客运专线水泥改良黄土填料试验研究

2013-08-21张亚宾杨有海

山西建筑 2013年25期

张亚宾杨有海

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070)

1 概述

随着我国铁路提速及高铁建设，新建铁路设计施工标准也随之提高，对路基稳定性及工后沉降的要求也越来越高，特别是对黄土地区高速铁路路基设计施工有了极为严格的要求。黄土的工程性质非常差，如果直接用黄土填筑路基，会产生严重的路基病害，沉降也难以达到高铁及客运专线设计要求。因此，在黄土地区修建铁路时必须要对黄土填料进行改良。

关于黄土填料的改良，罗照新等［1］通过试验研究改良黄土填料作为高速无砟轨道路基的可行性。姚建平等［2］在黄土填筑试验中发现，部分改良黄土压实度难以满足压实要求，但其强度却满足要求，并由此提出了黄土的时效性问题。蒋关鲁等［3］通过室内试验、时效性试验及填筑压实试验研究改良黄土的力学指标和改良后路基的沉降。本文结合郑西客运专线建设，通过室内试验对水泥改良黄土的物理力学特性进行研究，为水泥改良黄土填料设计提供依据。

2 试验方案

2.1 试验材料

试验所用黄土取自郑西客运专线荥阳市柿园村取土点的黄土，为砂质黄土，呈褐黄色，略显湿密，其物理性质见表1。该黄土是非自重湿陷性黄土，湿陷等级为Ⅰ级轻微。

表1 黄土的物理性质指标

2.2 试验内容

1)击实试验。本试验采用重型击实标准，对重塑黄土、掺合比分别为3%，5%，10%，15%的水泥改良黄土进行重型击实试验，测定试样在标准击实功下含水量与干密度之间的关系，得到击实曲线，从而确定试样的最优含水率和最大干密度。

2)重塑黄土及改良黄土强度特性试验。重塑黄土在最优含水率下，按压实系数η=0.92和η=0.95制备试样，试样规格为直径39.1 mm，高度80 mm，对重塑黄土做三轴剪切试验和无侧限抗压强度试验。水泥改良黄土采用水泥掺量为3%，4%，5%，6%，压实系数为 η =0.92 和 η =0.95，养护龄期为7 d，28 d，90 d，180 d及不同的养护条件下进行三轴剪切试验和无侧限抗压强度试验，对非饱和状态下的试件做不固结不排水三轴剪切试验、对饱和状态下的试件做固结不排水三轴剪切试验。

3)干湿循环试验。环境温度、湿度的变化会导致路基填料含水率发生变化，这对水敏感较强的黄土影响巨大。降雨后，黄土路基填料吸水饱和，之后又会失水干缩，这种周而复始的干湿循环会导致路基填料结构发生变化。为研究干湿循环对水泥改良黄土的影响，按压实系数η=0.95，制备水泥掺量为3%，5%的水泥改良土试样，将试样在标准条件下养护28 d后，测定干湿循环次数为0次、1次、5次、10次后的抗剪强度指标。

3 试验结果及分析

3.1 击实试验

图1为重塑黄土和水泥改良黄土干密度与含水量关系曲线图。从试验结果可以看出，随着水泥掺量的增加，最优含水率逐渐增加，而最大干密度逐渐减小。随着水泥掺量的增加，最优含水率变化不大。产生这种现象的原因一方面是水泥与黄土发生水解反应和水化反应，使黄土的结构发生改变;另一方面由于水泥密度小于黄土颗粒密度。故随水泥掺量增加，水泥改良黄土的密度、最大干密度随之降低。

3.2 强度特性

3.2.1 重塑黄土强度特性试验

为研究重塑黄土的强度特性及其影响因素，分别对重塑黄土在不同压实系数(η=0.92，η=0.95)下、不同饱和状态(饱和、非饱和)下，做固结不排水三轴剪切试验和不固结不排水三轴剪切试验，图2～图5给出了4组应力—应变关系的试验结果。

图1 重塑黄土及改良黄土击实曲线

图2 非饱和重塑黄土应力—应变曲线（η=0.92）

图3 饱和重塑黄土应力—应变曲线（η=0.92）

图4 非饱和重塑黄土应力—应变曲线（η=0.95）

图5 饱和重塑黄土应力—应变曲线（η=0.95）

从试验所得到的应力—应变曲线中可以看出:

1)重塑黄土应力—应变曲线没有明显峰值。在不同压实系数及饱和状态下，围压较小时(σ3=25 kPa，50 kPa)，重塑黄土应力—应变曲线为软化型;围压较大时(σ3=100 kPa，150 kPa)，重塑黄土应力—应变曲线为硬化型。

2)压实系数越大，应力值越大。不论在饱和状态下还是非饱和状态下，压实系数η=0.95时的应力值明显大于压实系数η=0.92时的应力值。

3)饱和度越大，应力值越低。在压实系数η=0.92和η=0.95时，饱和土的应力值明显小于非饱和土的应力值，可见含水率对黄土的强度影响巨大。饱和状态下，重塑黄土强度下降显著。

