高速铁路软土路基红黏土改良试验研究

马兵林

中铁十八局集团市政工程有限公司 天津 300222

红黏土的承载能力较差，且遇水易流失，因此在该地区进行高速铁路建设时，需要采取一定的措施对路基软土进行改良[1-3]。

目前，我国南方地区铁路建设快速发展，各领域专家学者们也针对铁路软土路基改良展开了积极研究。

刘蓓[4]基于数值模拟软件Abaqus及双曲线回归理论对某铁路软土路基的变形作出了预测，认为铁路的软土路基最大变形点在路基中轴线处，且在距离路基中心线一定距离处会出现地表隆起现象。

贺文波[5]依托沪通铁路软土地基加固工程，采用Abaqus软件深入分析旋喷桩在铁路软土加固工程中的效果，发现软土地基加桩后最大沉降量相对减小41%，旋喷桩对软土地基的改良与加固效果显著。

对于红黏土路基的处理，周海芸等[6]提出红黏土路基碾压时的含水率在26%～28%之间最佳，秦雨航[7]认为ISS固化剂能够大幅弱化红黏土的膨胀性能，并增强红黏土的抗剪切性能与抗压强度。部分学者认为掺加一定的建筑材料或废渣亦能够提升红黏土的路用性能，李佳明等[8]指出掺加一定量的纳米石墨粉可使红黏土的抗剪强度提升3.4%～16.6%，红黏土的承载能力大幅提高；董薇等[9]基于室内试验结果，指出在江西地区红黏土中加入20%砂进行改良后，红黏土的承载能力得到了提升，且其收缩开裂现象也得到了明显的改善。

上述针对高速铁路软土路基的改良研究大多数从数值模拟研究出发，而有机纤维作为无污染、低成本材料，在软土路基改良中的研究却很少涉及[10-11]。

本文以某高速铁路软土路基为例，通过引入聚丙烯纤维材料改良软土路基新技术，设计不同有机纤维掺量、不同围压下的红黏土三轴不固结不排水强度的室内试验，以研究有机纤维材料对软土的改良效果，为铁路软土路基的改良提供一定的支撑。

1 试验设计

1.1 试样制备

本次土的性质改良试验所用红黏土取自我国某地区拟建高速铁路路基。使用烘干机将土样烘干后，按照相关试验规范，取一定量烘干土样置于容器中，并按照试验方案（表1）中所需的聚丙烯纤维掺量掺入一定质量的纤维后，用力摇晃容器使纤维在烘干的红黏土中均匀分布。此后，称取红黏土质量15%的蒸馏水加入密封桶内，拌和均匀，加盖密封，静止浸润。将不同纤维掺量改良土分3层于制样器中击实并养护24 h后，方可进行试验。

表1 试验设计

1.2 试验设备与试验流程

利用GDS土的三轴压缩强度试验系统，进行改良红黏土试样的不固结不排水强度试验。该设备最大轴向加载力为1 000 kN，最大围压加载为2 MPa。在红黏土三轴加载过程中，首先以10 kPa/min的加载速度将围压提升至预定值（50 、100、200 kPa），选用轴向变形速度进行加载控制，加载控制速度为0.4 mm/min。

2 试验结果分析

2.1 应力-应变曲线

图1为不同掺量、不同围压下改良纤维红黏土的应力-应变曲线。由图1可知，红黏土的应力-应变曲线均可分为压密阶段、弹性阶段及屈服破坏阶段，这与土的内部孔隙及物理性质息息相关。

图1 不同纤维掺量下改良土三轴应力-应变曲线

由于制备的红黏土内部仍存在一定的孔隙，因此在低应力作用下发生孔隙压密，且红黏土作为一种典型软土，其本身性质较为软弱，因此弹性变形阶段较短，在外部荷载作用下很快便进入了屈服阶段。

改良红黏土具有较大的变形能力，在经过短暂的弹性变形阶段后，其塑性变形能力较强，最大轴向应变超过15%。三维荷载作用下红黏土持续硬化，未发生明显的破坏，由此可见，红黏土是一种极软的土。同时，当纤维掺量达到3%、5%后，50 kPa围压下改良红黏土出现峰值应力及峰后应力跌落现象，由此可知，纤维改良在一定程度上提高了土的脆性，因此高纤维掺量、低围压条件下改良土的应力-应变曲线出现脆性破坏特征。此外，由红黏土的应力-应变曲线可知，围压对于土的性质提升效果明显，而纤维掺量也能够提升红黏土的强度，但强化幅度较小。

