水、干濕及凍融循環作用下水泥改良黃土路基穩定性

蔣應軍,王翰越,喬懷玉,岳衛民,董 鑫

(1.長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室,西安 710064；2.長安大學公路學院,西安 710064；3.陜西省鐵路集團有限公司,西安 710064；4.陜西西法(北線)城際鐵路有限公司,扶風 722200)

西韓城際鐵路沿線地質主要為自重濕陷性黃土,屬于C組填料,疏松多孔、抗壓強度低、水穩性差等工程特點[1],不滿足路基填料技術要求。而水泥改良黃土因抗壓強度較高、施工簡便、工程成本較低等優點[2],被作為路基填料在鐵路工程中得到廣泛應用[3],可路基受地域受自然環境影響較大,致使填料工程性質發生變化,從而路基穩定性降低[4]。因此,對西韓城際鐵路水泥改良黃土路基穩定性展開研究具有重要的工程價值和實踐意義。針對改良土路基填料穩定性,中外學者進行了一定研究。Graham等[5]研究發現,凍融作用改變了黃土結構。Shihata等[6]采用無側限抗壓強度評價了水泥土凍融作用下穩定性。馬學寧等[7]研究了黃土摻入石灰、水泥后水穩定性變化規律。周建基等[8]對不同石灰摻量改良黃土進行浸水飽和和未浸水固結試驗,發現7%石灰摻量的改良土水穩性能最優。張鴻迪[9-10]基于凍融循環試驗和浸水試驗研究了礦渣粉、石灰、脫硫石膏摻量對改良黃土穩定性影響規律。房立鳳等[11-12]研究表明不同水泥摻量改良黃土干濕循環5次后強度損失低于22%。楊林等[13]研究了凍融作用下固化土力學特性變化規律,隨凍融次數增加,固化土抗壓強度損失率不超過50%。陳翔等[14]研究了干濕循環作用對纖維土抗剪強度影響規律,纖維參量為0.3%時,抑制干濕作用明顯。王銀梅等[15]、王建良[16]研究了水和溫度對改良黃土力學性能的影響。

由以上研究可知,不同的路基填料干濕凍融循環后力學性質下降程度不同,且填料設計中較少考慮水穩定性的影響,給鐵路路基長期穩定使用造成了安全隱患。另外,鐵路路基填筑過程中,路基不同層位的壓實標準不同,研究壓實系數對路基穩定性的影響具有重要意義。鑒于此,依托西韓城際鐵路,系統研究了水泥劑量、壓實系數、養生齡期對改良黃土水穩系數、干濕循環殘留強度比及凍融循環殘留強度比的影響規律,供工程實踐參考。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

1.1.1 黃土

土樣取自西韓城際鐵路項目施工現場,物理性質如表1所示。

表1 黃土物理性質Table 1 Physical properties of loess

1.1.2 水泥

水泥選用陜西堯柏特種水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥P.O42.5。技術性質如表2所示。

表2 水泥技術性質Table 2 Technical properties of cement

1.2 試驗方案

1.2.1 水穩試驗

研究水泥劑量、養生齡期、壓實系數對水泥改良黃土水穩定性的影響規律。試驗方案如表3所示,每組試驗采用6個平行試件。

表3 水穩試驗方案Table 3 Water stability test plan

1.2.2 干濕、凍融循環試驗

結合西韓城際鐵路沿線氣候環境特點,研究水泥劑量、壓實系數對干濕凍融條件下水泥改良黃土抗壓強度影響規律,擬養生齡期為28 d。試驗方案如表4所示,每組試驗采用6個平行試件。

表4 干濕、凍融試驗方案Table 4 Dry-wet,freeze-thaw test plan

2 試驗方法

2.1 試樣制備及養護

根據《鐵路土工試驗規程》(TB 10102—2010)重型擊實試驗Z1法確定各級水泥劑量改良黃土最佳含水率和最大干密度,采用靜壓法制備φ100 mm×100 mm的試件。試件制備完畢后,采用塑料薄膜包好,放入溫度(20±2) ℃、相對濕度95%以上的標準養護室進行養生。

2.2 水穩試驗

采用相同試驗條件下水泥改良黃土浸水試件無側限抗壓強度與不浸水試件無側限抗壓強度的比值水穩系數評價改良土水穩定性。

2.3 干濕循環

試件養生齡期最后一天,從養護室中取出試件并稱取質量m0,后將試件浸泡于20 ℃水中一晝夜使其飽和；浸水完畢后濕布擦除表面水分,稱取試件飽和狀態下的質量m1,并進行干濕循環。干濕循環中,采用將飽和的試件置于陰涼通風處自然風干的方式進行脫濕,風干過程中每隔2 h稱取質量m′,當m′=(m0±5) g時,認為試件達到最佳含水率,停止風干；試件風干至最佳含水率后,將試件再次浸泡于20 ℃水中16 h,此為一次干濕循環。

