城際鐵路水泥改良黃土填料力學特性

蔣應軍，張 偉，李啟龍，喬懷玉

(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.陜西省鐵路集團有限公司，西安 710199)

0 引 言

黃土是中國北部廣泛分布的一種特殊土，具有濕陷性，浸水后易發生顯著沉陷，因而通常需要對黃土進行物理或化學改良后再應用于工程建設[1-6]。“一帶一路”沿線地形地貌多樣，黃土分布廣泛，是城際鐵路建設不可避免的筑路材料。目前，我國城際鐵路建設中，改良黃土水泥劑量通常采用經驗值(基床底層填筑6%水泥改良黃土、基床以下填筑4%水泥改良黃土)，而黃土種類繁多，直接采用經驗值進行改良施工，不僅不能全面掌握黃土路基強度和水穩定性，還可能造成經濟上的浪費。因此，揭示改良黃土路基填料力學特性及影響因素可以優化黃土路基材料設計與填筑工藝，確保工程質量以及降低工程造價。萬志輝等[7]研究了水泥劑量和養護齡期對水泥土力學特性的影響規律。鹿群等[8]對素水泥土及纖維水泥土進行了無側限抗壓和疲勞試驗。陳中學等[9]研究了水泥對不同種類軟土無側限抗壓強度的改善效果。阮錦樓等[10]研究了水泥改良粉質黏土無側限抗壓強度的發展規律，并建立了強度增長方程。崔永成等[11]研究了粉煤灰與水泥摻量比對水泥土抗壓強度的影響規律，發現水泥土強度分別與粉煤灰摻量和含水率線性相關。馬曉宇等[12]研究了礦粉水泥復合改良土抗壓強度的發展規律。徐麗娜等[13]研究了玄武巖纖維水泥改良淤泥土抗壓強度的增長規律。

隨著現代壓實設備性能的提升，可進一步提高黃土路基壓實系數，而當前主要依據《鐵路路基設計規范》(TB 1001—2016)中壓實質量要求對改良黃土力學特性展開研究，關于壓實系數對路基力學強度的研究較少。另外，黃土工程性質具有較強的區域性[6]，且水泥改良黃土力學特性與水泥劑量、壓實系數、養護齡期緊密相關。鑒于此，本文依托西韓城際鐵路項目，系統研究了水泥劑量、壓實系數、養護齡期等因素對水泥改良黃土路基填料力學特性的影響規律，提出水泥劑量設計方案，成果可供工程實踐參考。

1 實 驗

1.1 原材料

黃土土樣取自西韓城際鐵路項目施工現場，其物理性質見表1。水泥選用陜西堯柏特種水泥有限公司生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其技術性質見表2。

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

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

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗方案

(1)水泥劑量

研究水泥劑量對改良黃土力學特性的影響，提出改良黃土水泥劑量的設計方案。水泥劑量擬采用2%、3%、4%、6%、8%，均為質量分數。

(2)壓實系數

結合TB 1001—2016和現場路基試驗段壓實水平，分析壓實系數對改良黃土力學特性影響。壓實系數K擬采用0.92、0.95、0.97、1.00、1.02。

(3)養護齡期

根據改良黃土力學特性隨養護齡期延長的變化規律，探討養護齡期對改良黃土力學強度影響，建立力學強度預估方程。養護齡期擬采用7 d、14 d、28 d、60 d、90 d。

1.2.2 試驗方法

采用無側限抗壓強度及劈裂強度評價水泥改良黃土力學特性。試件尺寸為φ100 mm×100 mm。

(1)試樣制備及養護

試件采用靜壓法成型。將制備好的試件用塑料薄膜包好，置于濕度95%、溫度(20±2) ℃養護室養護至規定齡期。

(2)無側限抗壓強度試驗

參照《鐵路工程土工試驗規程》(TB 10102—2010)測試水泥改良黃土試樣的無側限抗壓強度。根據式(1)計算試樣抗壓強度。

(1)

式中：qu為試樣無側限抗壓強度，MPa；P為試樣破壞時的最大荷載，N；A為試樣截面面積，mm2。

(3)劈裂強度試驗

參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)測試水泥改良黃土試樣的劈裂強度。根據式(2)計算試樣劈裂強度。

(2)

式中：Ri為試樣劈裂強度，MPa；P為試樣破壞時的最大壓力，N；d為試樣直徑，mm；h為浸水后試樣高度，mm。

2 水泥改良黃土力學特性

2.1 試驗結果

圖1、圖2分別為齡期與水泥改良黃土抗壓強度、劈裂強度的關系曲線，其中qu0.95、Ri0.95分別表示95%保證率下的無側限抗壓強度、劈裂強度。

圖1 齡期與水泥改良黃土抗壓強度關系Fig.1 Relationship between age and cement-improled loess compressive strength

圖2 齡期與水泥改良黃土劈裂強度關系Fig.2 Relationship between age and cement-improved loess splitting strength

