干湿循环下高铁路基水泥改良膨胀土动力特性试验研究

李　星，程谦恭，张金存，姚　远（西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都　610031）



干湿循环下高铁路基水泥改良膨胀土动力特性试验研究

李星，程谦恭，张金存，姚远
（西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都610031）

摘要为研究自然干湿循环作用下高铁路基中水泥改良膨胀土的动力特性，对水泥改良土在自然干湿循环及室内干湿循环作用下进行动三轴试验，并以等效线性模型为依托，研究水泥改良土的动应力、动弹性模量和阻尼比在自然干湿循环、掺入水泥和围压共同影响下随动应变的变化规律。结果表明:水泥改良土的动力特性较原膨胀土显著提高，满足路基工程实际要求；掺入水泥显著增强改良土抵抗干湿循环作用能力，围压加载明显改善干湿循环对改良土动力特性的影响；基于室内干湿循环试验模拟现场路基在自然条件下干湿循环后动力特性变化规律，效果良好。

关键词干湿循环；水泥改良膨胀土；动力特性；高铁路基

第一作者：李星（1991—），男，硕士研究生。

膨胀土在我国中西部地区广泛分布。在这些地区对高铁路基进行填筑时，由于填料缺乏，常采用改良膨胀土。目前对膨胀土改良的方法主要有水泥改良和石灰改良2种，与石灰改良相比，水泥改良污染较小，改良效果更佳。由于南宁地区气候具有多雨高温的特点，干湿循环对水泥改良膨胀土的力学特性变化有着重要影响，因此研究南宁地区水泥改良膨胀土在自然干湿循环下动力特性的响应及变化规律，对铁路建设工程具有重要意义。

国内外学者针对改良土路基动力特性进行了大量研究。如杨广庆［1］针对水泥改良粉质黏土，通过动三轴试验研究了其临界动应力、累积塑性变形、弹性变形和回弹模量的变化规律及影响因素；胡大林等［2］研究了石灰改良黄土公路路基不同振动频率、振动次数、含水量、动应力等对土体动弹性模量和阻尼比的影响；谭文超等［3］研究了干湿循环次数对水泥改良膨胀土强度和剪切波速的影响，认为干湿循环会降低其强度及剪切波速；刘文化等［4］研究了粉质黏土在饱和条件下干湿循环对累积塑性应变与振次关系以及对动强度特性的影响。赵明龙等［5］研究了干湿循环过程对水泥改良粉土和粉质黏土疲劳强度的影响，以及干湿循环与水泥改良土的振动塑性应变和振动回弹应变的关系。

目前，对膨胀土的改良研究以石灰改良研究为主，且研究时干湿循环大多在室内进行，与自然条件下干湿循环有着较大差异，另外也未考虑影响土体动力特性的因素间的相互作用。本文在前人研究基础上，通过对水泥改良膨胀土路基在自然干湿循环下动力特性的研究，分析掺入水泥、围压及干湿循环共同作用下水泥改良土动力特性变化规律，并与室内干湿循环下的水泥重塑土进行了对比分析。

1试样制备及试验方法

1. 1试验材料

试验土样取自广西南宁经济开发区屯里动车所北偏东方向距动车所约3 km的“南宁铁路枢纽动车运用所膨胀土路堤填筑关键技术研究”项目试验场地，为弱膨胀土性质。填筑路基一部分采用原膨胀土（以下简称未改良土），一部分采用水泥改良土（以下简称改良土），水泥为P. O42. 5普通硅酸盐水泥，设计水泥掺和率为5％，掺和率按质量百分比计。相关的物理力学性质见表1。

1. 2试样的制备

试验未改良土与改良土均取自于现场试验段路基，用与动三轴仪配套的取样器制备出直径39. 1 mm，高80 mm的试样。水泥重塑土试样是取试验场地膨胀土，在室内添加P. O 42. 5普通硅酸盐水泥进行改良，掺和率为5％，采用击样器分3层击实制备。分别制备各类土体试样14个，包含2个备用样。

1. 3试样的干湿循环

根据现场监测结果，路基填土受干湿循环作用影响的范围为路基顶面下1 m以内，本试验所采用的未改良土和改良土均取自路基顶面下0. 5 m处。现场一次降雨和干燥为一个干湿循环过程，根据监测现场路堤顶面下0. 5 m处含水率，可判断自然状态下该处的干湿循环情况。有研究表明干湿循环对土体性质产生显著影响主要在前2次［6］，故本试验分别取路基填筑完成后前2次干湿循环下的土体。每次取土时间及干湿循环的幅值见表2。

