水泥改良黄土抗冲刷性能影响因素研究

祁晓强，袁可佳，蔡露瑶，刘海鹏，董 鑫

(1.陕西西法(北线)城际铁路有限公司，西安 710005；2.长安大学公路学院，西安 710064； 3.陕西省铁路集团有限公司，西安 710199)

0 引 言

关中地区沿线地形地貌多样，黄土分布广泛，成为城际铁路建设不可避免的筑路材料，而黄土独有的疏松多孔结构，导致其在应用时极易受到水分的侵蚀，尤其当路基长期处于不利气候和水文条件时，积水在列车荷载作用下形成动水压力，反复冲刷路基材料。当路基材料抗冲刷能力不足时，基层表面的细颗粒被拽离而造成路基路用性能下降，进而影响列车运行安全。对于上述问题，国内外学者分别从改进室内冲刷试验、提高材料强度、研发新型固化剂材料和提出防冲刷措施等方面进行了针对性研究。安春英[1]研究了成型方式对水泥稳定碎石抗冲刷性能的影响，认为振动法成型试件的抗冲刷性能明显优于静压法成型试件。Qin[2]、郝培文[3]、胡力群[4]、卢浩[5]、吴文飞[6]、王银梅[7]等研究了水泥、石灰、二灰、麦秆纤维、新型固化剂、锰渣等材料对稳定土路基水稳性和抗冲刷性能的影响，认为掺入水泥、石灰、二灰、麦秆纤维和固化剂不仅可大幅提高稳定土强度，还能改善其抗水毁性能。胡力群[4]、朱唐亮[8]、俞海珊[9]等认为稳定细粒土的抗冲刷性能与无侧限抗压强度的相关性较大，其冲刷损失随着试件抗压强度的增强呈线性减少的趋势。沙爱民[10-11]、沈波[12]、吴谦[13]、张雁[14]、高伟[15]等采用不同冲刷试验方法评估了无机结合料稳定土的抗冲刷性能。Sha等[16]开发了一种可产生不同频率和不同动水压力的冲刷试验装置，研究了半刚性基层材料的抗冲刷性能，并对冲刷前后试件的抗压强度进行了评估。Zhang等[17]研究了纤维加筋水泥改良黄土的力学和抗冲刷性能，并认为无侧限抗压强度的提高有利于抗冲刷性能的提高。

此外，通过冲刷试验数据的拟合分析，一些学者也尝试建立了无机结合料稳定材料与冲刷参数的相关函数：俞海珊等[9]研究了水泥稳定碎石的抗冲刷性能，并认为复合函数拟合冲刷试验数据与实际极其吻合；朱唐亮等[8]建立了冲刷次数与冲刷应力比、冲刷深度和动水压力等参数以及无侧限抗压强度的关系，并认为水泥稳定类基层材料的抗冲刷能力主要取决于冲刷应力比；盛燕萍[18]、郭瑞[19-20]等基于灰色理论建立了水泥稳定碎石28 d冲刷量预测模型，并认为该模型可较为准确地预测28 d冲刷量；Wang等[21]基于室内针孔侵蚀试验提出了计算水泥膨胀土冲刷侵蚀率的方法，并建立了侵蚀率与不同养护期、冲刷时间和初始孔洞尺寸之间的数学关系。Narloch等[22]研究了水泥稳定夯实土的耐久性，并认为6%(质量分数)水泥剂量以上时，试件几乎不受水流冲刷作用影响。

上述研究多基于公路工程水泥稳定材料展开研究，其水流作用下的受力模式与铁路路基截然不同，此外水泥改良黄土(cement improved loess, CIL)是由多种材料构成的复合体，其抗冲刷性能受水泥剂量、压实系数、成型方法、冲刷作用次数等多种因素制约[23]，需对各影响因素进行系统全面研究才能揭示其机理。鉴于此，本文以西韩城际铁路路基工程为依托，通过室内试验研究成型方法、水泥剂量、压实系数和冲刷作用次数对水泥改良黄土抗冲刷性能的影响，并研究了冲刷作用对材料强度劣化的影响，研究结果可为水泥改良黄土抗冲刷性能分析提供参考。

1 实 验

1.1 原材料

黄土取自西韩城际铁路项目施工现场，其物理性质见表1。

表1 黄土物理性质Table 1 Physical properties of loess

水泥为陕西尧柏特种水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥P·O 42.5，其技术性质见表2。

