全风化千枚岩复合改良土试验研究及路基沉降数值分析

赵秀绍 ，饶江龙 ，陈子溪 ，王梓尧 ，赵林浩 ，程安 ，付智涛

(1. 华东交通大学 江西省地下空间技术开发工程研究中心，江西 南昌 330013；2. 华东交通大学 轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室，江西 南昌 330013)

随着高铁建设的高速发展，铁路路基填料的需求越来越大，外部运输材料的成本极高，就地取材往往具有较好的经济效益。红黏土作为一种典型的特殊土，在中国分布广泛，且在江西省低山、丘陵地区分布十分普遍，总体呈厚层状分布，具有高天然含水率、高液限、高孔隙比、高强度，同时，压缩性低、渗透性低、膨胀性低，即“四高三低”的特点[1-2]。千枚岩土常表现为强度低，黏聚力低，易粉化等特性，无法作为路基填料直接使用[3-5]。因此，加入水泥复合改良红黏土-千枚岩土混合土对2 种特殊土的充分利用具有重要意义。路基的强度与施工后的沉降变形问题一直是研究的热点，赵秀绍等[6]将千枚岩土与红黏土混合后进行相互改良，液限可降低至40%以下，可以满足路基设计规范对液限的控制要求；李忠泉[7]利用水泥对风化千枚岩进行改良，提高千枚岩的力学强度与水稳定性；魏佩顺[8]采用水泥改良千枚岩，路用性能得到提高；毛雪松等[9]研究千枚岩填筑路基在长期应力作用下产生的蠕变变形特性；卢世杰等[10]采用水泥改良中风化、强风化千枚岩，结果表明改良土可适用于路基各结构层。JOEL等[11]对尼日利亚红黏土掺加了由不同比例的干砂和石灰组成的混合改良剂，增强了红黏土作为柔性路面材料的水稳性；OMOTOSHO 等[12]对尼日尔三角洲红黏土进行了砂与水泥混合改良试验，发现存在最佳掺砂比(OSC)并建立了一个模型对2 种改良剂不同含量配比对改良效果的影响进行预测；胡永强等[13]利用动三轴试验发现密实度对红黏土路基强度的影响远大于路基红黏土含水量的影响；谈云志等[14-15]发现红黏土具有很好的水敏性和持水性，是预防路基土体开裂和失稳的基础。YUAN等[16]使用湿压试验方法控制含水量，保证路基的强度和稳定性；YANG 等[17]修正沪广高速铁路红黏土区域路基沉降量，提高计算精度；李健[18]建立改良千枚岩填料路基长期沉降计算模型，发现能有效减小车辆荷载的影响深度，减小路基沉降。综上所述，虽然国内外固化剂单独改良千枚岩土与红黏土作为路基填料的研究较多，但同时利用2种特殊土作为路基填料的研究还较少。ZHAO 等[19]研究表明千枚岩土、红黏土组成的混合土从承载力分析，可以满足路基要求，但是否满足高速铁路沉降要求仍缺乏系统依据，目前关于千枚岩土、红黏土和水泥复合改良土的路基工后沉降量还未见报导。因此，通过开展千枚岩土掺入不同比例红黏土与水泥形成复合改良土，并研究改良土的性能是否满足基床以及路堤填料要求，对2种特殊土的充分利用具有重要意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料来源及性质

试验所用的红黏土以及千枚岩土均选取自江西省南昌市友安路弃土场，红黏土呈红褐色，在最优含水率压实情况下具有强度高，但其压实路基具有容易失水开裂，且浸水后强度迅速降低的特点。千枚岩土呈暗黄色，强度和硬度极低，在碾压作用下块状的千枚岩土迅速破碎成粉状，因此按其性质，可称为千枚岩土。通过室内土工试验得到其基本物理性质如表1所示。试验采用的水泥为南方牌普通硅酸盐水泥，标号为PO 42.5，灰色且不含有水分，符合我国现行《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)规定。

表1 试验材料的基本物理性质参数Table 1 Basic physical property parameters of test materials

1.2 材料配比方案设计

设红黏土干质量为m1，全风化千枚岩土干质量为m2，掺入水泥质量为m3，红黏土掺和比λ定义如式(1)，水泥掺量ζ定义如式(2)所示，即：

共设置5 种红黏土掺和比λ(λ1=0，λ2=20%，λ3=40%，λ4=60%，λ5=100%)以及3 种水泥掺和比ζ(ζ1=0，ζ2=3%，ζ3=5%)。其中，λ1=0 和λ5=100%分别代表纯千枚岩土和纯红黏土，ζ1=0 代表未掺入水泥。为了后面描述方便，定义没有水泥掺入时的红黏土和千枚岩土为混合土，定义水泥、红黏土联合改良千枚岩土为复合改良土。

