干濕循環(huán)下高鐵路基水泥改良膨脹土動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

李　星，程謙恭，張金存，姚　遠(yuǎn)（西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都　610031）

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干濕循環(huán)下高鐵路基水泥改良膨脹土動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

李星，程謙恭，張金存，姚遠(yuǎn)
（西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都610031）

摘要為研究自然干濕循環(huán)作用下高鐵路基中水泥改良膨脹土的動(dòng)力特性，對(duì)水泥改良土在自然干濕循環(huán)及室內(nèi)干濕循環(huán)作用下進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，并以等效線性模型為依托，研究水泥改良土的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)彈性模量和阻尼比在自然干濕循環(huán)、摻入水泥和圍壓共同影響下隨動(dòng)應(yīng)變的變化規(guī)律。結(jié)果表明:水泥改良土的動(dòng)力特性較原膨脹土顯著提高，滿足路基工程實(shí)際要求；摻入水泥顯著增強(qiáng)改良土抵抗干濕循環(huán)作用能力，圍壓加載明顯改善干濕循環(huán)對(duì)改良土動(dòng)力特性的影響；基于室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)路基在自然條件下干濕循環(huán)后動(dòng)力特性變化規(guī)律，效果良好。

關(guān)鍵詞干濕循環(huán)；水泥改良膨脹土；動(dòng)力特性；高鐵路基

第一作者：李星（1991—），男，碩士研究生。

膨脹土在我國中西部地區(qū)廣泛分布。在這些地區(qū)對(duì)高鐵路基進(jìn)行填筑時(shí)，由于填料缺乏，常采用改良膨脹土。目前對(duì)膨脹土改良的方法主要有水泥改良和石灰改良2種，與石灰改良相比，水泥改良污染較小，改良效果更佳。由于南寧地區(qū)氣候具有多雨高溫的特點(diǎn)，干濕循環(huán)對(duì)水泥改良膨脹土的力學(xué)特性變化有著重要影響，因此研究南寧地區(qū)水泥改良膨脹土在自然干濕循環(huán)下動(dòng)力特性的響應(yīng)及變化規(guī)律，對(duì)鐵路建設(shè)工程具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)改良土路基動(dòng)力特性進(jìn)行了大量研究。如楊廣慶［1］針對(duì)水泥改良粉質(zhì)黏土，通過動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了其臨界動(dòng)應(yīng)力、累積塑性變形、彈性變形和回彈模量的變化規(guī)律及影響因素；胡大林等［2］研究了石灰改良黃土公路路基不同振動(dòng)頻率、振動(dòng)次數(shù)、含水量、動(dòng)應(yīng)力等對(duì)土體動(dòng)彈性模量和阻尼比的影響；譚文超等［3］研究了干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)水泥改良膨脹土強(qiáng)度和剪切波速的影響，認(rèn)為干濕循環(huán)會(huì)降低其強(qiáng)度及剪切波速；劉文化等［4］研究了粉質(zhì)黏土在飽和條件下干濕循環(huán)對(duì)累積塑性應(yīng)變與振次關(guān)系以及對(duì)動(dòng)強(qiáng)度特性的影響。趙明龍等［5］研究了干濕循環(huán)過程對(duì)水泥改良粉土和粉質(zhì)黏土疲勞強(qiáng)度的影響，以及干濕循環(huán)與水泥改良土的振動(dòng)塑性應(yīng)變和振動(dòng)回彈應(yīng)變的關(guān)系。

目前，對(duì)膨脹土的改良研究以石灰改良研究為主，且研究時(shí)干濕循環(huán)大多在室內(nèi)進(jìn)行，與自然條件下干濕循環(huán)有著較大差異，另外也未考慮影響土體動(dòng)力特性的因素間的相互作用。本文在前人研究基礎(chǔ)上，通過對(duì)水泥改良膨脹土路基在自然干濕循環(huán)下動(dòng)力特性的研究，分析摻入水泥、圍壓及干濕循環(huán)共同作用下水泥改良土動(dòng)力特性變化規(guī)律，并與室內(nèi)干濕循環(huán)下的水泥重塑土進(jìn)行了對(duì)比分析。