表2 水泥技术性质Table 2 Technical properties of loess

1.2 试验方法

1.2.1 试件成型方法

采用振动法(vertical vibration compaction method, VVTM)和静压法(quasi-static compaction method, QSCM)分别成型φ100 mm×h100 mm水泥改良黄土试件，并放入温度(20±2) ℃、相对湿度95%以上的标准养护室养生，养生龄期为28 d。选取四种水泥剂量(2%、3%、4%、6%,质量分数，下同)和三种压实系数(0.92、0.95、0.97)分别研究水泥剂量和压实系数对水泥改良黄土抗冲刷性能的影响。

静压法采用《铁路土工试验规程》(TB 10102—2010)Z1法。振动法采用垂直振动击实仪成型试件，其技术要求见表3，通过控制试件高度确定不同压实系数水泥改良黄土试件振动成型时间[24]。

表3 垂直振动仪工作参数Table 3 Working parameters of vertical vibration testing equipment (VVTE)

1.2.2 冲刷试验

冲刷试验采用自行设计的冲刷试验仪,冲刷原理见图1，冲刷试验仪见图2，冲刷试验前后试件外观见图3。

图1 冲刷原理图Fig.1 Schematic diagram of erosion test

图2 冲刷试验仪Fig.2 Erosion test equipment

图3 冲刷试验前后试件外观Fig.3 Appearance of specimen before and after erosion test

《铁路土工试验规程》(TB 10102—2010)中无冲刷试验方法，因此冲刷试验借鉴《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)中的方法进行。试验前将试件放入冲刷桶内，并将冲刷桶牢固安置在试验机上，向冲刷桶内注入清水，水面高度高于试件顶面5 mm，试验过程中动水压力采用60 kPa，冲刷频率为100次/min，每5 min一个间隔将冲刷下的泥浆倒入容器中沉淀12 h并烘干后称取质量,记为mf(i)，冲刷30 min后试验终止，每种配合比下进行3个平行试件的冲刷试验。

采用累计冲刷量、相对冲刷量和平均冲刷速率指标评价改良黄土抗冲刷性能。

相对冲刷量按式(1)计算：

(1)

式中：P为试件相对冲刷量，%；mf(i)为试件第i次冲刷量，g；i为每5 min间隔记为一次，i=1～6；m0为试件标准质量，g。

平均冲刷速率按式(2)计算：

(2)

式中：Vt为试件在30 min内平均冲刷速率，g/min。

2 结果与讨论

28 d水泥改良黄土冲刷试验结果与28 d无侧限抗压强度见表4。

表4 水泥改良黄土抗冲刷试验结果Table 4 Results of erosion test of CIL

2.1 抗冲刷性能影响因素分析

2.1.1 成型方法

根据表4计算振动法与静压法成型水泥改良黄土试件相对冲刷量及比值，结果见表5,表中Pv为振动法成型试件的30 min相对冲刷量，Pj为静压法成型试件的30 min相对冲刷量。

表5 振动法与静压法成型水泥改良黄土相对冲刷量及比值Table 5 Relative erosion amount and ratio of CIL compacted using VVTM and QSCM

由表5可知，相同水泥剂量和压实系数下，振动法成型试件的相对质量均低于静压法成型试件，由此可知，振动法成型水泥改良黄土试件抗冲刷性能明显优于静压法成型试件，且随着水泥剂量的增加，振动法成型试件的优势更加显著，随着压实系数的增加，振动法成型试件的优势也更为显著。较静压法成型试件而言，采用振动法成型水泥改良黄土试件的相对冲刷量至少可降低10%，表明与静压法相比，振动法可显著提高试件的抗冲刷性能，这与安春英[1]对水泥稳定碎石的研究观点相一致。

振动法成型水泥改良黄土试件抗冲刷性能高于静压法的原因在于，两种成型方法的机理不同，振动法对黄土填料结构的改变程度更大，在振动作用下，黄土颗粒分布更为均匀，试样中的孔隙更小，结构更为致密，颗粒之间接触的面积较大，黏聚力相对较大。而静压法成型试件过程中不断克服颗粒之间的剪切力，使颗粒进一步压密，颗粒之间相对静止，无法使颗粒之间相互填充，这会造成试件的架空孔隙较多，孔隙较大，黄土颗粒之间的黏聚力也相对较小。在相同条件水的冲刷作用下，振动法成型水泥改良黄土试件更难以被水流冲刷掉，因此其相对冲刷量较小。