1.3 试验方案

为了给铁路路基工后沉降计算提供依据，采用MIDAS GTS/NX 软件对路基进行有限元分析。数值分析需要压缩模量Es和抗剪强度指标黏聚力c与内摩擦角φ这3 项关键参数。为获得以上关键参数，设计了固结试验与直剪试验方案。

1.3.1 固结试验方案

根据重型击实试验得知：红黏土掺和比与水泥掺量组合分别为0+0，40%+0，60%+0，40%+ 3%，40%+5%和60%+5%对应的最大干密度分别为1.62，1.68，1.72，1.65，1.63 和1.67 g/cm3，最优含水率变化范围为17.80%～18.92%。为了便于统一对比，最大干密度统一取最大干密度平均值1.66 g/cm3，最优含水率取18%。

固结试验试验制样采用压实系数K=95%(干密度为1.58 g/cm3)，含水率w=18%，试样直径为6.18 cm，试样高度为2.0 cm。采用击样法制备环刀样后，不同组合改良土放入标准养护室中养护0，7 和28 d 后，根据《土工试验方法标准》(GBT 50123-2019)[20]进行快速固结试验。固结仪采用NT.YJZ-1型单杠杆固结仪，如图1所示，试验共进行了5 种红黏土掺和比、3 种水泥掺量、3 种养护龄期的试验，共进行了45组固结试验。

图1 固结仪Fig. 1 Consolidation instrument

1.3.2 直剪试验方案

剪切试验采用ZJ 型应变控制式四联直剪仪(图2)，试验所施加的法向应力分别为50，100，150和200 kPa，采用快剪试验(剪切速率为0.8 mm/min)，并且严格按照规范[20]中的快剪试验操作要求进行试验，试样制样组合方案与固结试验相同。

图2 ZJ型应变控制式四联直剪仪Fig. 2 ZJ strain-controlled quadruple direct shearing instrument

2 试验结果分析

2.1 压缩模量Es的变化规律

压缩模量Es是有侧限条件下应力与应变之比，它是评定土的压缩性指标和MIDAS 有限元软件计算路基沉降的重要参数，工程上常用p1=100 kPa和p2=200 kPa压力段来确定土的压缩模量，按式(3)进行计算。

式中：Es为压力100～200 kPa 下的压缩模量，MPa；a1-2是压力100～200 kPa 的压缩系数；e0是试样制样时的孔隙比；e1和e2分别是压力p1和p2下的孔隙比。

2.1.1 压缩模量Es随红黏土掺和比λ的变化规律

红黏土掺和比λ对改良土Es有显著影响，Es随λ的变化规律如图3所示。

图3 Es与λ的关系曲线Fig. 3 Plot of Es versus λ

由图3 可知，当水泥掺量ζ和养护时间t一定时，复合改良土的Es随λ的增大近似线性增大，其线性拟合方程可用式(4)表示，红黏土掺和比采用小数表示，即20%应代入0.2 进行计算。相关系数均大于0.9，可认为显著相关。

图3 和式(4)表明，当红黏土掺量每增加20%时，Es约增加9.85%。这是因为：千枚岩土颗粒呈板状、片状，在成样时易形成架空结构，由于千枚岩硬度极小，当浸水并受压后容易发生塌陷，所以千枚岩土的Es较低。电镜扫描试验表明，压实的千枚岩土试样颗粒范围为10～50 μm，红黏土粒径为1～5 μm，两者能形成较好的级配，红黏土颗粒可以有效的嵌入千枚岩土颗粒之间，形成密实结构(图4)，从而提高了土的压缩模量。

图4 红黏土掺和比40%SEM图Fig. 4 SEM image of 40% red clay mixing ratio

2.1.2 压缩模量Es随水泥掺量ζ的变化规律

红黏土改良千枚岩土再加入水泥后，水泥发生水解反应并与混合土中的矿物发生反应，生成硬凝性物质，从而降低了土的压缩性。土的Es随ζ的变化规律如图5所示。

图5 Es随ζ的变化(t =28 d)Fig. 5 Variation of Es with ζ (t = 28 d)

