial leveling

為保證改進試驗的合理性和準確性，在制作擊實桶試樣時具體改進以下3點：

1）按照所需要的壓實度稱取土樣，并將其分3層擊入擊實筒中，每次試驗結束后將擊實筒清洗干凈，自然晾干后刷油養護，以避免擊實筒表面銹蝕，造成土樣與筒壁間的摩擦增大，最終導致不能準確反映其在無荷狀態下的膨脹率。

2）試驗土樣過20 mm篩，且需要預先計算出土樣在各個壓實度下的土樣質量，再將土樣擊入擊實筒中。由于機具難于掌握，會導致土樣壓實標準超過所要求的壓實度。故將試樣分為3層擊樣，預先畫好每層的刻度線，并且最后一層應在高出筒邊沿1 cm左右時即停止機械擊樣，采用木錘人工擊實，并且整平試樣表面。

3）充分發揮土樣膨脹性能的前提是土樣能夠充分吸水，但是因擊實筒試樣的高度為116 mm、直徑為152 mm，加之泥質砂巖的滲透系數極小，將嚴重影響試樣的吸水能力。為了提高土樣的滲水性能，借鑒靜三軸試驗的經驗，擊實土樣時在筒壁周圍放置6條土工布條，以有效提高試樣的滲水性能。

具體的擊樣過程可以分為如下3步：

第一步，畫記刻度線。因試樣需要分3層進行擊樣，故按照擊實筒的高度（除去墊塊高度50 mm）為116 mm，確定每層試樣高度，約為39 mm，在相應位置處分別畫記刻度線。

第二步，擊實第一層。按照壓實度以及土樣的濕密度計算出該層所需要的土樣質量，并將土樣裝入擊實筒中，然后用擊實儀將土樣擊實至該層刻度線處，再用刮刀鑿毛其表面。

第三步，制作滲透通道，擊實后兩層試樣。在擊實完第一層后，借鑒靜三軸試驗中采用濾紙條充當滲透路徑的思路，本試驗中利用透水土工布條制作成滲透通道，以加快土樣的透水速度，提高擊實試驗效率。在擊實筒邊緣放置濾條布，并且依次擊入后兩層土樣，最后一層土樣接近筒沿的時候，取下擊實筒，用木錘人工擊實并處理平整。

本試驗均采用此種擊實桶制備試樣，擊實后的試樣如圖2b所示。

圖3所示為膨脹率試驗泡水讀數示意圖。

如圖3a所示，將擊實的試樣依次加裝底座、透水板并架設百分表，考慮到風化巖可能具有較強的膨脹性能，其膨脹量可能會超過普通百分表量程，所以選用了量程為50 mm的百分表。

如圖3b所示，本試驗采用兩組平行樣，每次測得兩組壓實度數據。加水前讀取百分表的初讀數，然后采用上下兩面同時加水的方法，即水池加水至試樣中土樣高度，同時往擊實筒內加水，以提高試樣的透水速率、加快土樣的膨脹速率，并通過人工采集數據后繪制試樣的膨脹率時程曲線。

圖3 膨脹率試驗泡水讀數示意圖Fig.3 Schematic diagram of expansion test reading

4 改良土試驗

4.1 原樣土膨脹率試驗

將過20 mm篩的泥質砂巖原樣土采用擊實筒制做試樣，在90%和95%兩種壓實度情況下，測得泥質砂巖試樣的無荷膨脹率隨時間的變化曲線如圖4所示。

圖4 不同壓實度的泥質砂巖膨脹率曲線Fig.4 Different compaction argillaceous sandstone expansion rates

由圖4所示不同壓實度泥質砂巖膨脹率曲線可以得知，在測試前期的較短時間內，泥質砂巖的無荷膨脹率陡增，表明土樣對水的敏感性強烈。過20 mm篩的泥質砂巖原樣土試樣在95%和90%兩種壓實度下，其無荷膨脹率分別為15.27%和13.69%，且由表1知泥質砂巖的自由膨脹率為51%。依據《鐵路工程土工試驗規程》（TB 10001—2017）[15]中的定名表，將泥質砂巖定名為高液限粉質黏土，屬于D組填料，故可以得知泥質砂巖具有一定的改良價值。