2.2 力學強度增長規律

由圖1～圖2可知，隨齡期的增長，不同水泥劑量和壓實系數的改良黃土力學強度增長曲線形狀相近；改良黃土14 d前力學強度增長速率明顯大于后期力學強度增長速率，齡期28 d后力學強度增長趨于平緩。這是因為水泥穩定材料成型初期，其初期強度R0主要由材料物理作用、顆粒之間嵌擠摩擦力及部分物理化學作用構成[6,14-15]；隨齡期的增長，水泥水化、凝結及硬化反應持續進行，水泥熟料的消耗促使強度增長，但速率逐漸放緩，直至熟料完全消耗，力學強度不再增長，達到極限強度R∞。

對此，以7 d、28 d力學強度為例，分析水泥劑量和壓實系數對改良黃土力學特性的影響；以壓實系數0.92、0.95為例，分析養護齡期對改良黃土力學特性的影響。

2.3 力學強度預估模型

由水泥改良黃土強度增長曲線及規律，假設強度預估方程滿足下列三個邊界條件：

(3)

式中：T為水泥改良黃土齡期，d；RT為齡期為T時的水泥改良黃土力學強度，MPa；R0為水泥改良黃土初始力學強度，MPa；R∞為水泥改良黃土極限力學強度，MPa。

力學強度預估方程如式(4)所示，強度增長系數ξ和相關系數R2見表3～表4。其中，表3中qu0和qu∞分別是試件的0 d抗壓強度和抗壓強度穩定值,ξu是抗壓強度增長系數,表4中Ri∞是劈裂強度穩定值，ξi是劈裂強度增長系數。

表3 水泥改良黃土無側限抗壓強度預估方程Table 3 Estimation equation of unconfined compressive strength of cement-improved loess

表4 水泥改良黃土劈裂強度預估方程Table 4 Estimation equation of unconfined splitting strength of cement-improved loess

續表

(4)

水泥改良黃土壓實成型初期，認為初期強度R0=0 MPa[13-14]。

3 水泥改良黃土力學特性影響因素

3.1 水泥劑量

圖3、圖4分別為水泥劑量與水泥改良黃土抗壓強度、劈裂強度的關系曲線。

圖3 水泥劑量與改良黃土無側限抗壓強度關系Fig.3 Relationship between cement dosage and cement-improved loess compressive strength

圖4 水泥劑量與改良黃土劈裂強度關系Fig.4 Relationship between cement dosage and cement-improved loess splitting strength

由圖3～圖4可知：

(1)壓實系數0.92、2%水泥劑量改良黃土試件的7 d無側限抗壓強度滿足TB 1001—2016對高速鐵路基床底層及以下路堤化學改良土強度設計要求，但試件浸水后出現不同程度的破損，如圖5所示。當水泥劑量≥3%時，試件浸水后保持完整。在相同壓實系數和齡期下，水泥改良黃土無側限抗壓強度隨水泥劑量的增加而逐漸增大，當水泥劑量≥3%，水泥劑量每增加1%，改良黃土7 d、28 d無側限抗壓強度分別平均可提高14.2%、12.3%。另外，水泥改良黃土標準養護至7 d時，壓實系數0.92、4%水泥劑量改良黃土抗壓強度1.11 MPa與壓實系數0.95、3%水泥劑量抗壓強度1.10 MPa相近，壓實系數0.95、6%水泥劑量改良黃土抗壓強度1.78 MPa與壓實系數0.97、4%水泥劑量抗壓強度1.76 MPa相近。說明水泥改良黃土路基填筑過程中，可以通過提高路基填料壓實系數適當減少水泥劑量。

圖5 2%水泥劑量改良黃土浸水表面Fig.5 2% cement dosage improved loess immersed surface

(2)相同壓實系數和齡期下，水泥改良黃土劈裂強度隨水泥劑量的增加呈線性增長。同一壓實系數下，水泥劑量增加1%，改良黃土7 d、28 d劈裂強度分別增長22%～54%、17%～25%。說明同一壓實系數下試件7 d劈裂強度較小且受水泥劑量影響明顯，而隨齡期增長，水泥劑量對其劈裂強度的影響逐漸減小且趨于穩定。對此，在養護初期應加強對路基保護。

3.2 壓實系數

圖6、圖7分別為壓實系數與水泥改良黃土抗壓強度、劈裂強度的關系曲線。

由圖6～圖7可知：

圖6 壓實系數與改良黃土無側限抗壓強度關系Fig.6 Relationship between compaction coefficient and cement-improved loess compressive strength

圖7 壓實系數與改良黃土劈裂強度關系Fig.7 Relationship between compaction coefficient and cement-improved loess splitting strength

(1)在水泥劑量一定的情況下，水泥改良黃土無側限抗壓強度隨壓實系數的增大呈線性增長趨勢。這是因為試樣壓實系數提高對應干密度增大，土體內部孔隙率減小，土粒相互接觸更加密實，抵抗變形破壞能力增加，試件抗壓強度從而得到提高。另外齡期越小，抗壓強度增長速率越快。其中，壓實系數每增大0.01時，2%水泥劑量改良黃土7 d、28 d抗壓強度分別平均提高了17.4%、9.0%，而水泥劑量為3%～8%時，改良黃土抗壓強度提高了5.4%～8.0%。