根据图5 分析可得，当ζ从0 增至3%时，Es快速增长；当ζ从3%增至5%时，Es增长幅度较小。以λ=40% 为 例，ζ从0 增 至3% 时，Es增 长 了11.23 MPa，而ζ从3%增至5%时仅增长了0.44 MPa，相对水泥掺量为0 时分别增长了116.6%和4.6%。以上对比表明，水泥掺量3%是经济掺量。在养护的过程中，水泥中的各种化合物充分完成反应，生成的胶状物可填充土颗粒的孔隙[21]，红黏土颗粒可与水化产物通过物理吸附，促进颗粒之间的团粒胶结作用，而且红黏土中含有的SiO2和Fe2O3等物质可进一步反应生成硬凝性的硅铝酸钙，使土骨架更为稳定，压缩模量提高。

2.1.3 压缩模量Es随养护时间t的变化规律

从图6 可以看出，Es随着t的增长而增长，增长速度呈先快后慢的规律。以λ=60%，ζ=3%组合改良方案为例，t=0，7 和28 d 时，Es分别为13.86，18.29 和23.34 MPa；养护7 dEs的增幅是养护28 dEs增幅的46.7%。

图6 Es随t的变化Fig. 6 Variation of Es with t

2.2 黏聚力c 随红黏土掺和比λ 与水泥掺量ζ2 种变量的变化规律

直剪试验结果表明，千枚岩土的c非常低，仅为12.34 kPa，红黏土和水泥均可以提高千枚岩土的c，其随λ和ζ的变化分别如图7和图8所示。

当ζ和t一定时，复合改良土的c随着λ和ζ的增大而增大，且λ从20%增加至60%强度增长幅度较大。通过图7 和图8 对比表明，红黏土提高改良土黏聚力的幅度大于水泥提高的幅度。纯千枚岩土的c为12.34 kPa，红黏土掺和比为40%与60%时，黏聚力分别为35.11 kPa 和48.71 kPa，相对纯千枚岩土提高了184.5%和294.7%；千枚岩土掺入3%和5%水泥时分别为18.42 kPa和20.15 kPa(养护28 d)，相对纯千枚岩土提高了49.3%和63.3%。值得注意的是，水泥改良养护到28 d 才能达到此效果，而红黏土改良碾压完成就可达到以上所述黏聚力，因此红黏土对黏聚力的提高远优于水泥的改良效果。

图7 c随λ的变化Fig. 7 Variation of c with λ

图8 c随ζ的变化(t=28 d)Fig. 8 Variation of c with ζ (t=28 d)

以上结果表明，土样经过红黏土和水泥复合改良之后，起主要作用的是红黏土，水泥虽然也具有改良作用，但是作用相对于红黏土而言较小，继续增大水泥掺量对土样的黏聚力改良效果不大。土体中的胶结物含量多少与种类[22]，将影响土的黏聚力大小。掺入水泥和红黏土对千枚岩土进行复合改良时，图4中所示的红黏土级配与充填作用及红黏土产生的铁质胶结是黏聚力增加的关键因素；水泥中含有的Ca2+会与黏性土发生离子交换作用可使土颗粒表面的水膜变薄，从而提高复合改良土的黏聚力。

2.3 内摩擦角φ 随红黏土掺和比λ 与水泥掺量ζ2种变量的变化规律

由图9 和图10 可知，土样的φ整体上随着λ的增大呈现出先增大后减小的趋势，φ随ζ的增大而增大。φ在λ=20%～40%时增长最为显著，λ从40%增长至60%时增长幅度较小，因此红黏土最优掺和比为40%。当λ≤20%时，φ随着水泥掺量的增长近似线性增长；当λ为40%，60%和100%时，φ随水泥掺量增长先增长后趋于稳定，以λ=40%为例，ζ=3%(φ=37.02°)相对于ζ=0(φ=33.68°)增长了9.9%，而ζ=5%(φ=37.42°)相对于ζ=3%(φ=37.02°)，仅增长了1.1%，故水泥掺量超过3%后对提高φ贡献较小。

图9 φ随λ的变化Fig. 9 Variation of φ with λ

图10 φ随ζ的变化(t= 28 d)Fig. 10 Variation of φ with ζ (t= 28 d)

对比图9 和图10，红黏土对提高千枚岩土的φ的效果优于水泥。纯千枚岩土的φ最小，为22.15°，λ=40%时φ=33.68°，相对纯千枚岩土提高了52.1%；水泥掺量3%和5%时分别为26.24°和27.05°，相对纯千枚岩土分别提高了18.5% 和22.1%。

