石灰掺量和养护龄期对红层泥岩力学特性影响

摘要：为研究红层泥岩石灰改良土作为路基基床填料的可行性，通过对不同石灰掺比、不同养护龄期的红层泥岩石灰改良试样进行了低围压不固结不排水三轴剪切试验探究其力学特性。研究表明：石灰改良试样的强度随着养护龄期的增长而增大，前期增长迅速，后期增长缓慢；掺入石灰后，填料强度和刚度都显著提高，尤其对于红层泥岩石灰改良饱和试样，其强度约增长5倍，显著改善了水对红层泥岩软化的现象，可满足高速铁路路基基床填料强度要求。

关键词：红层泥岩; 石灰改良; 低围压三轴；软化特性

中图分类号：TU435文献标志码：A

0引言

我国红层泥岩广泛分布于华东、华北、西南、西北、东北及中南等地区，西南地区红层泥岩分布面积达到27万km2， 约占整个西南地区总面积的11%［1］。根据国家对西南地区的铁路工程的建设需求，红层泥岩是在西南地区进行路基修筑过程中无法避免的一种岩土体。西南地區红层泥岩是一种含有伊利石和高岭石等亲水性矿物成分，且受断裂带影响的具有多裂隙和易崩解的高液限泥岩，工程性质较差，主要表现为浸水后强度降低，水稳性差，易崩解，并且具有一定的膨胀性和流变性［2-5］。考虑到天然的优质材料在西南地区的稀缺性，如果将开挖后红层泥岩当成废料处理将会急剧增加工程造价并污染环境，因此采用广泛分布的红层泥岩及其改良土作为回填材料代替A、B组优质填料对高速铁路建设具有重要意义。

既有研究表明：崩解压实后的红层泥岩素土作为路基本体填料的适用性已在遂宁线、达成线中被证实［6］。但饱和状态下红层泥岩工程性能劣化严重，割线模量大幅降低［7］，且压实后的红层泥岩浸润后任会有较大的软化，并有一定的膨胀性［8］，易诱发工程病害，所以在降雨量较大的西南地区对红层泥岩进行化学改良以作为高速铁路路基填料很有必要。

本文选取四川成都天府新区全风化红层泥岩作为研究对象，对红层泥岩进行击实试验，依据最大干密度和最优含水率制备不同石灰掺比和养护龄期的石灰改良红层泥岩试样，采用5 kPa围压模拟路基基床浅层土样的应力状态［9-10］，进行低围压不固结不排水（UU）三轴剪切试验，讨论上述条件对红层泥岩石灰改良土的强度、刚度的影响，研究结果可为红层泥岩地带的高速铁路路基填料设计提供参考依据。

1试验材料

试验所用红层泥岩材料取自四川成都天府新区岩块呈棕红/紫红色，岩体结构已全部破坏，回旋钻进极易，用手易捏碎，天然含水率为21.2%。试验均按照TB 10102-2010《铁路工程土工试验规程》标准进行，采用马尔文激光粒度仪测定红层泥岩颗粒级配如图1所示，其余红层泥岩基本物理力学参数见表1。

2试验方法与方案

根据TB10001-2016《铁路路基设计规范》，路基填筑时压实度须达到95%以上，设置试样干密度为1.90 g/cm3，最优含水率8.7%。由Brooker［10］经验公式取土侧压力系数为0.42，根据聂如松［11］计算道床上覆静荷载为16 kPa，最终采用5 kPa围压模拟路基基床浅层应力状态。为探究石灰掺量、含水率、养护龄期对改良效果的影响，设置如表2 试验方案。本试验在GDS三轴仪上完成，试样为高度76 mm，直径38 mm的圆柱体，初始时加5kPa围压使橡胶膜与试样密贴，加载速率设置为1 kPa/min。

3结果分析

3.1养护龄期对石灰改良土强度的影响

由图2可知，随着龄期的增加，石灰改良土的抗压强度增加，前期强度迅速增长，7天养护龄期的试样的抗压强度已经达到28天龄期时强度的95%以上，后期随着养护龄期的增长，其抗压强度增长速度明显放缓，强度趋于稳定。建筑设备与建筑材料余祯： 石灰掺量和养护龄期对红层泥岩力学特性影响