(2)在水泥劑量一定的情況下，水泥改良黃土試件劈裂強度隨壓實系數增大呈線性增長，壓實系數每增大0.01，水泥改良黃土7 d、28 d劈裂強度分別提高了11.3%～16.5%、8.0%～10.2%。說明路基填筑過程中通過提高壓實系數，可提高改良黃土劈裂強度，保證路基抗拉性能。

3.3 養護齡期

圖8、圖9分別為齡期與水泥改良黃土抗壓強度、劈裂強度的關系曲線，其中quT/qu∞(RiT/Ri∞)為不同養護齡期下試件抗壓強度(劈裂強度)與抗壓強度(劈裂強度)穩定值的比值。

圖8 齡期與改良黃土quT/qu∞關系Fig.8 Relationship between age and quT/qu∞ of cement-modified loess

圖9 齡期與改良黃土RiT/Ri∞關系Fig.9 Relationship between age and RiT/Ri∞ of cement-improved loess

由圖8～圖9可知，當水泥摻量與壓實系數一定，同一齡期下的改良黃土力學強度與對應的極限強度比值曲線變化趨勢基本一致。當水泥劑量為2%，改良黃土quT/qu∞曲線最低，7 d、14 d、28 d、60 d、90 d抗壓強度分別約為極限抗壓強度的31%、67%、75%、82%、87%；而當水泥劑量≥3%時，其7 d、14 d、28 d、60 d、90 d抗壓強度分別約為極限抗壓強度的61%、74%、83%、91%、96%。這是因為改良黃土2%水泥劑量較少，拌和均勻難度較大，且水泥水化反應中生成的氫氧化鈣和鈣礬石等產物較少，對土體固結作用較小，且早齡期試件浸水出現破損現象(見圖5)，所以導致其早期抗壓強度與極限抗壓強度比值偏差較大。另外，水泥劑量為3%時，改良黃土RiT/Ri∞曲線最低，3%、4%、6%水泥劑量改良黃土7 d劈裂強度約是極限劈裂強度的32%、47%、45%，表明水泥劑量越高，試件劈裂強度隨齡期的延長增長越快。

綜上，根據水泥改良黃土室內力學強度試驗結果，提出改良黃土水泥劑量設計方案。建議基床底層以下路堤水泥劑量為3%，壓實系數為0.95；建議基床底層路堤水泥劑量為4%，壓實系數為0.98。

4 工程應用效果

本文依托西韓城際鐵路水泥改良黃土路基試驗段，評價了改良黃土填料水泥劑量設計方案。為盡量接近現場路基實際材料及養護條件，采用攤鋪機后攤鋪好的改良黃土填料在室內采用靜壓法成型與現場密度相同試件，并將成型好的試件運送至工地現場，與壓實后路基同步覆蓋土工布養護至規定齡期，分別測定水泥摻量為4%和6%的室內試件和路基芯樣的無側限抗壓強度比值qu1/qu2，如表5所示。

表5 路基芯樣與室內試件無側限抗壓強度Table 5 Subgrade core sample and indoor test piece unconfined compressive strength

由表5可知，同一試驗條件下，室內試件抗壓強度約是路基芯樣抗壓強度的67.4%，說明同一養護環境下現場水泥改良黃土路基真實抗壓強度高于室內試件抗壓強度，滿足城際鐵路基床底層及以下路堤化學改良土強度設計要求。可見，改良黃土水泥劑量設計方案滿足TB 1001—2016中路基設計要求，具有可行性。

5 結 論

(1)壓實系數0.92、2%水泥劑量改良黃土試件7 d抗壓強度滿足規范值，但試件浸水后出現破損；水泥劑量≥3%的試件浸水后完整，且改良黃土力學強度隨水泥劑量增加呈線性增長，水泥劑量每增加1%，改良黃土28 d抗壓強度和劈裂強度至少分別平均增長12.3%、17.0%。

(2)同一水泥劑量和養護齡期下，水泥改良黃土力學強度隨壓實系數增大呈線性增長。水泥劑量為2%時，壓實系數每提高0.01，改良黃土28 d抗壓強度至少增長了9.0%；水泥劑量≥3%時，壓實系數每提高0.01，改良黃土抗壓強度和劈裂強度分別至少增長了5.4%、8.0%。

(3)隨養護齡期的延長，不同水泥劑量和壓實系數的改良黃土力學強度增長曲線形狀相近，且前期力學強度增長速率明顯大于后期強度增長速率，齡期28 d后力學強度增長趨于平緩。水泥劑量為2%時，改良黃土7 d、28 d抗壓強度分別是極限抗壓強度的31%、75%；水泥劑量≥3%時，改良黃土7 d抗壓強度和劈裂強度約分別是其對應極限強度的61%、45%。

(4)通過分析水泥改良黃土力學強度影響因素，提出可行性的改良黃土水泥劑量設計方案。建議基床底層以下路堤水泥劑量為3%，壓實系數為0.95；建議基床底層路堤水泥劑量為4%，壓實系數為0.98。