表1　膨胀土改良前后物理力学性质

表2　现场取土时间及干湿循环幅值

对于水泥重塑土，根据现场监测数据，将干湿循环幅值设置为14％～17％，次数设置为2次，计算出每个土样其含水率在14％，17％时的质量。首先在重塑土制备时控制含水率在14％，并用保鲜膜密封土样，放入保湿箱中养护24 h，保证土样含水率和温度均匀。然后使用微型喷雾器对试样进行加湿，当含水率达到17％时停止加湿，并密封在保湿箱中养护24 h。之后用电暖气对试样进行干燥，每隔半小时称一次质量，直到含水率降至14％，此为一次干湿循环过程。按上述方法对重塑土试样进行0～2次的干湿循环。

1. 4试验方案

土体的动弹性模量Ed和阻尼比λ为表征土体动力性质的两个基本参数，试验土样Ed，λ值的计算采用等效线性模型，其具体计算步骤按照文献［2］进行。影响土体动力性质的因素有10个之多［7］，本文根据膨胀土高铁路基实际情况，选取较典型的影响因素即干湿循环次数、掺入水泥、围压，对水泥改良膨胀土的动力特性进行研究。本次试验中取固结比1. 0，振动频率1 Hz，动应力幅值0. 8σ3，动荷载加载方式为逐级加载动应力幅，在每一种侧向应力下均采用单一试样，动应力幅值等差为5级荷载。

2　试验结果分析

2. 1掺入水泥与干湿循环共同作用下土体动力特性

为了分析掺入水泥对干湿循环作用下未改良土和水泥改良土2种土体动力特性的影响，开展在100，200，300 kPa 3级围压加载下，未改良土和水泥改良土在自然干湿循环0，1，2次下动力特性研究。以围压200 kPa下未改良土和水泥改良土的响应为例，不同干湿循环次数下的动应力、动弹性模量、阻尼比和动应变的关系曲线见图1，图2，图3。图中WG-0，WG-1，WG-2分别表示未改良土在0，1，2次干湿循环下的关系曲线，SG-0，SG-1，SG-2分别表示水泥改良土在0，1，2次干湿循环下的关系曲线。

图1　2种土体不同干湿循环次数下σd-ε关系曲线

图2　2种土体不同干湿循环次数下Ed-ε关系曲线

图3　2种土体不同干湿循环次数下λ-ε关系曲线

由图1可知，在相同条件下，水泥改良土动应力远大于未改良土，动应力值增加约40％，表明改良土的强度远高于未改良土，这一结果与已有研究成果相符。随着干湿循环次数增加，改良土与未改良土的动应力均呈减小趋势，主要原因是干湿循环过程弱化了土体强度。改良土的动应力随干湿循环次数增加所降低的幅度远远小于未改良土，表明水泥的掺入提高了膨胀土抵抗干湿循环弱化土体强度的能力。

由图2可知，水泥的掺入使得土体的动弹性模量大幅度提高，在相同条件下，改良土动弹性模量约为未改良土的2倍。随干湿循环次数的增加，改良土动弹性模量减小的幅度值远低于未改良土，表明水泥的掺入提高了膨胀土抵抗干湿循环降低土体刚度的能力。

由图3可知，改良土和未改良土随着干湿循环次数的增加，阻尼比均增大；改良土阻尼比约为未改良土的一半，表明改良土对动荷载反应的滞后性小于未改良土；随干湿循环次数的增加，改良土阻尼比增幅小于未改良土，表明掺入水泥降低了膨胀土对动荷载反应的滞后性。

综合分析，水泥改良土的动力特性较未改良土有显著提高。2类土体动力特性都会随着干湿循环次数的增加而减弱，但水泥改良土减小的幅度远小于未改良土，水泥的掺入明显提高了膨胀土抵抗干湿循环的能力。水泥改良土的动应力、动弹性模量以及阻尼比在动应变＜0. 001时，随应变的增加近似呈线性变化，当动应变＞0. 001后，逐渐趋于一定值。