1試樣制備及試驗(yàn)方法

1. 1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自廣西南寧經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)屯里動(dòng)車所北偏東方向距動(dòng)車所約3 km的“南寧鐵路樞紐動(dòng)車運(yùn)用所膨脹土路堤填筑關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目試驗(yàn)場(chǎng)地，為弱膨脹土性質(zhì)。填筑路基一部分采用原膨脹土（以下簡(jiǎn)稱未改良土），一部分采用水泥改良土（以下簡(jiǎn)稱改良土），水泥為P. O42. 5普通硅酸鹽水泥，設(shè)計(jì)水泥摻和率為5％，摻和率按質(zhì)量百分比計(jì)。相關(guān)的物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

1. 2試樣的制備

試驗(yàn)未改良土與改良土均取自于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段路基，用與動(dòng)三軸儀配套的取樣器制備出直徑39. 1 mm，高80 mm的試樣。水泥重塑土試樣是取試驗(yàn)場(chǎng)地膨脹土，在室內(nèi)添加P. O 42. 5普通硅酸鹽水泥進(jìn)行改良，摻和率為5％，采用擊樣器分3層擊實(shí)制備。分別制備各類土體試樣14個(gè)，包含2個(gè)備用樣。

1. 3試樣的干濕循環(huán)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，路基填土受干濕循環(huán)作用影響的范圍為路基頂面下1 m以內(nèi)，本試驗(yàn)所采用的未改良土和改良土均取自路基頂面下0. 5 m處?，F(xiàn)場(chǎng)一次降雨和干燥為一個(gè)干濕循環(huán)過程，根據(jù)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)路堤頂面下0. 5 m處含水率，可判斷自然狀態(tài)下該處的干濕循環(huán)情況。有研究表明干濕循環(huán)對(duì)土體性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響主要在前2次［6］，故本試驗(yàn)分別取路基填筑完成后前2次干濕循環(huán)下的土體。每次取土?xí)r間及干濕循環(huán)的幅值見表2。

表1　膨脹土改良前后物理力學(xué)性質(zhì)

表2　現(xiàn)場(chǎng)取土?xí)r間及干濕循環(huán)幅值

對(duì)于水泥重塑土，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將干濕循環(huán)幅值設(shè)置為14％～17％，次數(shù)設(shè)置為2次，計(jì)算出每個(gè)土樣其含水率在14％，17％時(shí)的質(zhì)量。首先在重塑土制備時(shí)控制含水率在14％，并用保鮮膜密封土樣，放入保濕箱中養(yǎng)護(hù)24 h，保證土樣含水率和溫度均勻。然后使用微型噴霧器對(duì)試樣進(jìn)行加濕，當(dāng)含水率達(dá)到17％時(shí)停止加濕，并密封在保濕箱中養(yǎng)護(hù)24 h。之后用電暖氣對(duì)試樣進(jìn)行干燥，每隔半小時(shí)稱一次質(zhì)量，直到含水率降至14％，此為一次干濕循環(huán)過程。按上述方法對(duì)重塑土試樣進(jìn)行0～2次的干濕循環(huán)。

1. 4試驗(yàn)方案

土體的動(dòng)彈性模量Ed和阻尼比λ為表征土體動(dòng)力性質(zhì)的兩個(gè)基本參數(shù)，試驗(yàn)土樣Ed，λ值的計(jì)算采用等效線性模型，其具體計(jì)算步驟按照文獻(xiàn)［2］進(jìn)行。影響土體動(dòng)力性質(zhì)的因素有10個(gè)之多［7］，本文根據(jù)膨脹土高鐵路基實(shí)際情況，選取較典型的影響因素即干濕循環(huán)次數(shù)、摻入水泥、圍壓，對(duì)水泥改良膨脹土的動(dòng)力特性進(jìn)行研究。本次試驗(yàn)中取固結(jié)比1. 0，振動(dòng)頻率1 Hz，動(dòng)應(yīng)力幅值0. 8σ3，動(dòng)荷載加載方式為逐級(jí)加載動(dòng)應(yīng)力幅，在每一種側(cè)向應(yīng)力下均采用單一試樣，動(dòng)應(yīng)力幅值等差為5級(jí)荷載。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2. 1摻入水泥與干濕循環(huán)共同作用下土體動(dòng)力特性

為了分析摻入水泥對(duì)干濕循環(huán)作用下未改良土和水泥改良土2種土體動(dòng)力特性的影響，開展在100，200，300 kPa 3級(jí)圍壓加載下，未改良土和水泥改良土在自然干濕循環(huán)0，1，2次下動(dòng)力特性研究。以圍壓200 kPa下未改良土和水泥改良土的響應(yīng)為例，不同干濕循環(huán)次數(shù)下的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)彈性模量、阻尼比和動(dòng)應(yīng)變的關(guān)系曲線見圖1，圖2，圖3。圖中WG-0，WG-1，WG-2分別表示未改良土在0，1，2次干濕循環(huán)下的關(guān)系曲線，SG-0，SG-1，SG-2分別表示水泥改良土在0，1，2次干濕循環(huán)下的關(guān)系曲線。