4)围压大小直接影响试件的破坏强度和破坏形式。围压越大，试件破坏时的强度越大。

3.2.2 改良黄土的应力—应变曲线

为研究水泥改良黄土的强度特性及其影响因素，分别对水泥改良黄土在饱和状态、压实系数η=0.95下，养护28 d后做固结不排水三轴剪切试验。图6～图9给出了4组应力—应变关系的试验结果，从试验所得到的应力—应变曲线中可以看出:

1)水泥改良黄土的应力—应变曲线具有明显的峰值，当达到峰值后，其应力值显著下降，显示出明显的软化特性。峰值所对应的应变ε均小于2%，表现出明显的脆性破坏状态，并且破坏后的残余强度依然很大。

图6 水泥掺量为3%时改良黄土应力—应变曲线

图7 水泥掺量为5%时改良黄土应力—应变曲线

图8 σ3=50 kPa时改良黄土应力—应变曲线

图9 σ3=150 kPa时改良黄土应力—应变曲线

2)在相同水泥掺量下，随着围压的增加，试件破坏时的峰值大小也随之增大;在不同水泥掺量下，随着水泥掺量增加，试件破坏时的峰值大小也随之增大。

3)在相同围压下，随着水泥掺量的增加，试件破坏时的峰值大小也随之增大;在不同围压下，随着围压增大，试件破坏时的峰值大小也随之增大。

3.2.3 掺合比对改良黄土抗剪强度的影响

掺合比对水泥改良黄土抗剪强度的影响见表2，试样是在压实系数η=0.95下、含水率为各种掺合比下最优含水率下制备的，经过标准养护28 d后，做不固结不排水三轴剪切试验，得到试件的大小主应力数值及抗剪强度指标。

表2 不同掺合比下的强度特性

从表2中可以看出:1)经水泥改良后，黄土的抗剪强度显著提高。水泥改良黄土的强度随水泥掺量的增加而增大:当水泥掺量较低时，水泥改良黄土的强度增加明显;当水泥掺量较高时，水泥改良黄土的强度增速放缓。2)掺合比的大小对水泥改良黄土在同一围压下的各组试件的大主应力值影响显著。3)随着水泥掺量的增加，内摩擦角φ变化不大，粘聚力c变化较大，但都大于重塑黄土的值。这是因为黄土经水泥改良后，发生一系列水解、水化反应、碳酸化作用、离子交换和团粒化作用后，在水泥改良土中形成胶体，同时形成水泥石骨架和大粒径土团粒。内摩擦角φ作为摩擦强度的反映指标，黄土的矿物组成会对其产生较大影响，黄土经水泥改良后，其矿物组成并没有彻底改变，只是发生了部分变化，故水泥改良黄土的内摩擦角φ虽有变化，但变化不大。黄土的粘聚强度主要由水膜的原始凝聚力、胶体的加固凝聚力和基质吸力组成，水泥与黄土充分反应后，形成土体骨架，加强了土体结构，同时水泥改良土中产生了胶体，因此，水泥改良黄土的粘聚力c增加较大。

3.2.4 龄期对改良黄土抗剪强度的影响

图10给出了不同掺合比水泥改良黄土在压实系数η=0.95的条件下，经7 d，28 d，90 d，180 d龄期养护下的无侧限抗压强度试验结果。从图中可以看出，水泥改良黄土7 d无侧限抗压强度值都大于1 MPa，说明其具有足够的强度。随着龄期的增长，水泥改良土强度也随之增长，90 d之前，水泥改良土强度增长较快，90 d后水泥改良土强度增长缓慢，并且随着水泥掺量的增加，90 d后水泥改良土强度增速明显放缓。水泥改良黄土早期龄期效应显著，后期龄期效应不明显，即水泥改良黄土具有早强的性质。

图10 水泥改良黄土强度随龄期的变化图

3.3 干湿循环试验

图11为压实系数η=0.95的条件下，水泥掺量分别为3%，5%的水泥改良黄土在标准条件下养护28 d后，进行干湿循环试验的结果。干湿循环作用会引起黄土结构的改变，从而影响其强度特性及水稳定性。水泥改良黄土中含有起胶结作用的可溶盐，这些胶体为改良黄土提供了较大的剪切强度，干湿循环过程中，水会溶解部分可溶盐并稀释胶体，从而降低水泥改良黄土的强度。其中第1次干湿循环时，可溶盐溶解流失最明显、胶体结构破坏最严重，之后逐渐趋于稳定。遇水时黄土骨架颗粒的排列方式会发生改变，尤其第1次干湿循环时这种改变最剧烈。因此，随着干湿循环次数的增加，水泥改良黄土的强度逐渐降低，特别是第1次干湿循环后，强度会剧烈降低，之后逐渐趋于稳定。但是水泥改良黄土在龄期综合作用下，干湿循环过程中强度的变化趋于复杂，其强度随干湿循环次数增加会小幅下降，有时甚至会略微上升，但其变化幅度不剧烈，其强度趋于稳定。