严寒地区风积沙改良设计及改良土抗压强度研究

姜勇军 中铁二十四局集团南昌铁路工程有限公司

风积沙，又称沙漠沙，是沙被风沙流搬移到冲积平原地区形成沙丘而产生的，属第四纪风积物。我国沙漠面积约为71.29×104km2，占全国总面积的7.4%左右，主要分布于新疆、内蒙古、青海等地。沙漠地区修筑线路工程一般依据就地取材原则，取风积沙为原料进行路堤填筑。

1.工程概况

新通客专（新建通辽至京沈高铁新民北站客运专线）项目自京沈客专新民北站引出，经阜新市境内的彰武站、章古台站（预留车站）以及通辽市境内的甘旗卡、木里图引入通辽站，经新民北站引入京沈高铁，汇入全国高铁网，是内蒙第一条连接外部的高铁。新通客专沿线普通填料匮乏，结合现场实际情况，采用风积沙掺加水泥进行改良，严寒地区大面积水泥改良风积沙填筑在国内尚属首例，无可借鉴的经验，通过在不断的摸索试验过程中总结出了一套行之有效的办法，并取得了很好的质量效果，保证了高铁路基填筑质量。但是，整体造价费用高、施工工序相对复杂、人工养护费用高，因此，在经济比选且符合相关规范要求的前提下，通过不同配比的填料改良，达到我们既经济又实用的目的。

2.实验设计

2.1 实验材料

本次实验所采用的风积沙取自内蒙古通辽市科尔沁区甘旗卡镇沙地，中铁二十四局新通客专TLSG-3标铁路堤施工项目段附近，该区域地势较平坦，局部有起伏，主要分布固定沙丘、半固定沙丘以及沙地等，植被覆盖一般。现场取样的沙经去除杂质后烘干冷却，测得其所含主要矿物为石英，并含有少量的斜长石和钾长石。根据室内颗分实验计算获得风积沙的不均匀系数和曲率系数分别为2.1和0.92；其不均匀系数Cu＜5，曲率系数Cc＜1，说明该地区风积沙颗粒较均匀，属不良级配土，一般情况下，不能直接用于高等级铁路路堤填筑。

本文采用水泥和粘土作为外掺剂对天然风积沙进行改良，实验所用粘土采自距工程场地现场约30km外的取土场，天然含水率约为8.8%，液性指数和塑性指数分别为-0.59、10.19。实验所用的水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5，比表面积348m2/kg，标准稠度25.4%，初凝时间177min，终凝时间209min。

2.2 实验方案

选取三种实验材料进行配比设计，配比方案见表1。将不同配比的实验材料进行室内击实实验，并在最优含水率的情况下制成15×15×15cm的立方体和φ40×80mm的圆柱体试样。每种规格的试件分别制备4组，每组3个试样。

将制备好的试样在恒温恒湿箱中养护7d后，再在室内环境养护至28d；然后按照规范要求进行单轴抗压强度实验。

表1 风积沙改良土配比

3.实验结果与分析

3.1 风积沙改良土水泥含量与单轴抗压强度关系

当粘土含量相同时，改变水泥的配比，测得各试样的单轴抗压强度实验结果如图1所示，四种配比试样的曲线近似呈“S”型，即前段为“上凹”曲线，表明试样处于孔隙压密阶段，随着水泥含量的不断增加，该阶段的切线弹性模量不断增加；中间部分是直线，表明试样处于弹性变形阶段；随着荷载的不断增加，应力应变曲线呈“下凹”，试样内部薄弱面不断产生，在外力的作用下破裂面增大加宽，延伸至整个试件，试样破坏，试件在单轴压力作用下的破坏形式为拉张破坏。另外，根据不同水泥配比风积沙改良土的应力-应变曲线还可发现，随着水泥含量的增加，试样应力-应变曲线直线段的斜率逐渐变大，说明试样的弹性模量随水泥含量增加而变大。

当风积沙改良土中粘土含量为10%时，随着水泥含量增加，风积沙改良土的单轴抗压强度逐渐增加；当水泥含量低于5%时，单轴抗压强度随水泥含量增加较快，而水泥含量超过5%时，单轴抗压强度随水泥含量增加相对较慢。

3.2 风积沙改良土粘土含量与单轴抗压强度关系

通过实验，选取四种不同配比，分别为5%水泥、5%水泥+5%黏土、5%水泥+10%黏土、5%水泥+15%黏土，四种不同粘土配比试样的应力-应变曲线，与图1相似，应力-应变曲线也近似呈“S”型，但是，总体上试样的孔隙压密阶段表现并不明显，可见粘土含量在一定范围内时，可填充风积沙颗粒与颗粒之间、水化反应生成胶结物与风积沙颗粒之间的空隙，使试样处于较紧密的状态。另外，从实验得出，应力-应变曲线直线段斜率随粘土含量增加而变小，说明粘土含量的增加减小了风积沙改良土的弹性模量。

图1 不同水泥配比风积沙改良土的应力-应变曲线

通过实验对比，我们得出风积沙改良土试样的单轴限抗压强度与粘土的掺入量关系为：随着粘土含量的增加，试样的单轴限抗压强度呈现先增大后减小的趋势，在粘土掺量达到10%时，单轴限抗压强度达到最大值871.07kPa；当粘土含量继续增加时，试样的单轴限抗压强度开始减小。同时，粘土含量的增加对风积沙改良土的峰值应变有较大影响，且随着粘土含量的增加，峰值微应变呈指数增加。说明随着粘土掺入量的增加，风积沙改良土的延性不断增强。

4.结束语

本文以内蒙古自治区科尔沁沙地风积沙为研究对象，以水泥和粘土外掺剂，设计不同的风积沙改良土配比方案，对不同配比的风积沙改良性土试样进行单轴抗压强度试验，研究不同配比风积沙改良土的强度变化规律，为风积沙改良土的优化配比方案设计提供试验依据，并得出了以下主要结论：

（1）水泥能够明显的提高风积沙的抗压强度，而且随着的水泥掺量的增加，风积沙改良土的单轴抗压强度明显提高，同时，改良土的弹性模量逐渐增大，其脆性也逐渐增大。

（2）风积沙掺水泥后，适当地掺入粘土亦能增加风积沙改良土的抗压强度；当水泥含量不变时，随着粘土含量的增加，试样的单轴限抗压强度呈现先增大后减小的趋势；另外，随粘土含量增加，改良土的弹性模量逐渐减小，其延性逐渐增大。

（3）综合实验结果，5%水泥+10%粘土配比的风积沙改良土试样具有最高的抗压强度，同时具有较好的延性，建议作为新建通辽至京沈高铁新民北站客运专线风积沙改良配比方案。