2.4 凍融循環

參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)凍融試驗方法。設置凍結溫度為-18 ℃,凍結時間為16 h；融化方式選用水融,融化溫度為20 ℃,融化時間為8 h,此為一次凍融循環。

當試件達到相應干濕、凍融次數后,進行無側限抗壓強度試驗,加載速率為1 mm/min。按式(1)、式(2)分別計算干濕殘留強度比ηG和凍融殘留強度比ηD。

(1)

(2)

式中:qGu為試件干濕循環n次后的抗壓強度,MPa；qDu為試件凍融循環n次后的抗壓強度,MPa；qu為試件浸水抗壓強度,MPa。

3 試驗結果與分析

3.1 水穩試驗

3.1.1 水泥劑量影響

水泥劑量對改良黃土水穩系數影響如圖1所示。由圖1可知,同一壓實系數K和養生齡期下,隨水泥劑量增加,水泥改良黃土水穩系數基本呈遞增趨勢,且水泥劑量≥4%后,改良土水穩系數增長非常緩慢,逐漸趨近水平漸近線,說明水泥劑量對改良黃土水穩定性提升效果較小。當水泥劑量由2%增加至3%時,壓實系數≥0.95的改良黃土水穩系數至少平均提高了6.7%；當水泥劑量由3%增加至4%時,改良土水穩系數至少提高了3.0%。

圖1 水泥劑量-水穩系數關系Fig.1 Relationship between cement dosage and coefficient of water stability

3.1.2 壓實系數影響

壓實系數K對改良黃土水穩系數的影響如圖2所示。由圖2可知,同一水泥劑量和養生齡期下,隨壓實系數增加,水泥改良黃土水穩系數逐漸提高,改良黃土各齡期水穩系數與壓實系數具有良好的線性關系,其中2%水泥劑量黃土7 d水穩系數增速較大,壓實系數提高0.01,改良黃土水穩系數約提高9.5%；當水泥劑量≥3%,壓實系數由0.92提高1.00,水泥改良黃土水穩系數平均提高了21.6%～25.6%,說明通過提高水泥改良黃土壓實系數對改善其水穩性效果明顯。

圖2 壓實系數-水穩系數關系Fig.2 Relationship between compaction factor and coefficient of water stability

3.1.3 養生齡期影響

養生齡期對改良黃土水穩系數影響如圖3所示。由圖3可知,相同水泥劑量與壓實系數下,隨養生齡期增加,水泥改良黃土水穩系數逐漸增大,且前14 d水穩系數增長速度明顯快于后期水穩系數增長速度,這與水泥的水化反應速度相關。當養生齡期由7 d延長至14 d時,2%水泥劑量改良黃土水穩系數顯著提高,至少提高了27.8%,而其他水泥劑量改良黃土水穩系數提高速率相近,平均提高了12.5%；當養生齡期由14 d延長至90 d時,2%、3%、6%水泥劑量改良黃土水穩系數分別平均提高了3.2%、11.4%、7.7%。說明2%水泥劑量改良黃土水穩性差,隨齡期延長,2%水泥劑量改良土水穩性改善效果明顯優于其他水泥劑量改良黃土。這是因為水泥劑量較少時,對改良黃土形成穩定結構影響較少,從而改良黃土強度抵抗水破壞作用較弱。

圖3 養生齡期-水穩系數關系Fig.3 Relationship between health age and coefficient of water stability

2%水泥劑量改良黃土試件標準養生6 d浸水24 h后外觀如圖4所示,壓實系數越低,試件破損越嚴重,壓實系數0.92試件底部破損嚴重,壓實系數0.92試件底面出現裂縫,說明低水泥劑量的改良黃土水穩定性較差。

圖4 2%水泥劑量改良黃土試件浸水外觀Fig.4 2% cement dosage improves the appearance of loess specimens in water