圖1　2種土體不同干濕循環(huán)次數(shù)下σd-ε關(guān)系曲線

圖2　2種土體不同干濕循環(huán)次數(shù)下Ed-ε關(guān)系曲線

圖3　2種土體不同干濕循環(huán)次數(shù)下λ-ε關(guān)系曲線

由圖1可知，在相同條件下，水泥改良土動(dòng)應(yīng)力遠(yuǎn)大于未改良土，動(dòng)應(yīng)力值增加約40％，表明改良土的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于未改良土，這一結(jié)果與已有研究成果相符。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，改良土與未改良土的動(dòng)應(yīng)力均呈減小趨勢(shì)，主要原因是干濕循環(huán)過程弱化了土體強(qiáng)度。改良土的動(dòng)應(yīng)力隨干濕循環(huán)次數(shù)增加所降低的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未改良土，表明水泥的摻入提高了膨脹土抵抗干濕循環(huán)弱化土體強(qiáng)度的能力。

由圖2可知，水泥的摻入使得土體的動(dòng)彈性模量大幅度提高，在相同條件下，改良土動(dòng)彈性模量約為未改良土的2倍。隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，改良土動(dòng)彈性模量減小的幅度值遠(yuǎn)低于未改良土，表明水泥的摻入提高了膨脹土抵抗干濕循環(huán)降低土體剛度的能力。

由圖3可知，改良土和未改良土隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，阻尼比均增大；改良土阻尼比約為未改良土的一半，表明改良土對(duì)動(dòng)荷載反應(yīng)的滯后性小于未改良土；隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，改良土阻尼比增幅小于未改良土，表明摻入水泥降低了膨脹土對(duì)動(dòng)荷載反應(yīng)的滯后性。

綜合分析，水泥改良土的動(dòng)力特性較未改良土有顯著提高。2類土體動(dòng)力特性都會(huì)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減弱，但水泥改良土減小的幅度遠(yuǎn)小于未改良土，水泥的摻入明顯提高了膨脹土抵抗干濕循環(huán)的能力。水泥改良土的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)彈性模量以及阻尼比在動(dòng)應(yīng)變＜0. 001時(shí)，隨應(yīng)變的增加近似呈線性變化，當(dāng)動(dòng)應(yīng)變＞0. 001后，逐漸趨于一定值。

2. 2圍壓與干濕循環(huán)共同作用下改良土動(dòng)力特性

水泥改良土在100，200，300 kPa圍壓下，經(jīng)0～2次干濕循環(huán)下土體的動(dòng)力特性響應(yīng)關(guān)系曲線見圖4、圖5、圖6。圖中S0-100表示0次干濕循環(huán)的改良土在100 kPa圍壓下相應(yīng)的關(guān)系曲線，其余圖例類推。

圖4　圍壓和干濕循環(huán)共同作用下改良土σd-ε關(guān)系曲線

由圖4可知，水泥改良土動(dòng)應(yīng)力隨圍壓的增大而增大，說明改良土的強(qiáng)度隨圍壓的增大而增加；干濕循環(huán)導(dǎo)致土體動(dòng)應(yīng)力減小的幅度隨圍壓的增大而逐漸減小，說明在圍壓和干濕循環(huán)共同作用下，高圍壓對(duì)水泥改良土動(dòng)力特性影響較大。該試驗(yàn)路基填土在土體圍壓為300 kPa及以上時(shí)，干濕循環(huán)作用對(duì)土體的動(dòng)應(yīng)力影響可以忽略。

圖5　圍壓和干濕循環(huán)共同作用下改良土Ed-ε關(guān)系曲線

圖6　圍壓和干濕循環(huán)共同作用下改良土λ-ε關(guān)系曲線

由圖5可知，水泥土的動(dòng)彈性模量隨圍壓的增加而增大，增幅隨圍壓增大逐漸減小。隨著圍壓增大，干濕循環(huán)作用導(dǎo)致土體動(dòng)彈性模量減幅趨勢(shì)呈先增加再減小，表明在圍壓和干濕循環(huán)共同作用下，圍壓較低時(shí)，干濕循環(huán)和圍壓均對(duì)土體的動(dòng)彈性模量產(chǎn)生影響；當(dāng)圍壓超過一定值時(shí)，土體的動(dòng)彈性模量變化主要受圍壓作用影響。

