凍融循環(huán)作用下水泥改良黃土鐵路路基填料力學(xué)特性研究

王博琦

(中鐵一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司 陜西西安 710000)

我國西北地區(qū)廣泛分布著黃土地質(zhì)，在這些地區(qū)修建鐵路，需要克服黃土路基濕陷性的影響，故需要對其進(jìn)行工程加固改良[1]。改良措施包括物理改良和化學(xué)改良，物理改良主要包括擠密樁、夯實(shí)、沖擊壓實(shí)等傳統(tǒng)方法[2]，化學(xué)改良方法包括摻入粉煤灰、石灰、水泥等措施[3]，其中，水泥改良方法最為常見，具有材料來源廣、用量大、效果好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，故而在實(shí)際工程中很多時(shí)候都選擇采用水泥對黃土路基進(jìn)行改良。

西北為典型的季節(jié)性凍土地區(qū)，冬季寒冷，晝夜溫差較大，黃土在經(jīng)歷反復(fù)的凍融循環(huán)后，會引發(fā)路基發(fā)生沉降、路塹發(fā)生剝落等地質(zhì)災(zāi)害，因此，研究黃土在凍融循環(huán)下的力學(xué)行為對實(shí)際工程具有重要意義[4-5]。當(dāng)前，眾多專家學(xué)者針對各類型改良黃土的凍融力學(xué)行為開展了相應(yīng)的研究[6]，但很多都是僅針對了某一力學(xué)性能的研究，缺乏全面性，且不同地區(qū)黃土的物理力學(xué)性質(zhì)相差較大，需要對具體地區(qū)具體工程做對應(yīng)的研究。因此，該文以西北地區(qū)某鐵路客運(yùn)專線水泥改良路基為例，對凍融循環(huán)作用下原狀土、重塑土以及水泥改良黃土填料的強(qiáng)度特性、壓縮特性等進(jìn)行對比試驗(yàn)分析，研究成果可為類似黃土鐵路路基工程改良施工提供借鑒。

1 工程概況

隴海線是中國三橫五縱干線鐵路網(wǎng)的一橫，串聯(lián)中國西北、華中和華東地區(qū)，設(shè)計(jì)時(shí)速140～200 km/h，研究地點(diǎn)選在關(guān)中地區(qū)，該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季最低氣溫-10.9 ℃，夏季最高氣溫31.9 ℃，晝夜溫差大；該地區(qū)最大凍土深度為0.5 m，從上往下地層分別為黏質(zhì)黃土、飽和軟黏土、古土壤、粉土、細(xì)沙，由于黃土分布較厚，且線路屬于級客貨共線鐵路，曲線半徑最小為2.8 km，為保證鐵路運(yùn)營期間的安全與穩(wěn)定，故需要對黃土路基進(jìn)行加固改良。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)黃土取自路基深度約3～5 m 處，0.075 mm 以下土顆粒占比為86.5%，且以粉質(zhì)顆粒為主，天然含水率為25.35%，平均密度大小為1.93 g/cm3，塑性指數(shù)為10.72，經(jīng)室內(nèi)測試得到試驗(yàn)原狀黃土的基本性質(zhì)數(shù)據(jù)，如表1所示。試驗(yàn)水泥為PO42.5普通硅酸水泥，主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3，堆積密度為1.52 g/cm3,平均燒失量為3.3%。

表1 黃土基本性質(zhì)

2.2 試驗(yàn)方案

將試驗(yàn)共設(shè)計(jì)原狀黃土、重塑黃土（水泥摻量0%）以及水泥改良黃土3 種類型土樣進(jìn)行對比試驗(yàn)，水泥摻量分別為4%、6%、8%、10%；凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定為0、1、3、5、7 次，每一次凍融循環(huán)的過程為：在-10 ℃溫度下冷凍12 h，然后在溫度20 ℃下融解12 h。將水泥按一定比例摻入黃土后，拌和制成高為10 cm、直徑為5 cm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件，同時(shí)放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d，然后放入凍融試驗(yàn)箱中進(jìn)行凍融循環(huán)，當(dāng)達(dá)到對應(yīng)次數(shù)后分別取出進(jìn)行無側(cè)限單軸抗壓、直接剪切、固結(jié)壓縮試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)儀器