3.2 干濕循環試驗

3.2.1 水泥劑量影響

水泥劑量對干濕條件下改良黃土抗壓強度影響如圖5所示。由圖5可知,同一壓實系數和干濕次數下,改良黃土抗壓強度隨水泥劑量增加呈線性增長,且抗壓強度提高速率相近,與干濕循環次數相關性較小。水泥劑量每增加1%,壓實系數為0.92、0.95、0.97的改良黃土干濕循環作用后抗壓強度分別提高了24%～28%、21%～24%、18%～20%,說明水泥劑量的增加,有效地抑制了干濕作用對水泥改良黃土抗壓強度的劣化作用,且對同一壓實系數的改良黃土抵抗干濕循環作用的效果相近。另外,相同干濕循環作用條件下,壓實系數為0.92、4%水泥劑量改良黃土抗壓強度略低于壓實系數0.95、3%水泥劑量改良黃土抗壓強度,約0.05 MPa；干濕循環次數≥15次時,壓實系數0.95、6%水泥劑量改良黃土略高于壓實系數為0.97、4%水泥劑量改良黃土抗壓強度,約0.06 MPa；而壓實系數為0.95、6%水泥劑量改良黃土干濕7、9、12次的抗壓強度與壓實系數為0.97、4%水泥劑量改良黃土干濕5、7、9次的抗壓強度相當。對此,水泥改良黃土路基填料設計與壓實工程中,可通過提高路基壓實水平,優化改良黃土水泥劑量,以降低工程成本。

圖5 水泥劑量-干濕條件下抗壓強度關系Fig.5 Relationship between cement dosage and compressive strength under dry and wet conditions

3.2.2 壓實系數影響

壓實系數對干濕條件下改良黃土抗壓強度影響如圖6所示。由圖6可知,同一水泥劑量和干濕次數下,改良土抗壓強度qGu隨壓實系數K增大呈線性增長,且抗壓強度提高速率相近,與干濕循環次數相關性較小。壓實系數每提高0.01,2%、3%、4%、6%水泥劑量改良黃土抗壓強度分別平均提高了13%、12%、11%、8.5%,可見通過提高水泥改良黃土壓實系數可改善其干濕條件下的穩定耐久性,且壓實系數對不同水泥劑量改良黃土抗壓強度提升效果基本相當。

圖6 壓實系數-干濕條件下抗壓強度關系Fig.6 Relationship between compaction factor and compressive strength under dry and wet conditions

3.2.3 干濕次數影響

干濕次數對改良黃土抗壓強度影響如圖7所示。由圖7可知,同一壓實系數下,不同水泥劑量改良黃土抗壓強度與干濕循環次數變化曲線基本一致,隨干濕次數增加,抗壓強度逐漸減小,當干濕循環次數≥15次后,抗壓強度趨于穩定值。說明干濕次數對改良黃土抗壓強度劣化作用逐漸減弱,且超過一定次數后,改良黃土抗壓強度受干濕作用較小。當干濕次數為15次時,水泥改良黃土干濕殘留強度比約為44%,較改良黃土干濕1次殘留強度比降低了38%,可見水泥改良黃土在干濕作用下抗壓強度降低幅度顯著。

圖7 干濕次數-抗壓強度關系Fig.7 Relationship between wet and dry times and compressive strength

3.3 凍融循環試驗

3.3.1 水泥劑量影響

水泥劑量對凍融條件下改良黃土抗壓強度影響如圖8所示。2%水泥改良黃土凍融循環超過9次后,試件發生斷裂破壞。

圖8 水泥劑量-凍融條件下抗壓強度關系Fig.8 Relationship between cement dosage and compressive strength under freeze-thaw conditions

由圖8可知,同一壓實系數和凍融次數下,改良黃土抗壓強度隨水泥劑量增加呈線性增長,且凍融次數超過5次后,其抗壓強度提高幅度相近。水泥劑量每增加1%,壓實系數為0.92下改良黃土凍融1、3、5、7、9次的抗壓強度分別約提高了30%、31%、35%、54%、75%,壓實系數為0.95下抗壓強度分別約提高了24%、25%、28%、48%、81%,壓實系數為0.97下抗壓強度分別約提高了20%、21%、25%、41%、69%,可見凍融循環前5次,水泥劑量對改良黃土抵抗凍融影響的效果差異不大,而凍融超過5次后,改良黃土抗壓強度提高速率顯著提高。這是因為水泥劑量較低時,致使水泥水化生成物較少,與土粒形成的結構抵抗凍融作用性能較差,而較高水泥劑量的改良黃土骨架結構之間聯結緊密,抗凍效果較好,使得2%水泥劑量改良黃土凍融作用下抗壓強度損失遠大于較高劑量的改良黃土抗壓強度損失,從而改良黃土凍融超過5次后抗壓強度提高速率顯著提高。另外,相同凍融循環作用條件下,壓實系數為0.92、4%水泥劑量改良黃土抗壓強度略低于壓實系數為0.95、3%水泥劑量改良黃土抗壓強度,約0.04 MPa；壓實系數為0.95、6%水泥劑量改良黃土抗壓強度高于壓實系數為0.97、4%水泥劑量改良黃土抗壓強度,約0.12 MPa。對此,結合水穩試驗和干濕、凍融循環試驗結果,可認為壓實系數為0.92、4%水泥劑量改良黃土與0.95、3%水泥劑量改良黃土穩定性能相當,壓實系數為0.95、6%水泥劑量改良黃土與壓實系數為0.97、4%水泥劑量改良黃土穩定性能相當。