2.1.2 水泥剂量

水泥剂量对水泥改良黄土抗冲刷性能影响见图4，其中，K表示压实系数，PS表示水泥剂量。由图4可知，随水泥剂量增加，改良黄土抗冲刷性能呈增强趋势变化，且对抗冲刷性能影响逐渐变弱。水泥剂量≤4%时，水泥剂量增加1%，改良黄土相对冲刷量可降低约19%；水泥剂量>4%时，水泥剂量增加1%，改良黄土相对冲刷量可降低约14%，相对冲刷量平均降低值为16%。这是因为随水泥剂量的增加，水化产物增加，改良黄土强度增加，从而提高了改良黄土抗冲刷性能。

图4 水泥剂量对水泥改良黄土抗冲刷性能影响Fig.4 Influence of cement content on anti-erosion performance of CIL

图5为水泥剂量对水泥改良黄土累计冲刷降低率的影响(即各水泥剂量下相对冲刷量与2%水泥剂量下相对冲刷量的差值的比值)。由图5可知，随着水泥剂量的增加，水泥改良黄土的累计冲刷降低率逐渐增大，但其相对冲刷降低率却逐渐降低，当水泥剂量由2%增大至4%时，单位水泥剂量的相对冲刷降低率平均为17%，当水泥剂量由4%增大至6%时，单位水泥剂量的相对冲刷降低率仅为8%，表明当水泥剂量超过4%后，继续增大水泥剂量对水泥改良黄土抗冲刷性能的提升贡献较弱，这与文献[9,23]中观点相吻合。因此，考虑水泥改良黄土抗冲刷性能，建议基床底层填料最低水泥剂量为4%。

图5 水泥剂量对水泥改良黄土累积冲刷降低率的影响Fig.5 Influence of cement content on cumulative erosion reduction rate of CIL

2.1.3 压实系数

图6为压实系数对水泥改良黄土抗冲刷性能影响。由图6可知，随着压实系数的提高，振动法和静压法成型的水泥改良黄土相对冲刷量和平均冲刷速率逐渐降低，抗冲刷性能逐步提高，且近似符合线性关系。压实系数提高0.01，振动法成型试件相对冲刷量降低平均值为6.2%，静压法成型试件相对冲刷量降低平均值为7.2%，表明增大压实系数可显著提高改良黄土抗冲刷性能。此外，压实系数0.95、水泥剂量2%的改良黄土平均冲刷速率为5.4 g/min，与压实系数0.92、水泥剂量4%的改良黄土平均冲刷速率4.9 g/min大小相当，说明当水泥剂量达到一定值时，通过增加水泥剂量来提高改良黄土的抗冲刷性能是不经济的，可通过适当增大压实系数提高改良黄土的抗冲刷性能。

图6 压实系数对水泥改良黄土抗冲刷性能影响Fig.6 Influence of compaction coefficient on anti-erosion performance of CIL

分析其原因，主要有以下两个方面：根据试件表观分析可知，改良黄土压实系数越高，试件表面越光滑，在水流冲刷作用下试件表面施加的阻力越小，从而水对细颗粒的冲刷作用也越小；此外，随着压实系数的增大，试件中的土颗粒排列更为紧密，内部孔隙减小，土颗粒接触面积增大，表现为改良黄土的内摩擦角和黏聚力增大，土颗粒不宜被冲刷流失，因此抗冲刷能力得以提高。陈伟[25]、李宝平[26]等研究认为压实系数对重塑改良黄土的黏聚力和强度影响较大，论证了上述观点。

2.1.4 冲刷作用次数

图7为冲刷作用次数对水泥改良黄土冲刷量影响。由图7可知，冲刷作用次数对不同水泥剂量的水泥改良黄土累计冲刷量影响规律一致，随着冲刷作用次数增加，改良黄土累积冲刷量大致呈线性增长。

图7 冲刷作用次数对水泥改良黄土冲刷量影响Fig.7 Influence of erosion times on cumulative erosion mass of CIL

2.2 水泥改良黄土的抗冲刷性能对强度的影响

图8为水泥改良黄土30 min累计冲刷量与28 d饱和无侧限抗压强度的关系图。由图8可知，二者呈较好的负指数关系，且满足关系式(3)：

图8 水泥改良黄土累计冲刷量对无侧限 抗压强度的影响Fig.8 Influence of cumulative erosion mass of CIL on unconfined compressive strength

quz=3.658 exp(-0.006mf) (R2=0.94)

