嚴(yán)寒地區(qū)風(fēng)積沙改良設(shè)計(jì)及改良土抗壓強(qiáng)度研究

姜勇軍 中鐵二十四局集團(tuán)南昌鐵路工程有限公司

風(fēng)積沙，又稱沙漠沙，是沙被風(fēng)沙流搬移到?jīng)_積平原地區(qū)形成沙丘而產(chǎn)生的，屬第四紀(jì)風(fēng)積物。我國沙漠面積約為71.29×104km2，占全國總面積的7.4%左右，主要分布于新疆、內(nèi)蒙古、青海等地。沙漠地區(qū)修筑線路工程一般依據(jù)就地取材原則，取風(fēng)積沙為原料進(jìn)行路堤填筑。

1.工程概況

新通客專（新建通遼至京沈高鐵新民北站客運(yùn)專線）項(xiàng)目自京沈客專新民北站引出，經(jīng)阜新市境內(nèi)的彰武站、章古臺站（預(yù)留車站）以及通遼市境內(nèi)的甘旗卡、木里圖引入通遼站，經(jīng)新民北站引入京沈高鐵，匯入全國高鐵網(wǎng)，是內(nèi)蒙第一條連接外部的高鐵。新通客專沿線普通填料匱乏，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，采用風(fēng)積沙摻加水泥進(jìn)行改良，嚴(yán)寒地區(qū)大面積水泥改良風(fēng)積沙填筑在國內(nèi)尚屬首例，無可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，通過在不斷的摸索試驗(yàn)過程中總結(jié)出了一套行之有效的辦法，并取得了很好的質(zhì)量效果，保證了高鐵路基填筑質(zhì)量。但是，整體造價(jià)費(fèi)用高、施工工序相對復(fù)雜、人工養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高，因此，在經(jīng)濟(jì)比選且符合相關(guān)規(guī)范要求的前提下，通過不同配比的填料改良，達(dá)到我們既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的目的。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)所采用的風(fēng)積沙取自內(nèi)蒙古通遼市科爾沁區(qū)甘旗卡鎮(zhèn)沙地，中鐵二十四局新通客專TLSG-3標(biāo)鐵路堤施工項(xiàng)目段附近，該區(qū)域地勢較平坦，局部有起伏，主要分布固定沙丘、半固定沙丘以及沙地等，植被覆蓋一般。現(xiàn)場取樣的沙經(jīng)去除雜質(zhì)后烘干冷卻，測得其所含主要礦物為石英，并含有少量的斜長石和鉀長石。根據(jù)室內(nèi)顆分實(shí)驗(yàn)計(jì)算獲得風(fēng)積沙的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為2.1和0.92；其不均勻系數(shù)Cu＜5，曲率系數(shù)Cc＜1，說明該地區(qū)風(fēng)積沙顆粒較均勻，屬不良級配土，一般情況下，不能直接用于高等級鐵路路堤填筑。

本文采用水泥和粘土作為外摻劑對天然風(fēng)積沙進(jìn)行改良，實(shí)驗(yàn)所用粘土采自距工程場地現(xiàn)場約30km外的取土場，天然含水率約為8.8%，液性指數(shù)和塑性指數(shù)分別為-0.59、10.19。實(shí)驗(yàn)所用的水泥為普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級為42.5，比表面積348m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度25.4%，初凝時(shí)間177min，終凝時(shí)間209min。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

選取三種實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行配比設(shè)計(jì)，配比方案見表1。將不同配比的實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)實(shí)驗(yàn)，并在最優(yōu)含水率的情況下制成15×15×15cm的立方體和φ40×80mm的圓柱體試樣。每種規(guī)格的試件分別制備4組，每組3個(gè)試樣。

將制備好的試樣在恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)7d后，再在室內(nèi)環(huán)境養(yǎng)護(hù)至28d；然后按照規(guī)范要求進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

表1 風(fēng)積沙改良土配比

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)積沙改良土水泥含量與單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系