3.3.2 壓實系數影響

壓實系數對凍融條件下水泥改良黃土抗壓強度影響如圖9所示。由圖9可知,同一水泥劑量和凍融次數下,改良黃土抗壓強度隨壓實系數增大呈線性增長,且凍融循環次數超過5次后,3%、4%、6%水泥劑量改良黃土抗壓強度提高幅度相近。壓實系數每提高0.01,水泥劑量改良土抗壓強度提高了10%～14%,略高于干濕作用下改良黃土抗壓強度提高速率,說明提高水泥改良黃土壓實系數能較好地改善抗凍性能。

圖9 壓實系數-凍融條件下抗壓強度關系Fig.9 Relationship between compaction factor and compressive strength under freeze-thaw conditions

3.3.3 凍融次數影響

凍融次數對改良黃土抗壓強度影響如圖10所示。由圖10可知,同一水泥劑量和壓實系數下,水泥改良黃土抗壓強度隨凍融次數增加呈減小趨勢,當凍融次數≥12次后,抗壓強度趨于穩定；而2%水泥劑量改良黃土抗壓強度降低速率最大,且改良黃土試件凍融9次后發生斷裂破壞,3%水泥劑量改良黃土抗壓強度降低速率次之,這是由于水泥劑量較低,水泥水化產物與土粒形成的結構抵抗凍融作用差造成的。另外,2%水泥劑量改良黃土凍融9次的殘留強度比為23%,較改良黃土凍融1次殘留強度比降低了49%；改良黃土凍融12次的殘留強度比與壓實系數正向關,壓實系數0.92、3%水泥改良黃土凍融殘留強度比最小,為30%,較凍融1次殘留強度比降低了43%,壓實系數0.97、6%水泥劑量改良黃土凍融殘留強度比較凍融1次殘留強度比降低了26%。可見水泥劑量或壓實系數較小時,改良黃土在凍融作用下抗壓強度降低幅度很大,抗凍性能差。

圖10 凍融次數-抗壓強度關系Fig.10 Relationship between freeze-thaw times and compressive strength

4 結論

(1)改良黃土水穩系數隨水泥劑量增加或壓實系數提高或養生齡期延長均得到提高。水泥劑量≥4%,改良黃土水穩系數增長曲線平緩,對改善水穩穩定性較小；壓實系數由0.92提高至1.00,水穩系數提高了21.6%～25.6%,改善水穩定性明顯；前14 d水穩系數增長速度明顯快于后期水穩系數增長速度,養生齡期由14 d延長至90 d,水穩系數約提高了7.4%。

(2)干濕循環作用下,改良黃土抗壓強度分別隨水泥劑量增加或壓實系數提高呈線性增長,且抗壓強度提高速率相近,與干濕循環次數相關性較小；隨干濕次數增加,抗壓強度逐漸減小,當干濕循環次數≥15次后,改良黃土抗壓強度趨于穩定值,干濕15次的殘留強度比約為44%。

(3)凍融循環作用下,改良黃土抗壓強度分別隨水泥劑量增加或壓實系數提高線性增長,且凍融次數超過5次后,其抗壓強度提高幅度相近；水泥劑量為2%時,試件凍融次數超過9次后發生斷裂破壞,凍融9次的殘留強度比為23%；水泥劑量≥3%時,當凍融循環次數≥12次后,改良黃土抗壓強度逐漸減小至穩定值,其凍融12次的殘留強度比平均為42%。

(4)相同干濕、凍融循環作用條件下,壓實系數為0.92、4%水泥劑量改良黃土抗壓強度略低于壓實系數為0.95、3%水泥劑量改良黃土抗壓強度；壓實系數為0.95、6%水泥劑量改良黃土干濕7、9、12次的抗壓強度與壓實系數為0.97、4%水泥劑量改良黃土干濕5、7、9次的抗壓強度相當,壓實系數為0.95、6%水泥劑量改良黃土凍融后抗壓強度高于壓實系數為0.97、4%水泥劑量改良黃土凍融后抗壓強度,約0.12 MPa。建議改良黃土路基填料設計與壓實工程中,通過提高路基壓實水平,優化改良黃土水泥劑量。