3.2掺量对石灰改良土强度的影响

由图3、图4有，最优含水率下试样无侧限抗压强度随着石灰掺量增加而增加，掺量为2%、4%、6%、8%的石灰改良土无侧限抗压强度较素土强度分别增长35%、74%、93%、154%。对于素土和改良土，饱和样强度相较于最优含水率状态试样强度均有所下降，素土饱和样强度下降70%左右，不同石灰掺量改良土饱和样的强度下降幅度均小于40%。饱和后的改良土强度下降幅度远低于素土强度下降幅度，同时饱和改良土强度仍具有较高的强度。说明红层泥岩改良后，遇水软化的不良工程特性得到改善。

3.3养护龄期对石灰改良土刚度的影响

由图5、图6可见，石灰改良土的割线模量随着养护龄期的增加而增大，石灰掺比为4%时，同等养护条件下，28天养护龄期的非饱和试样0.01%应变时割线模量是1天的1.8倍，对于饱和试样，28天养护龄期的0.01%应变时的割线模量仅是1天的1.2倍，水对试样的软化作用不仅体现在降低素土的模量上，也体现在降低石灰的改良效果上。在最优含水率下，刚度剧烈衰减阶段在1%左右应变开始，但随着养护龄期的增加，刚度剧烈衰减阶段提前，说明随着养护龄期的增加，试样脆性增强。

3.4掺量对石灰改良土刚度的影响

由图7、图8可见，石灰改良土的割线模量随着掺量的增加而增大，2%石灰0.1%应变时割线模量可达到素土的2倍，但随着掺量的继续增加，0.1%应变时割线模量的增长并不明显，非饱和8%石灰0.1%应变时割线模量仅为2%石灰的1.3倍，饱和状态下仅剩1.1倍，施工时采用4%石灰掺量即可取得较好的经济效益。

4结论

本文通过对不同养护龄期和掺量的红层泥岩改良填料进行室内低围压三轴UU剪切试验分析，得到以下结论：

（1）随着养护龄期的增加改良土强度增长，具有前期强度增长迅速，后期增长缓慢的趋势，养护龄期为7天时，试样的抗压强度已经达到了28天龄期时强度的97%。

（2）随着掺量的增加改良土割线模量增长，但增长速度明显减缓，饱和8%石灰0.1%应变时割线模量仅为2%石灰的1.1倍，所以施工时考虑经济效益可选用较小掺量。

（3）石灰改良試样较同等条件下素土试样强度和刚度都有明显的提升，尤其对于红层泥岩石灰改良饱和试样，其强度约增长5倍，显著改善了水对红层泥岩软化的现象，可满足高速铁路路基基床填料强度要求。

参考文献

［1］郭永春，谢强，文江泉.我国红层分布特征及主要工程地质问题［J］.水文地质工程地 质，2007（6）：67-71.

［2］Zhang Shuai， Xu Qiang， Hu Zeming. Effects of rainwater softening on red mudstone of deep-seated landslide， Southwest China［J］. Engineering Geology， 2016， 204.

［3］Wen Bao-Ping， He Lei. Influence of lixiviation by irrigation water on residual shear strength of weathered red mudstone in Northwest China： Implication for its role in landslides' reactivation［J］. Engineering Geology， 2012， 151.

［4］张永安，李峰，陈军. 红层泥岩水岩作用特征研究［J］. 工程地质学报， 2008（1）： 22-26.

［5］张志敏，高文华，张宗堂. 荷载-水化耦合下红层泥岩的变形特性［J］. 长江科学院院报， 2019， 36（6）： 68-72.

［6］孔祥辉，蒋关鲁，邹祖银. 循环荷载下红层泥岩的动力特性及路用性能研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2013， 32（9）： 1813-1819.

［7］刘俊新，刘育田，邱恩喜. 非饱和红层路堤沉降理论与应用研究［J］. 岩土力学， 2010， 31（1）： 217-222.

［8］Zhang Chonglei， Jiang Guanlu， Olivier Buzzi， Su Lijun. Full-scale model testing on the dynamic behaviour of weathered red mudstone subgrade under railway cyclic loading［J］. Soils and Foundations， 2019， 59（2）.

［9］Elmer W Brooker，Herbert O Ireland. Earth Pressures at Rest Related to Stress History［J］. NRC Research Press Ottawa， Canada，1965，2（1）：

［10］聂如松，董俊利，程龙虎，等. 重载铁路基床填料低围压静三轴试验研究［J］. 铁道科学与工程学报. 2019， 16（11）： 2707-2715.

［作者简介］余祯（1998—），女，硕士，研究方向为道路与铁道设计。