4.2 水泥改良土膨脹性試驗

通過查閱相關的文獻資料[6-14,16-17]，針對泥質砂巖的膨脹性和軟弱性兩種基本特征，選擇普通的硅酸鹽水泥作為改良劑，改良目標為抑制泥質砂巖的膨脹性為主，并且兼顧改善其軟弱性。為總結眾多水泥改良土中的最佳水泥摻雜量，設定泥質砂巖中的水泥添加質量分數分別為2%，4%，6%，8%。

將過20 mm篩的不同水泥添加量的泥質砂巖改良土，采用擊實筒制作試樣。制樣后，將試樣用塑料薄膜密封養護24 h，以保證試樣內部的水分充分遷移，并且采用改進后的無荷膨脹率試驗方法進行試驗操作，所得到的水泥改良土膨脹率與時間關系試驗結果如圖5所示，水泥摻量與無荷膨脹率的關系曲線如圖6所示。

圖5 水泥改良土膨脹率與時間關系曲線Fig.5 Relation curves of cement improved soil and time

由圖5所示水泥改良土膨脹率與時間關系試驗結果可以得知，隨著試驗時間的不斷增加，各不同添加量水泥改良膨脹土的無荷膨脹率開始迅速增加，然后基本趨于穩定。無荷膨脹率穩定時，摻入水泥質量分數為2%，4%，6%，8%土樣的無荷膨脹率分別為2.93%，1.15%，0.24%，0.51%。可見，水泥對泥質砂巖的膨脹性抑制效果十分明顯。

圖6 水泥摻量與無荷膨脹率關系曲線Fig.6 Relation curves between cement content and no-load expansion rate

由圖6所示水泥摻量與無荷膨脹率關系試驗結果可以得知，隨著水泥添加質量分數的增加，泥質砂巖改良土的無荷膨脹率呈現出先逐漸減小再逐漸增大的變化趨勢。當水泥添加質量分數為6%時，土樣的無荷膨脹率達最小值，為0.23%，表明此條件下對泥質砂巖的抑制效果最明顯。因此，當以膨脹率作為判斷標準時，泥質砂巖存在最佳的水泥摻量，即水泥的添加質量分數為6%左右。

4.3 水泥改良土強度試驗

對過20 mm篩的泥質砂巖原樣土和經添加質量分數為6%的水泥改良土試樣，采用加州承載比（California bearing ratio，CBR）試驗測定其強度，CBR值能反映土樣的路用強度性能。表3所示為泥質砂巖原樣土和水泥添加質量分數為6%的改良土的CBR值。

表3 泥質砂巖改良前后的CBR值Table 3 CBR values before and after the improvement of argillaceous sandstone

由表3可以得知，水泥作為改良劑，在其最佳添加質量分數6%時，改良的泥質砂巖土強度有了較大幅度的提升，試樣的CBR值從原樣土的2.6提高到改良后的11.2，強度約提高了331%，達到了高速鐵路路基填料的強度要求。

5 結論

本文通過改良現有儀器，對泥質砂巖進行了大粒徑原樣土的改良試驗，通過測試水泥改良土膨率與時間關系、水泥摻量與無荷膨脹率關系及水泥改良土的強度，可以得出如下結論：

1）泥質砂巖作為典型的風化巖，通過改良儀器對粗顆粒泥質砂巖進行改良試驗具有一定的可行性，其試驗結果對實際工程具有更高的參考價值。

2）水泥改良泥質砂巖具有很明顯的抑制膨脹性和改善軟弱性的效果，當水泥的添加質量分數為6%時，其擊實桶試樣的無荷膨脹率從原樣土的15.27%減小到改良土的0.23%，其CBR值從2.6提升為11.2，強度約提高了331%。

3）從泥質砂巖的強度和膨脹性兩方面來看，水泥改良土相較于原樣土均有較大的提升，因此可以考慮將泥質砂巖水泥改良土作為A、B組填料應用于高速鐵路路基填筑中，以提高風化填料的利用率，節約建設成本。