大何鐵路路基改良填料性能研究

鐵澄宇

（蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州730000）

大何鐵路路基改良填料性能研究

鐵澄宇

（蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州730000）

在建大何（大塔—何家塔）鐵路沿線地表多分布厚度不等的第四系全新統(tǒng)風(fēng)積粉砂、沖積層，作為路基填料難以滿足工程設(shè)計(jì)要求，需對(duì)不合格填料進(jìn)行改良。本文對(duì)擾動(dòng)土與石灰改良土的物理、力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：對(duì)粉質(zhì)黏土填料加入石灰進(jìn)行改良，填料的物理、力學(xué)性能得到改善，可以滿足普通鐵路路基基床底層填料使用要求。

路基；填料；石灰改良；抗拉強(qiáng)度；抗剪強(qiáng)度

路基填料性能的好壞直接關(guān)系到填土路基質(zhì)量。在建大何鐵路為滿足控制路基變形、提高路橋過渡段剛度的要求，需要有穩(wěn)固的軌下基礎(chǔ)。大何鐵路沿線地表多分布厚度不等的第四系全新統(tǒng)風(fēng)積粉砂、沖積層，巖性以黏性土、砂類土、碎石類土、膨脹巖、砂質(zhì)黃土為主，B組填料嚴(yán)重缺乏。粉砂、細(xì)砂壓實(shí)性能較差，作為填料的整體穩(wěn)定性較差，在一定條件下會(huì)產(chǎn)生液化，容易受到水流沖刷破壞，因此難以滿足工程設(shè)計(jì)要求［1-4］。如果完全依靠外運(yùn)取得合格填料，既不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)。較好的辦法是對(duì)不合格填料進(jìn)行改良，使其達(dá)到所要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［5-10］。本文通過試驗(yàn)，對(duì)石灰改良粉質(zhì)黏土的物理、力學(xué)性能進(jìn)行了研究，可為類似工程地質(zhì)地區(qū)路基填料的選擇提供參考。

1　擾動(dòng)土物理性能

1.1天然含水率與界限含水率

從現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)取足夠量的土體，進(jìn)行原狀土含水率測(cè)定，測(cè)得原狀土的天然含水率為16.65%。然后將土體裝入桶內(nèi)（以下稱為擾動(dòng)土）送到實(shí)驗(yàn)室，利用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定擾動(dòng)土的界限含水率。

將擾動(dòng)土樣分為2組進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)液塑限實(shí)測(cè)結(jié)果，確定第1組土樣的塑限為19.54%，液限為32.73%，該土樣塑性指數(shù)IP為13.2，液性指數(shù)IL為0.09，土樣在天然狀態(tài)時(shí)處于硬塑狀態(tài)。第2組土樣的塑限為18.64%，液限為34.75%，該土樣塑性指數(shù)IP為16.11，液性指數(shù)IL為0.12，土樣在天然狀態(tài)時(shí)處于硬塑狀態(tài)。

1.2擾動(dòng)土顆粒分析

根據(jù)擾動(dòng)土的外觀和肉眼可見的顆粒組成特點(diǎn)，利用篩分法和水分法相結(jié)合確定土體的顆粒組成特點(diǎn)。擾動(dòng)土顆粒分析試驗(yàn)曲線見圖1。

圖1　擾動(dòng)土顆粒分析試驗(yàn)曲線

由圖1知，土體顆粒主要集中在0.01～0.075 mm，約占土?？傎|(zhì)量的90%。試驗(yàn)中第1組試驗(yàn)樣本土顆粒不均勻系數(shù)Cu=2.3，曲率系數(shù)Cc=0.6；第2組試驗(yàn)樣本的土顆粒不均勻系數(shù)Cu=4.7，曲率系數(shù)Cc=0.8。不均勻系數(shù)＜10，說明土體顆粒比較均勻。曲率系數(shù)＜1，說明土顆粒大小存在比較集中的分布，直觀上表現(xiàn)為顆粒分析曲線中有豎直曲線段。