2. 2围压与干湿循环共同作用下改良土动力特性

水泥改良土在100，200，300 kPa围压下，经0～2次干湿循环下土体的动力特性响应关系曲线见图4、图5、图6。图中S0-100表示0次干湿循环的改良土在100 kPa围压下相应的关系曲线，其余图例类推。

图4　围压和干湿循环共同作用下改良土σd-ε关系曲线

由图4可知，水泥改良土动应力随围压的增大而增大，说明改良土的强度随围压的增大而增加；干湿循环导致土体动应力减小的幅度随围压的增大而逐渐减小，说明在围压和干湿循环共同作用下，高围压对水泥改良土动力特性影响较大。该试验路基填土在土体围压为300 kPa及以上时，干湿循环作用对土体的动应力影响可以忽略。

图5　围压和干湿循环共同作用下改良土Ed-ε关系曲线

图6　围压和干湿循环共同作用下改良土λ-ε关系曲线

由图5可知，水泥土的动弹性模量随围压的增加而增大，增幅随围压增大逐渐减小。随着围压增大，干湿循环作用导致土体动弹性模量减幅趋势呈先增加再减小，表明在围压和干湿循环共同作用下，围压较低时，干湿循环和围压均对土体的动弹性模量产生影响；当围压超过一定值时，土体的动弹性模量变化主要受围压作用影响。

由图6可知，水泥改良土的阻尼比随围压的增大而减小，减幅也随围压的增大而减小。随着围压的增大，干湿循环对土体阻尼比变化的影响不明显，表明在二者共同作用下，当围压＜300 kPa时，围压对干湿循环增强土体滞后性的影响不明显。

综合分析，水泥改良土的动力特性随着围压的增大不断加强，其变化幅度减小，这一结果主要是由于围压的增加导致土体的压硬性得以发挥。围压和干湿循环共同作用时，当围压较低时，二者对土体的动力特性变化均有较大影响，当围压超过一定值时候，围压的影响较显著，干湿循环作用的影响可以忽略。

2. 3水泥改良土与水泥重塑土动力特性对比

为了分析改良土在自然干湿循环下与重塑土在室内人工干湿循环下的动力特性差异，进行了2种土体在不同干湿循环次数下的动三轴试验，图7、图8、图9分别为不同围压下改良土与重塑土在干湿循环1次和2次下的动应力、动弹性模量、阻尼比和动应变的关系曲线。其中SC-100，SC-200，SC-300分别表示重塑土在100，200，300 kPa围压下关系曲线；SG-100，SG-200，SG-300分别表示改良土在100，200，300 kPa围压下关系曲线。

由图7可知，在相同条件下，自然干湿循环下改良土的动应力较室内干湿循环下重塑土的动应力大，表明现场改良土的强度较室内重塑土高，其差值在40 kPa左右。改良土和重塑土的动应力均随着围压的增大而增大，在相同干湿循环次数下其增大幅值基本相同。随着干湿循环次数的增加，二者的动应力均呈增长趋势，但二者间的差值基本保持不变。

由图8可知，在相同条件下，改良土与重塑土的动弹性模量值相接近。随着干湿循环次数的增加，重塑土动弹性模量值有所减小，减幅略大于水泥改良土，但基本上相同。说明可以用室内干湿循环试验来模拟现场干湿循环对改良土动弹性模量变化规律的影响。

由图9可知，在相同条件下，重塑土阻尼比较改良土高，随着干湿循环次数增加，重塑土的阻尼比逐渐增大，增幅较改良土大。重塑土阻尼比在干湿循环及围压作用下，其变化趋势同改良土一致。

综合分析，现场路基填土的强度、刚度及对动荷载反应滞后性方面抵抗干湿循环影响的能力强于室内试验水泥重塑土，但重塑土的动力特性变化规律同改良土基本一致，表明现场路基填土在干湿循环作用下抵抗动荷载能力强于室内试验重塑土。分析认为，造成这种现象的主要原因可能是现场路基在自然气候条件下一次干湿循环的周期较长，由于空气湿度的不断变化，致使现场路基会产生多次程度较弱的次级干湿循环过程，这样现场路基在自然状况下经一次完整的干湿循环后，与相应的室内试验重塑土经干湿循环作用结果相比，现场路基所受干湿循环作用较强。此外，室内试验土体的压实度小于现场路基填土的压实度，现场路基填土土体内部空隙和裂隙较小，这一原因也会造成2种土体的动力特性产生差异。