综合分析复合改良土的黏聚力和内摩擦角，红黏土掺和比40%的效果优于5%的水泥改良效果。如果同时采用红黏土和水泥复合改良，能得到更好的改良效果。

呈现上述变化规律主要是因为掺入红黏土之后，不仅可以通过红黏土含有的铁质胶结提高内摩擦角，更可以改良土的级配，进一步增大其内摩擦角。掺入水泥后，水泥中的硅酸盐化合物虽然也可以形成水化结合物[23]，水化产物填充在千枚岩土的孔隙中，使土样大孔隙变小，从而提高内摩擦角。根据图4的微观结构研究，压实土千枚岩土颗粒粒径范围为10～50 μm，压实后，颗粒接触以点-点和点-面接触为主，颗粒之间存在较大孔隙，形成架空结构，所以抗剪强度较低。红黏土粒径一般为1～5 μm，可以改变千枚岩土的粒径级配，压实后有效充填纯千枚岩形成的空隙，因此加入红黏土后强度可大幅提高。但当红黏土掺和比大于60%后，红黏土量已经超过了千枚岩土的量，这种级配充填作用对压实作用提高受到了限制，并且红黏土遇水软化，因此内摩擦角开始降低。综上所述，红黏土掺和比建议为40%～60%。

3 复合改良土不同组合下沉降量数值分析

由于千枚岩土复合改良有较多的组合方案，采用填筑试验段来测得路基的沉降费时费力且不易执行。为了计算路基的工后沉降，采用有限元分析法可以节约大量的工作。有限元分析采用MIDAS GTS/NX 软件，建立复合改良土路基模型，如图11所示。

图11 路基整体模型Fig. 11 Overall model drawing of the roadbed

3.1 数值模型与参数确定

根据《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)中路基标准横断面，由上往下依次为基床表层、基床底层以及基床以下路基，模型顶宽13.8 m，边坡斜率1:1.5，道床宽2.5 m，路基顶面坡率为0，基床底层顶底面土层坡度4%，路堤底部宽度28.8 m，路基总高度为5 m，上部施加两段式均布荷载，荷载宽度为2.5 m，根据换算行车荷载为60.2 kPa，此处取整为60 kPa，模型整体长度为10 m，模型尺寸如图11(a)所示。

土体采用摩尔-库伦本构模型，模型的材料参数主要有Es，c，φ和泊松比μ，Es，c和φ采用固结试验与直剪试验数据，为了方便沉降分析，各层采用相同的改良土填料；μ根据前人的研究文献一般取0.3。单元划分采用混合多边形网格划分，在上部荷载作用处对网格划分进行了加密，网格划分如图11(b)所示。边界条件为约束底部所有自由度，设置自重应力及在上部施加分段均布荷载，分析流程如图11(c)所示，提取路基荷载中点处竖向变形量作为路基的工后沉降量。

3.2 数值模拟结果分析

3.2.1 沉降量随红黏土掺和比λ的变化规律

根据图12可得，路基沉降量随着λ的增加而降低，其中纯千枚岩土的沉降量最大，为36.7 mm，纯红黏土掺合5%水泥，且养护28 d 的沉降量最小，为11.6 mm，根据《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)[24]工后沉降小于15 mm 才能用作于无砟轨道路基，故不掺合水泥的情况下均不符合条件。

由图12 可知掺入水泥后，沉降量显著降低，且伴随着养护时间t的增加，沉降量逐渐降低，沉降量与红黏土掺合比λ的相关关系可以用式(5)来表示；λ采用小数表示，即20%应代入0.2 进行计算。相关系数均大于0.9，可认为显著相关。根据二次曲线的规律，ζ=3%，t=28 d 且λ≥40%的沉降量满足规范，ZHAO 等 发现这种改良方案路基面承载力也可以满足路基连续施工要求，故采用λ=40%～60%，ζ= 3%的复合改良土。

图12 不同红黏土掺和比下路基沉降量Fig. 12 Subgrade settlement under different red clay mixing ratios

3.2.2 沉降量随水泥掺量ζ的变化规律

从图13 可以看出，复合改良土的路基沉降量随着ζ的增加而减小，掺和3%水泥的复合改良土，对路基沉降量的抑制作用较为显著，在水泥掺量3%～5%范围内降低幅度较小。当λ=60%时，水泥掺量从0～3%路基沉降量相对水泥掺量为0时降低了108.2%，水泥掺量从3%增至5%路基沉降降幅相对水泥掺量为0 时降低了4.8%，因此水泥的经济掺量为3%。