由圖6可知，水泥改良土的阻尼比隨圍壓的增大而減小，減幅也隨圍壓的增大而減小。隨著圍壓的增大，干濕循環(huán)對(duì)土體阻尼比變化的影響不明顯，表明在二者共同作用下，當(dāng)圍壓＜300 kPa時(shí)，圍壓對(duì)干濕循環(huán)增強(qiáng)土體滯后性的影響不明顯。

綜合分析，水泥改良土的動(dòng)力特性隨著圍壓的增大不斷加強(qiáng)，其變化幅度減小，這一結(jié)果主要是由于圍壓的增加導(dǎo)致土體的壓硬性得以發(fā)揮。圍壓和干濕循環(huán)共同作用時(shí)，當(dāng)圍壓較低時(shí)，二者對(duì)土體的動(dòng)力特性變化均有較大影響，當(dāng)圍壓超過一定值時(shí)候，圍壓的影響較顯著，干濕循環(huán)作用的影響可以忽略。

2. 3水泥改良土與水泥重塑土動(dòng)力特性對(duì)比

為了分析改良土在自然干濕循環(huán)下與重塑土在室內(nèi)人工干濕循環(huán)下的動(dòng)力特性差異，進(jìn)行了2種土體在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的動(dòng)三軸試驗(yàn)，圖7、圖8、圖9分別為不同圍壓下改良土與重塑土在干濕循環(huán)1次和2次下的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)彈性模量、阻尼比和動(dòng)應(yīng)變的關(guān)系曲線。其中SC-100，SC-200，SC-300分別表示重塑土在100，200，300 kPa圍壓下關(guān)系曲線；SG-100，SG-200，SG-300分別表示改良土在100，200，300 kPa圍壓下關(guān)系曲線。

由圖7可知，在相同條件下，自然干濕循環(huán)下改良土的動(dòng)應(yīng)力較室內(nèi)干濕循環(huán)下重塑土的動(dòng)應(yīng)力大，表明現(xiàn)場(chǎng)改良土的強(qiáng)度較室內(nèi)重塑土高，其差值在40 kPa左右。改良土和重塑土的動(dòng)應(yīng)力均隨著圍壓的增大而增大，在相同干濕循環(huán)次數(shù)下其增大幅值基本相同。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，二者的動(dòng)應(yīng)力均呈增長趨勢(shì)，但二者間的差值基本保持不變。

由圖8可知，在相同條件下，改良土與重塑土的動(dòng)彈性模量值相接近。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，重塑土動(dòng)彈性模量值有所減小，減幅略大于水泥改良土，但基本上相同。說明可以用室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)來模擬現(xiàn)場(chǎng)干濕循環(huán)對(duì)改良土動(dòng)彈性模量變化規(guī)律的影響。

由圖9可知，在相同條件下，重塑土阻尼比較改良土高，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，重塑土的阻尼比逐漸增大，增幅較改良土大。重塑土阻尼比在干濕循環(huán)及圍壓作用下，其變化趨勢(shì)同改良土一致。

綜合分析，現(xiàn)場(chǎng)路基填土的強(qiáng)度、剛度及對(duì)動(dòng)荷載反應(yīng)滯后性方面抵抗干濕循環(huán)影響的能力強(qiáng)于室內(nèi)試驗(yàn)水泥重塑土，但重塑土的動(dòng)力特性變化規(guī)律同改良土基本一致，表明現(xiàn)場(chǎng)路基填土在干濕循環(huán)作用下抵抗動(dòng)荷載能力強(qiáng)于室內(nèi)試驗(yàn)重塑土。分析認(rèn)為，造成這種現(xiàn)象的主要原因可能是現(xiàn)場(chǎng)路基在自然氣候條件下一次干濕循環(huán)的周期較長，由于空氣濕度的不斷變化，致使現(xiàn)場(chǎng)路基會(huì)產(chǎn)生多次程度較弱的次級(jí)干濕循環(huán)過程，這樣現(xiàn)場(chǎng)路基在自然狀況下經(jīng)一次完整的干濕循環(huán)后，與相應(yīng)的室內(nèi)試驗(yàn)重塑土經(jīng)干濕循環(huán)作用結(jié)果相比，現(xiàn)場(chǎng)路基所受干濕循環(huán)作用較強(qiáng)。此外，室內(nèi)試驗(yàn)土體的壓實(shí)度小于現(xiàn)場(chǎng)路基填土的壓實(shí)度，現(xiàn)場(chǎng)路基填土土體內(nèi)部空隙和裂隙較小，這一原因也會(huì)造成2種土體的動(dòng)力特性產(chǎn)生差異。