(3)

式中：quz为试件的28 d饱和无侧限抗压强度，MPa；mf为试件的累计冲刷质量损失，g。

由式(3)可知，试件的冲刷质量损失与抗压强度呈现负相关性，当试件的30 min累计冲刷量为0 g时，其抗压强度值即为28 d抗压强度，当试件30 min累计冲刷质量损失足够大时，试件的抗压强度趋于0 MPa，与实际工程相吻合。出现上述现象的原因为，水泥改良黄土的强度主要由胶结料和土颗粒的黏聚力以及土颗粒间的摩擦力组成，其中黄土的黏聚力取决于颗粒间的各种物理化学作用力，包括库伦力(静电力)、范德华力、胶结作用等，黄土的内摩擦角则取决于颗粒之间的接触面积和颗粒间的嵌挤作用产生的咬合力。由于试验用黄土均相同，因此其强度的高低主要由胶结料所决定。水泥作为胶结料与水拌和后形成水泥浆，包裹在土颗粒的周围，待水泥水化硬化后，相互之间产生黏结力。当水泥剂量较高时，水泥颗粒可均匀、较好地包裹在土颗粒周围时，土颗粒之间的黏结力就会增强，形成密实的结构，试件在宏观上也就表现出强度较高的特点，此时的土颗粒也就不易被有压水流冲刷掉，产生的冲刷量就较少，相应的试件抗冲刷能力就越强；当水泥剂量较低时，形成的水泥浆未与土颗粒均匀结合，水泥浆不够包裹土颗粒时，土颗粒之间的黏结力就会较差，相应地宏观上就表现出强度降低，在动水压力下土颗粒就容易被冲刷掉，抗冲刷能力就稍弱。

将试件冲刷前后的抗压强度测试结果列于表6中，表中，qsu为冲刷试验前试件的抗压强度，qse为冲刷试验后试件的抗压强度。为定量研究抗压强度随冲刷作用的劣化程度，引入劣化度(RRC)进行表征，其计算参考式(4)：

(4)

续表

图9为冲刷试验前后每组试件抗压强度的对比情况。由图9可知，冲刷试验后水泥改良黄土的抗压强度显著降低，其中:振动法成型试件的抗压强度降低平均值为0.40 MPa，劣化度平均值为79.5%；静压法试件的抗压强度降低平均值为0.45 MPa，劣化度平均值为73.7%。表明动水压力不仅对水泥改良黄土产生冲刷作用，还对试件内部结构产生一定程度的破坏作用，使试件内部产生微损伤和微裂缝，致使其抗压强度降低，因此冲刷作用会加剧基层的破坏，愈海珊等[9]对水泥稳定碎石的研究也证明了上述观点。究其原因，在动水压力的循环作用下，试件表面粘附力较小的细颗粒首先被剥蚀，试件表面出现缺陷，随着冲刷作用次数的增多，表面缺陷进一步加深，与此同时，试件内部含水率也急剧增大，由于黄土具有较强的水敏性，在水的入侵和冲刷的作用下，加剧了抗压强度的劣化。

图9 冲刷试验前后水泥改良黄土的抗压强度对比Fig.9 Comparison of compressive strength of CIL before and after erosion test

3 结 论

(1)与静压法相比，振动法成型水泥改良黄土可显著提高试件的抗冲刷性能，其相对冲刷量至少可降低10%。

(2)水泥剂量的增加可提升水泥改良黄土的抗冲刷性能。水泥剂量提高1%，抗冲刷性能平均提高16%，但水泥剂量超过4%后，继续增大水泥剂量对水泥改良黄土抗冲刷性能的提升贡献较弱。因此，考虑水泥改良黄土抗冲刷性能，建议基床底层填料最低水泥剂量为4%。

(3)压实系数的增加可提升水泥改良黄土的抗冲刷性能。压实系数提高0.01，抗冲刷性能至少提高6.2%，实际工程中可通过适当增大压实系数提高改良黄土的抗冲刷性能。

(4)冲刷作用次数对水泥改良黄土的冲刷质量损失影响较为显著，随着冲刷作用次数增加，改良黄土累积冲刷量呈线性增长。

(5)冲刷作用使改良黄土的抗压强度显著下降，振动法成型试件劣化度平均值为79.5%，静压法成型试件劣化度平均值为73.7%，为避免基床强度骤降，实际工程中应做好防排水。