凍融循環(huán)試驗(yàn)：選用RTP-175BU電子控制式高低溫試驗(yàn)箱（-30 ℃～50 ℃，偏差為±0.5 ℃）；無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度：選用YYW-1 型無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)儀，最大荷載5 kN，最大位移30 mm（精度為0.01 mm）；直接剪切試驗(yàn)：選用ZJ 型應(yīng)變管控直剪儀，剪切速率為2.4 mm/min；固結(jié)試驗(yàn)：選用單杠桿固結(jié)儀（高壓），試驗(yàn)壓力范圍為12.5～4 000 kPa。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)得到的不同改良方案下的黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度情況見圖1。從圖1可以看到：隨著水泥摻量的逐漸升高，改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，相比重塑黃土（水泥含量），當(dāng)摻入水泥后，黃土的強(qiáng)度得到有效提升，當(dāng)水泥摻量為4%～6%時(shí)，強(qiáng)度增長趨勢較為明顯，當(dāng)水泥含量為8%～10%時(shí)，強(qiáng)度增長幅度明顯減弱，這是因?yàn)樗嗨磻?yīng)生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等物質(zhì)，可以起到膠結(jié)、黃土顆粒，填充黃土孔隙的作用，因而強(qiáng)度逐漸增大；相同水泥摻量下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，改良黃土的強(qiáng)度呈負(fù)指數(shù)型降低，凍融循環(huán)前期，強(qiáng)度下降幅度較大，凍融循環(huán)后期，強(qiáng)度下降幅度較小，這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)作用下，由于黃土中水分發(fā)生結(jié)晶，對原始顆粒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凍脹應(yīng)力，破壞了結(jié)構(gòu)的膠結(jié)連接力，并隨著產(chǎn)生凍裂，但是這種凍脹損傷會隨著改良黃土裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展而逐漸減弱，因此，后期強(qiáng)度下降幅度較低；重塑黃土與原狀黃土相比，強(qiáng)度有所降低，這是因?yàn)橹厮茳S土是將土顆粒重新排列，而原本的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性遭到干擾和破壞，大孔隙減少而小孔隙增多，因此，重塑土強(qiáng)度相比原狀土降低。

圖1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化特征見圖2。從圖2可以看到，原狀黃土的粘聚力最小，隨著水泥摻量的增加，粘聚力逐漸增大，這是因?yàn)樗嗟闹饕饔镁褪瞧鹉z結(jié)黃土顆粒，增加顆粒間連接力的作用，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，粘聚力逐漸降低，前期下降幅度較大，后期下降幅度較小，原狀黃土粘聚力受凍融循環(huán)影響的下降幅度明顯小于改良黃土；原狀黃土的內(nèi)摩擦角明顯大于改良黃土，水泥摻入量與內(nèi)摩擦角增幅之間呈線性正相關(guān)，凍融循環(huán)一次后，內(nèi)摩擦角有一個較大幅度降低，繼續(xù)凍融循環(huán)作用下，內(nèi)摩擦角下降幅度較小，表明凍融循環(huán)對于內(nèi)摩擦角的影響程度遠(yuǎn)小于粘聚力。

圖2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

3.3 壓縮系數(shù)

試驗(yàn)得到的壓縮系數(shù)變化特征見圖3。從圖3 可以看到，隨著水泥摻量的增加，壓縮系數(shù)呈逐漸減小的變化趨勢，摻入水泥后，黃土的壓縮系數(shù)明顯降低，低水泥摻量下（4%～6%），改良黃土受凍融循環(huán)的影響較大，壓縮系數(shù)隨凍融損傷呈明顯的增大趨勢，而在高水泥摻量下，改良黃土受凍融循環(huán)的影響較小，特別是當(dāng)凍融循環(huán)≤5 次時(shí)，壓縮系數(shù)增加大幅度較小，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)大于5次后，壓縮系數(shù)增加幅度較大；相同凍融循環(huán)次數(shù)下，8%和10%水泥摻量下的壓縮系數(shù)基本相等。

圖3 壓縮系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

3.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度反映了土體非固定粘聚力效應(yīng)的大小，受土顆粒接觸點(diǎn)數(shù)量和聯(lián)結(jié)強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)獲得的改良黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化特征見圖4。從圖4可以看到，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化特征與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化趨勢有些類似，隨著水泥摻量的增加而增大，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而減小；當(dāng)水泥含量超過8%后，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增長幅度開始變緩，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)≤5 次時(shí)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降幅度較為明顯，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)大于5次后，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降幅度變緩。

圖4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

（1）水泥改良黃土的強(qiáng)度和抗剪參數(shù)較原狀土和重塑土有大幅度提升，凍融循環(huán)對改良黃土的損傷主要集中于前五次凍融循環(huán)。

（2）摻入水泥后，黃土的壓縮系數(shù)顯著降低，且摻入量越大，受到凍融循環(huán)損傷后壓縮系數(shù)增幅越小。

（3）綜合各水泥摻量改良黃土的各項(xiàng)力學(xué)性能，結(jié)合工程成本，認(rèn)為該段改良黃土鐵路路基填料的最佳水泥摻量為8%。