圖7　不同圍壓下水泥改良土與重塑土σd-ε關(guān)系曲線

圖8　不同圍壓下水泥改良土與重塑土Ed-ε關(guān)系曲線

圖9　不同圍壓下水泥改良土與水泥重塑土λ-ε關(guān)系曲線

3　結(jié)論

1）5％摻入水泥膨脹土，其動(dòng)力特性有顯著改善。在相同條件下，動(dòng)應(yīng)力約提高40％，動(dòng)彈性模量約增加一倍，阻尼比約減小為原來的一半，滿足現(xiàn)場(chǎng)路基的實(shí)際要求。

2）水泥的摻入在很大程度上提高了膨脹土抵抗干濕循環(huán)的能力。動(dòng)應(yīng)變?cè)?. 001范圍內(nèi)，未改良土、水泥改良土動(dòng)力特性特征值在不同因素影響下呈線性增加，0. 001之后趨于一固定值。

3）圍壓和干濕循環(huán)次數(shù)是影響水泥改良土的兩個(gè)主要因素，在二者共同作用下，當(dāng)圍壓較低時(shí)，二者均產(chǎn)生顯著影響；當(dāng)圍壓超過一定值時(shí)候，動(dòng)力特性變化主要受圍壓影響，干濕循環(huán)作用可以忽略。

4）室內(nèi)干濕循環(huán)與現(xiàn)場(chǎng)自然條件下干濕循環(huán)對(duì)土體動(dòng)力特性的影響有顯著的差距，自然條件下土體干濕循環(huán)動(dòng)力特性明顯強(qiáng)于于室內(nèi)試驗(yàn)，但動(dòng)力特性特征值變化規(guī)律趨于一致。因此，可用室內(nèi)試驗(yàn)來分析現(xiàn)場(chǎng)路基填土動(dòng)力特性變化規(guī)律，但其表征的土體動(dòng)力特性與實(shí)際工程間仍然有一定的差異。

5）由于現(xiàn)場(chǎng)一次干濕循環(huán)過程周期較長，故只進(jìn)行了兩次干濕循環(huán)下土體動(dòng)力特性分析，且干濕循環(huán)幅度相同。雖試驗(yàn)結(jié)果良好，但仍存在不足之處，水泥的最佳摻量比和養(yǎng)護(hù)周期是下一步研究的方向。

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（責(zé)任審編周彥彥）

Experimental Study on Dynamic Performance of Cement-improved Expansive Soil in High Speed Railway Subgrade in Wetting-drying Cycles

LI Xing，CHENG Qiangong，ZHANG Jincun，YAO Yuan
（School of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

AbstractIn order to study the cement-improved expansive soil dynamic performance of high speed railway subgrade in the natural wetting-drying cycles，the dynamic triaxial tests of cement-improved expansive soil were made in natural wetting-drying cycles and indoor wetting-drying cycles respectively. Based on the equivalent linear model，the change rules of cement-improved expansive soil dynamic stress，dynamic elastic modulus and damping ratio under the mutual influence of natural wetting-drying cycles，cement mixing and confining pressure were studied. T he research results show that compared with original expansive soil，the dynamic performance of cementimproved expansive soil has been significantly improved，which can satisfy the actual requirements of subgrade construction，cement mixing evidently enhances the capacity of expansive soil to resist the wetting-drying cycles effect，confining pressure can also improve the effect of wetting-drying cycles on cement-improved expansive soil dynamic performance. T he dynamic performance change rules of field subgrade after wetting-drying cycles under natural conditions are simulated based on indoor wetting-drying cycles tests，which have good effects.

Key wordsW etting-drying cycles；Cement-improved expansive soil；Dynamic performance；High speed railway subgrade

中圖分類號(hào)U213. 1；U214. 1+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 27

文章編號(hào)：1003-1995（2016）06-0099-05

收稿日期：2016-02-05；修回日期：2016-04-13

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（41530639，41372292）

通訊作者：程謙恭（1962—），男，教授，博士。