2.2 围压效应

根据土的摩尔-库伦强度准则可知，随着围压的提升，外部约束对土的变形与破坏起到更强的束缚效应与抑制效果，因此土的强度不断提升。由图2可知，不同掺量下纤维改良土的强度随着围压的升高而不断提高，这也符合土的强度准则基本规律。

以1%掺量改良红黏土为例，50 kPa围压下改良红黏土的峰值应力为157.46 kPa，100 kPa围压下改良红黏土的强度比50 kPa下提升59.93%，而200 kPa围压下改良红黏土的强度则已经达到50 kPa下的2.97倍，由此可见，红黏土与改良红黏土作为一种较软的材料，其抗压强度对于围压效应的响应强烈。

2.3 纤维改良效应

图3为不同围压下改良土峰值应力随纤维掺量变化关系图。由图3可知，随着纤维掺量的增大，改良红黏土的强度逐渐提高，掺加聚丙烯纤维对于红黏土的强度提升具有一定的效果。50 kPa条件下，不同掺量改良红黏土的峰值应力分别为129.21、157.46、196.64、260.40 kPa；100 kPa条件下，不同掺量改良红黏土的峰值应力分别为236.89、251.82、314.13、342.35 kPa；200 kPa条件下，不同掺量改良红黏土的峰值应力分别为390.28、467.42、479.06、515.4 kPa。由此可见，利用聚丙烯纤维改良高速铁路软土路基红黏土的路用性能具有高度的可行性。

图2 不同纤维掺量下改良土峰值应力与围压关系

图3 不同围压下改良土峰值应力与纤维掺量关系

为进一步分析改良红黏土峰值应力（σc）与纤维掺量（ω）的相对变化趋势，利用线性函数对二者之间的关系进行拟合，拟合结果如图3所示，拟合函数及相关性（R2）如表2所示。

表2 不同围压下改良红黏土峰值应力与纤维掺量拟合函数

由图3及表2可知，改良红黏土的强度与纤维掺量之间成线性正相关关系，且拟合函数线性相关系数均在0.85以上，拟合效果良好。因此，可以认为改良红黏土的强度随纤维掺量逐渐升高。进一步观察到，随着围压的逐渐升高，函数的斜率逐渐减小，即高围压下改良红黏土的强度随掺量的增加速度降低，这表明在高围压下纤维掺量对改良红黏土的影响逐渐弱化。由此可见，对于软土路基深埋的红黏土，由于所处深度较大，其所受地应力束缚效果明显，此时纤维改良对其强度提升效果不大，因此不适合进行纤维改良工作。

进一步结合图2、图3及表2所得试验结果，基于三维应力下摩尔-库伦强度准则可得，不同掺量下改良红黏土的黏聚力分别为15.56、16.92、20.50、22.42 kPa，内摩擦角分别为27.52°、30.66°、31.002°及29.55°，由此可见，纤维改良对红黏土的黏聚力提升效果较大，而对内摩擦角的影响较小。此外，相对于素红黏土，1%纤维掺量对于红黏土的黏聚力提升效果仅达到8.8%，而3%纤维掺量对于红黏土的黏聚力提升效果达到31.75%，5%纤维掺量对于红黏土的黏聚力提升效果达到44.08%。考虑到纤维改良土的成本与工程的经济效益，采用3%聚丙烯纤维掺量改良的红黏土强度提升效果好且经济成本最合理[12]。

3 结语

本文以某高速铁路软土路基红黏土改良工程为依托，基于室内不同掺量、不同围压下的纤维改良红黏土三轴不固结不排水强度试验，深入研究了聚丙烯纤维改良红黏土的可行性。

红黏土作为一种典型软土，围压对其强度的提升效果明显，以1%掺量改良红黏土为例，50 kPa围压下改良红黏土的峰值应力为157.46 kPa，100 kPa围压下改良红黏土的强度比50 kPa下提升59.93%，而200 kPa围压下改良红黏土的强度则已经达到50 kPa下的2.97倍。聚丙烯纤维改良红黏土明显提高了试样的强度性能，50 kPa围压下，红黏土的抗压强度分别为129.21、157.46、196.64、260.40 kPa。此外，3%的聚丙烯纤维掺量能够大幅提升红黏土的路用性能且是解决经济成本的最佳方案。