根據(jù)擾動(dòng)土的物理特性，利用塑性圖分類法，可以判定該土為中液限的細(xì)顆粒土，土體中粉粒含量比較集中，塑性指數(shù)稍高于黏土和粉土分界線，因此可確定為粉質(zhì)黏土。根據(jù)理論和工程試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，該土體不宜用做實(shí)際工程填料使用，需進(jìn)行改良處理。根據(jù)石灰改良土的既有工程經(jīng)驗(yàn)，擬采用6%，8%，10%共3種石灰摻量（質(zhì)量百分含量）進(jìn)行改良土的室內(nèi)試驗(yàn)。

2　擾動(dòng)土與石灰改良土物理性能對(duì)比試驗(yàn)

2.1顆粒相對(duì)體積質(zhì)量對(duì)比試驗(yàn)

利用比重瓶法測(cè)定土顆粒的相對(duì)體積質(zhì)量，結(jié)果見表1。本次試驗(yàn)采用短頸比重瓶。

表1　土顆粒的相對(duì)體積質(zhì)量

從表1可知，土體顆粒的相對(duì)體積質(zhì)量隨著石灰摻量的增加逐漸減小。

2.2土樣擊實(shí)對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)資料及工程對(duì)填料的要求，在室內(nèi)進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定擾動(dòng)土和不同比例石灰改良土的擊實(shí)特性，試驗(yàn)曲線見圖2。

圖2　擾動(dòng)土和石灰改良土擊實(shí)試驗(yàn)曲線

由圖2可以得到擾動(dòng)土與石灰改良土的最優(yōu)含水率與最大干密度，如表2所示。

表2　土樣的最優(yōu)含水率與最大干密度

從表2可知：在重型擊實(shí)條件下，隨著石灰摻量的增加，石灰改良土的最優(yōu)含水率增大，但增加不太明顯，石灰改良土最大干密度的減小則相對(duì)比較明顯。干密度減小主要是由于石灰土擊實(shí)后的微結(jié)構(gòu)呈團(tuán)粒骨架結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，單粒微團(tuán)粒和團(tuán)聚體相互接觸形成骨架狀，微團(tuán)粒多位于團(tuán)聚體之間起連接作用，或充填于團(tuán)聚體之間的孔隙中，隨著石灰的摻入，改良土結(jié)構(gòu)模型不變，結(jié)構(gòu)單元發(fā)生有規(guī)律的變化，細(xì)小孔隙增多，結(jié)構(gòu)變疏松。

2.3土顆粒分析對(duì)比試驗(yàn)

擾動(dòng)土和改良土顆粒分析對(duì)比試驗(yàn)曲線見圖3。由圖可知，填料經(jīng)過改良后，土顆粒組成發(fā)生了變化。雖然加入石灰改良后土粒含量沒發(fā)生大的改變，但改良土土粒粒徑級(jí)配累計(jì)曲線趨向平緩，原擾動(dòng)土內(nèi)過于集中的顆粒分布得到改善。

圖3　擾動(dòng)土和石灰改良土顆粒分析對(duì)比試驗(yàn)曲線

2.4界限含水率對(duì)比試驗(yàn)

表3為擾動(dòng)土、石灰改良土界限含水率試驗(yàn)結(jié)果。

表3　擾動(dòng)土和石灰改良土界限含水率對(duì)比

由表3可知，由于土體的可塑性與黏粒同水溶液的表面作用有密切關(guān)系，因此影響土體可塑性的因素與影響擴(kuò)散層厚度和弱結(jié)合水含量的因素是一致的。這些因素包括土體內(nèi)黏粒成分的粒徑分布、礦物成分、交換離子成分、濃度、溶液pH值等。土中摻入石灰后，石灰與土產(chǎn)生離子交換作用，使黏粒形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。隨著石灰的摻入，液限有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，且增長(zhǎng)較明顯。對(duì)塑限而言，6%石灰改良土比擾動(dòng)土塑限增大，之后隨著石灰摻入量的加大，塑限有減小趨勢(shì)，10%的石灰改良土與擾動(dòng)土的塑限相差不大。

2.5土樣膨脹性對(duì)比試驗(yàn)