图7　不同围压下水泥改良土与重塑土σd-ε关系曲线

图8　不同围压下水泥改良土与重塑土Ed-ε关系曲线

图9　不同围压下水泥改良土与水泥重塑土λ-ε关系曲线

3　结论

1）5％掺入水泥膨胀土，其动力特性有显著改善。在相同条件下，动应力约提高40％，动弹性模量约增加一倍，阻尼比约减小为原来的一半，满足现场路基的实际要求。

2）水泥的掺入在很大程度上提高了膨胀土抵抗干湿循环的能力。动应变在0. 001范围内，未改良土、水泥改良土动力特性特征值在不同因素影响下呈线性增加，0. 001之后趋于一固定值。

3）围压和干湿循环次数是影响水泥改良土的两个主要因素，在二者共同作用下，当围压较低时，二者均产生显著影响；当围压超过一定值时候，动力特性变化主要受围压影响，干湿循环作用可以忽略。

4）室内干湿循环与现场自然条件下干湿循环对土体动力特性的影响有显著的差距，自然条件下土体干湿循环动力特性明显强于于室内试验，但动力特性特征值变化规律趋于一致。因此，可用室内试验来分析现场路基填土动力特性变化规律，但其表征的土体动力特性与实际工程间仍然有一定的差异。

5）由于现场一次干湿循环过程周期较长，故只进行了两次干湿循环下土体动力特性分析，且干湿循环幅度相同。虽试验结果良好，但仍存在不足之处，水泥的最佳掺量比和养护周期是下一步研究的方向。

参考文献

［1］杨广庆.水泥改良土的动力特性实验研究［J］.岩石力学与工程学报，2003（22）：1156-1160.

［2］胡大林，胡厚兰，郑娅娜.循环荷载作用下榆佳高速公路石灰稳定土的动力特性研究［J］.公路，2013（6）：6-14.

［3］谭文超，陈平货.水泥改性膨胀土干湿循环特性研究［J］.湖南交通科技，2014，40（3）：34-35，97.

［4］刘文化，杨庆，唐小微，等.干湿循环条件下粉质黏土在循环荷载作用下的动力特性试验研究［J］.水利学报，2015，46 （4）：425-432.

［5］赵明龙，王建华，梁爱华.干湿循环对水泥改良土疲劳强度影响的试验研究［J］.中国铁道科学，2005，26（2）：25-28.

［6］董云，张渊，蒋洋，等.干湿循环作用下改良膨胀土力学指标的变化规律［J］.公路工程，2015（4）：41-46.

［7］BOBBY O H，VINCENT P D. Shear Modulus and Damping in Soils：Measurement and Parameter Effects［J］. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE，1972，98 （SM6）：603-624.

（责任审编周彦彦）

Experimental Study on Dynamic Performance of Cement-improved Expansive Soil in High Speed Railway Subgrade in Wetting-drying Cycles

LI Xing，CHENG Qiangong，ZHANG Jincun，YAO Yuan
（School of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

AbstractIn order to study the cement-improved expansive soil dynamic performance of high speed railway subgrade in the natural wetting-drying cycles，the dynamic triaxial tests of cement-improved expansive soil were made in natural wetting-drying cycles and indoor wetting-drying cycles respectively. Based on the equivalent linear model，the change rules of cement-improved expansive soil dynamic stress，dynamic elastic modulus and damping ratio under the mutual influence of natural wetting-drying cycles，cement mixing and confining pressure were studied. T he research results show that compared with original expansive soil，the dynamic performance of cementimproved expansive soil has been significantly improved，which can satisfy the actual requirements of subgrade construction，cement mixing evidently enhances the capacity of expansive soil to resist the wetting-drying cycles effect，confining pressure can also improve the effect of wetting-drying cycles on cement-improved expansive soil dynamic performance. T he dynamic performance change rules of field subgrade after wetting-drying cycles under natural conditions are simulated based on indoor wetting-drying cycles tests，which have good effects.

Key wordsW etting-drying cycles；Cement-improved expansive soil；Dynamic performance；High speed railway subgrade

中图分类号U213. 1；U214. 1+1

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 27

文章编号：1003-1995（2016）06-0099-05

收稿日期：2016-02-05；修回日期：2016-04-13

基金项目：国家自然科学基金（41530639，41372292）

通讯作者：程谦恭（1962—），男，教授，博士。