當(dāng)粘土含量相同時(shí)，改變水泥的配比，測得各試樣的單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，四種配比試樣的曲線近似呈“S”型，即前段為“上凹”曲線，表明試樣處于孔隙壓密階段，隨著水泥含量的不斷增加，該階段的切線彈性模量不斷增加；中間部分是直線，表明試樣處于彈性變形階段；隨著荷載的不斷增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈“下凹”，試樣內(nèi)部薄弱面不斷產(chǎn)生，在外力的作用下破裂面增大加寬，延伸至整個(gè)試件，試樣破壞，試件在單軸壓力作用下的破壞形式為拉張破壞。另外，根據(jù)不同水泥配比風(fēng)積沙改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線還可發(fā)現(xiàn)，隨著水泥含量的增加，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線直線段的斜率逐漸變大，說明試樣的彈性模量隨水泥含量增加而變大。

當(dāng)風(fēng)積沙改良土中粘土含量為10%時(shí)，隨著水泥含量增加，風(fēng)積沙改良土的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸增加；當(dāng)水泥含量低于5%時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度隨水泥含量增加較快，而水泥含量超過5%時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度隨水泥含量增加相對較慢。

3.2 風(fēng)積沙改良土粘土含量與單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系

通過實(shí)驗(yàn)，選取四種不同配比，分別為5%水泥、5%水泥+5%黏土、5%水泥+10%黏土、5%水泥+15%黏土，四種不同粘土配比試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，與圖1相似，應(yīng)力-應(yīng)變曲線也近似呈“S”型，但是，總體上試樣的孔隙壓密階段表現(xiàn)并不明顯，可見粘土含量在一定范圍內(nèi)時(shí)，可填充風(fēng)積沙顆粒與顆粒之間、水化反應(yīng)生成膠結(jié)物與風(fēng)積沙顆粒之間的空隙，使試樣處于較緊密的狀態(tài)。另外，從實(shí)驗(yàn)得出，應(yīng)力-應(yīng)變曲線直線段斜率隨粘土含量增加而變小，說明粘土含量的增加減小了風(fēng)積沙改良土的彈性模量。

圖1 不同水泥配比風(fēng)積沙改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過實(shí)驗(yàn)對比，我們得出風(fēng)積沙改良土試樣的單軸限抗壓強(qiáng)度與粘土的摻入量關(guān)系為：隨著粘土含量的增加，試樣的單軸限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在粘土摻量達(dá)到10%時(shí)，單軸限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值871.07kPa；當(dāng)粘土含量繼續(xù)增加時(shí)，試樣的單軸限抗壓強(qiáng)度開始減小。同時(shí)，粘土含量的增加對風(fēng)積沙改良土的峰值應(yīng)變有較大影響，且隨著粘土含量的增加，峰值微應(yīng)變呈指數(shù)增加。說明隨著粘土摻入量的增加，風(fēng)積沙改良土的延性不斷增強(qiáng)。

4.結(jié)束語

本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)科爾沁沙地風(fēng)積沙為研究對象，以水泥和粘土外摻劑，設(shè)計(jì)不同的風(fēng)積沙改良土配比方案，對不同配比的風(fēng)積沙改良性土試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究不同配比風(fēng)積沙改良土的強(qiáng)度變化規(guī)律，為風(fēng)積沙改良土的優(yōu)化配比方案設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)，并得出了以下主要結(jié)論：

（1）水泥能夠明顯的提高風(fēng)積沙的抗壓強(qiáng)度，而且隨著的水泥摻量的增加，風(fēng)積沙改良土的單軸抗壓強(qiáng)度明顯提高，同時(shí)，改良土的彈性模量逐漸增大，其脆性也逐漸增大。

（2）風(fēng)積沙摻水泥后，適當(dāng)?shù)負(fù)饺胝惩烈嗄茉黾语L(fēng)積沙改良土的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)水泥含量不變時(shí)，隨著粘土含量的增加，試樣的單軸限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；另外，隨粘土含量增加，改良土的彈性模量逐漸減小，其延性逐漸增大。

（3）綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，5%水泥+10%粘土配比的風(fēng)積沙改良土試樣具有最高的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)具有較好的延性，建議作為新建通遼至京沈高鐵新民北站客運(yùn)專線風(fēng)積沙改良配比方案。