2.5.1擾動(dòng)土樣膨脹性能測(cè)試

自由膨脹率為一定體積的松散土粒在水中無任何限制條件下充分吸水產(chǎn)生自由膨脹、體積增大，試樣膨脹穩(wěn)定后體積與初始體積之比。因此，自由膨脹率是一個(gè)沒有直接工程意義的指標(biāo)，但能在一定程度上反映黏土礦物成分、粒度大小、交換陽離子性質(zhì)等基本特性。根據(jù)試驗(yàn)得到擾動(dòng)土的自由膨脹率為42%。線膨脹率反映膨脹土試樣在無荷載而有側(cè)向限制條件下吸水后沿垂直方向膨脹的增量與初始試樣高度之比，或者在有荷載條件下吸水膨脹性能。在實(shí)際工作過程中大多數(shù)土體上部均有一定的自重荷載，對(duì)其下部土體的膨脹產(chǎn)生抑制作用，本次試驗(yàn)在沒有上部荷載作用下測(cè)定擾動(dòng)土試樣的線膨脹率。從試驗(yàn)結(jié)果看，擾動(dòng)土樣自由膨脹率＞40%，線膨脹率＞1%，因此可初步判定填料具有弱膨脹性。

2.5.2石灰改良土樣膨脹性能測(cè)試

通過重復(fù)上述試驗(yàn)，得到石灰改良土的自由膨脹率和0.93壓實(shí)度的線膨脹率，見表4?？梢姡牧己蟛煌覔搅扛牧纪恋淖杂膳蛎浡识迹?0%，線膨脹率都＜1%，填料的膨脹性得以減弱。

表4　石灰改良土膨脹率%

2.6擾動(dòng)土和石灰改良土水穩(wěn)性能試驗(yàn)

為了解石灰改良后填料的水穩(wěn)性能，進(jìn)行靜水中試樣的崩解試驗(yàn)，根據(jù)試樣在水中保持完整性的時(shí)間長(zhǎng)短，評(píng)價(jià)改良土的水穩(wěn)性能。

試驗(yàn)過程中，原狀土在5 min內(nèi)完全崩解，試樣入水后伴有冒氣泡現(xiàn)象，并有大塊土掉落，崩解很快。0.93壓實(shí)度的擾動(dòng)土在50 min內(nèi)完全崩解，試樣入水后冒小氣泡，試樣表面小塊土掉落，土樣崩解破壞時(shí)間較長(zhǎng)。0 d齡期的6%，8%，10%摻灰土在0.93壓實(shí)度下，分別在65，73，78 min內(nèi)完全崩解，試樣入水后吸水冒泡，并產(chǎn)生大量白沫，在剛放進(jìn)去的前幾分鐘非常明顯，并伴有土樣小塊脫落，后來變得不明顯，僅有小塊慢慢掉落，崩解破壞時(shí)間較長(zhǎng)。7 d齡期的6%，8%，10%摻灰土在0.93壓實(shí)度下，分別在75，85，87 min內(nèi)完全崩解，試樣入水后吸水冒泡，并產(chǎn)生白沫，開始試樣并沒有馬上脫落，隨著吸水過程的進(jìn)行，逐漸有小塊脫落，慢慢有大塊脫落，直至全部崩解完，崩解破壞時(shí)間較長(zhǎng)。

從試驗(yàn)結(jié)果看，填料加入石灰改良后，改良土的水穩(wěn)性能與原狀土相比有較大提高，與壓實(shí)后的擾動(dòng)土試樣相比，抵抗崩解破壞的能力也有所提高，但提高的幅度較小。因此，填料改良后應(yīng)防止受到水的影響，從而降低其使用性能。

3　擾動(dòng)土和改良土力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

3.1擾動(dòng)土和改良土壓縮試驗(yàn)

為了解石灰改良后填料的壓縮變形特性，進(jìn)行按照0.93壓實(shí)度制作的試樣的壓縮試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)改良土的壓縮性能。

表5為擾動(dòng)土和石灰改良土壓縮試驗(yàn)結(jié)果。

表5　擾動(dòng)土和石灰改良土壓縮試驗(yàn)結(jié)果

從表5知，擾動(dòng)土及石灰改良土在100～200 kPa范圍的壓縮系數(shù)均＜0.1 MPa-l，屬低壓縮性土。當(dāng)填料中加入石灰后，壓縮系數(shù)顯著下降，隨著摻灰比的增加，壓縮系數(shù)的變化不是十分明顯。

3.2擾動(dòng)土和改良土三軸壓縮試驗(yàn)

通過前期擊實(shí)試驗(yàn)得到的不同配比改良土的最大干密度和最優(yōu)含水率值，按照含水率誤差＜2%配制土樣，在0.93壓實(shí)度下制作擾動(dòng)土和改良土試樣，進(jìn)行不同齡期的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