图13 不同水泥掺量下路基沉降量Fig. 13 Subgrade settlement under different cement content

3.2.3 沉降量随养护时间t的变化规律

分析图14 可得，无论掺和3%水泥还是5%水泥，养护龄期7 d 对复合改良土的路基沉降量降低效果最为显著，当养护龄期大于7 d 时，沉降量降低较少。这是因为水泥中硅酸二钙等成分反应较慢，需要时间完成水化反应，生成的硬凝物质把土颗粒胶结起来，形成更为紧密的结构，阻止土颗粒间的相对位移。

图14 不同养护时间下路基沉降量Fig. 14 Subgrade settlement under different curing time

4 基于沉降分析的最优掺合方案探讨

通过固结试验和直剪试验对比可得，水泥对提高千枚岩土的Es效果优于红黏土，而红黏土提高千枚岩土的抗剪强度指标c和φ的效果优于水泥，且红黏土提高强度不需要对路基进行养护。采用两者共同对千枚岩土进行复合改良，能达到同时显著提高Es和抗剪强度的双重目的。

基于试验数据的路基数值分析表明，对于5 m高的路基，压实系数为95%的千枚岩土的沉降量为36.7 mm，不能满足《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)的要求，这也是千枚岩土不宜用作路基填料的原因之一。根据路基控制要求，千枚岩土掺入5%水泥(沉降量为16.2 mm)也不能达到沉降控制要求，因此有必要采用复合改良方案。对比表明水泥掺量3%对降低路基沉降效果显著，再增加水泥掺量对降低沉降效果甚微，因此水泥优化掺量为3%。根据图12，当水泥掺量3%时，红黏土掺和比大于40%时，沉降量可以控制在15 mm以内。

铁路路基是分层填筑的，每层压实路基往往作为运输填料的临时通道，而千枚岩土路基承载力低于运输填料汽车对承载力的要求，造成压实路基面损坏。采用水泥直接改良千枚岩土时，需要较长的养护时间才能达到较高的强度，不利于路基的连续施工。赵秀绍等[26]研究表明，当红黏土掺和比大于40%时(ζ=0%)即可满足承载力的要求，且根据图12 可知，ζ=3%，λ=40%路基沉降量为15.0 mm。

综上所述，红黏土在提高路基面的即时承载力起关键作用，水泥在降低路基沉降起关键作用，为了路基面的连续施工与控制工后沉降，复合改良方案可同时满足要求。结合各因素考虑，建议红黏土掺和比为40%～60%，水泥掺量为3%。此时，Es=18.60～20.59 MPa，c=49.37～62.15 kPa，φ=37.02°～38.65°，工后沉降为15.0～13.4 mm。

5 结论

1) 当水泥掺量ζ一定时，复合改良土的压缩模量Es随红黏土掺和比λ的增大近似线性增大。掺入40%的红黏土使纯千枚岩土Es提高了12.9%，而掺入3%的水泥后提高了96.1%；对于掺入3%水泥和40%红黏土对纯千枚岩土进行复合改良时，Es提高了136.5%。因此，复合改良对于土样压缩模量的改良效果优于水泥或红黏土直接改良，并且水泥的改良效果优于红黏土。

2) 通过直剪试验，发现复合改良土c随着λ和ζ的增大而增大；φ整体上随着λ的增大呈现出先增大后减小的趋势，随着ζ的增大而增大，且c和φ在ζ＞3%时增长幅度较小。通过对比表明，红黏土提高千枚岩土强度效果优于水泥，对路基连续施工非常有利。

3) 通过MIDAS GTS/NX 有限元分析软件可得路基沉降量整体上随λ，ζ和t的增大而降低，且沉降量的降低幅度逐渐减小。表明在ζ≥3%，λ≥40%的情况下，满足高速铁路路基工后沉降规范要求。

4) 根据试验与数值分析的结果，水泥和红黏土复合改良千枚岩土可用于高速铁路路基的填筑，优化填筑方案为水泥掺量3%，红黏土掺和比为40%～60%， 此 时 的Es=18.60～20.59 MPa，c=49.37～62.15 kPa，φ=37.02°～38.65°，工后沉降为15.0～13.4 mm。