3.2.1無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果（圖4）

由試驗(yàn)結(jié)果可以得到擾動(dòng)土和改良土在無側(cè)限條件下的抗壓強(qiáng)度，見表6。

圖4　無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表6　擾動(dòng)土和改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度kPa

由表6可知，擾動(dòng)土在室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)確定的最優(yōu)含水率條件下，按照0.93的壓實(shí)度制作試樣，初步得到的0，7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低，作為路基基床底層填料不能滿足靜、動(dòng)荷載作用要求；填料改良以后，改良土0，7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有明顯提高，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰摻量和齡期變化比較明顯，改良后填料可以滿足路基承受動(dòng)靜荷載對(duì)強(qiáng)度的要求。

3.2.2不同圍壓下抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果（圖5～圖8）

圖5　擾動(dòng)土試樣抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖6　6%石灰改良土試樣抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖7　8%石灰改良土試樣抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖8　10%石灰改良土試樣抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果可以得到擾動(dòng)土和石灰改良土分別在50，100，150，200 kPa圍壓下各自的抗剪強(qiáng)度值以及土樣的c，φ值，見表7。

表7　擾動(dòng)土和石灰改良土不同圍壓下抗剪指標(biāo)

從擾動(dòng)土和改良土三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析，改良土三軸抗壓強(qiáng)度與擾動(dòng)土相比得到一定程度提高；在相同的最優(yōu)含水率、試樣壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、石灰摻量及齡期條件下，改良土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相對(duì)于擾動(dòng)土均有提高。其三軸抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度、石灰摻量和齡期變化比較明顯，改良后填料可以滿足路基承受動(dòng)靜荷載對(duì)強(qiáng)度的要求。

4　結(jié)論

試驗(yàn)所取土樣為粉質(zhì)黏土，根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)，可以得到如下結(jié)論：

1）摻入石灰能有效改善粉質(zhì)黏土填料的物理性能，塑性指數(shù)稍有提高，石灰改良土的最大干密度隨石灰摻入量的增大而減小，最優(yōu)含水率隨石灰摻入量的增大而增加。

2）無側(cè)限壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果都表明，摻入石灰能有效改善填料的力學(xué)性能。與擾動(dòng)土相比，石灰改良土強(qiáng)度有明顯提高。從0 d到7 d齡期，石灰改良土的強(qiáng)度有較大增長(zhǎng)，但石灰摻量超過8%后，強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度不如石灰摻量低于8%時(shí)增長(zhǎng)快，因此，可選用8%的石灰摻量進(jìn)行填料改良。填料進(jìn)行石灰改良后，試樣破壞由塑性逐步向脆性轉(zhuǎn)化，大多數(shù)破壞試樣存在明顯的剪切破壞面。三軸試驗(yàn)結(jié)果表明，與擾動(dòng)土相比，加入石灰摻料后，改良土的黏聚力和內(nèi)摩擦角都有所提高。

3）壓縮試驗(yàn)表明，填料中加入石灰后，壓縮系數(shù)均＜0.1 MPa-1，屬低壓縮性土。

綜合分析室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)粉質(zhì)黏土填料加入石灰進(jìn)行改良，填料的物理、力學(xué)性能得到改善，可以滿足普通鐵路路基基床底層填料使用要求。

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Study on Improved Filling Performance of Data-Hejiata Railway Subgrade

TIE Chengyu
（Lanzhou Railway Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Lanzhou Gansu 730000，China）

Quaternary Holocene aeolian silty sand and alluvium with various thicknesses are widely distributed in the under-constructionData-Hejiata railwayline surface，whichare difficult tomeet the engineering design requirements as the subgrade filling，and it is necessary to improve the unqualified filling.T he physical and mechanical performance of disturbed soil and lime improved soil were compared by the experimental study in this paper.T he results show that the physical and mechanical performance of silty clay filling will be improved with the addition of lime，which could meet the foundation bed bottom filling requirements of general railway subgrade.

Subgrade；Filling；Lime improvement；T ensile strength；Shear strength

U213.1+1

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.24

1003-1995（2016）09-0095-05

（責(zé)任審編周彥彥）

2016-04-15；

2016-06-04

鐵澄宇（1982—），男，工程師。