遼寧泥質(zhì)砂巖膨脹特性及水泥改良試驗(yàn)研究

張立偉，楊果林，劉 歡，段君義，周胡波

(1.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

近年來，中國的高速鐵路建造技術(shù)通過不斷地改進(jìn)和創(chuàng)新已經(jīng)走到了世界前列。在高速鐵路設(shè)計(jì)建造中，對(duì)于鐵路路基的要求較普通鐵路也更為嚴(yán)格。TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，基床底層應(yīng)采用A,B組填料或改良土。當(dāng)線路經(jīng)過膨脹土地區(qū)時(shí)，在缺乏A,B組填料的情況下往往會(huì)考慮對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，使其膨脹性滿足鐵路路基要求，以用作鐵路路基的填筑。京沈高速鐵路遼西地區(qū)侏羅系基巖風(fēng)化層中存在大量泥質(zhì)砂巖，存在不同程度的膨脹性，當(dāng)?shù)胤弦蟮穆坊盍陷^少，影響填料的取用，因此對(duì)其開展試驗(yàn)研究。

綜上所述，水泥對(duì)膨脹土的膨脹性具有顯著的抑制作用，是一種良好的膨脹土改良劑。目前對(duì)遼西地區(qū)泥質(zhì)砂巖的膨脹性研究成果較少，為了使遼西地區(qū)高速鐵路沿線膨脹性泥質(zhì)砂巖能夠用于高速鐵路路基填筑，本文對(duì)泥質(zhì)砂巖填料的適用性進(jìn)行研究，研究成果將為高速鐵路路基施工提供指導(dǎo)。

1 泥質(zhì)砂巖的膨脹特性

為了解遼西地區(qū)高速鐵路沿線泥質(zhì)砂巖的膨脹特性，對(duì)其進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)、篩析試驗(yàn)和膨脹特性試驗(yàn)。

1.1 擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)主要是為了研究土體在一定擊實(shí)功率的條件下其含水率與干密度之間的關(guān)系。泥質(zhì)砂巖的擊實(shí)試驗(yàn)依照TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》采用重型擊實(shí)，擊實(shí)筒為大擊實(shí)筒(筒徑為152 mm，筒高166 mm)，分3層擊實(shí)，每層56擊。試驗(yàn)結(jié)果及擊實(shí)曲線分別見表1和圖1。

表1 泥質(zhì)砂巖擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖1 泥質(zhì)砂巖擊實(shí)曲線

由表1及圖1可以得到泥質(zhì)砂巖的最大干密度為1.728 g/cm3，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率為19.8%。

1.2 顆粒分析試驗(yàn)

在擊實(shí)試驗(yàn)中通過觀察發(fā)現(xiàn)，京沈高速鐵路遼寧段的泥質(zhì)砂巖中含有大量的細(xì)黏土，具有較強(qiáng)的黏聚性。根據(jù)TB 10102—2010采用了水篩法對(duì)其進(jìn)行顆粒分析。由于粒徑小于0.075 mm的試樣質(zhì)量超過試樣總質(zhì)量的10%，故需采用密度計(jì)法或移液管法測定粒徑小于0.075 mm的顆粒組成。試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果見表2、表3、表4和圖2?？芍噘|(zhì)砂巖絕大部分的顆粒粒徑在小于0.075 mm范圍內(nèi)，由此可以得出泥質(zhì)砂巖顆粒大部分都是由粒徑小于0.075 mm的土顆粒黏聚而成，也進(jìn)一步說明泥質(zhì)砂巖的黏聚現(xiàn)象十分顯著，存在大量的聚集體，這也是泥質(zhì)砂巖具有膨脹性的重要因素之一。

表2 水篩法顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

表3 密度計(jì)法顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

表4 泥質(zhì)砂巖水篩法級(jí)配情況

圖2 泥質(zhì)砂巖水篩法級(jí)配曲線

1.3 膨脹特性試驗(yàn)

泥質(zhì)砂巖膨脹特性先通過自由膨脹率試驗(yàn)初步對(duì)其膨脹性進(jìn)行判斷，稱取100 g風(fēng)干試樣，碾碎并剔除石子結(jié)核之后過0.5 mm篩，在105～110 ℃的溫度下烘干8 h。通過量土杯量取試樣倒入量筒攪拌，最終得到50 mL懸液。待懸液澄清之后每隔2 h記1次土面讀數(shù)，直至2次讀數(shù)差值小于0.2 mL停止讀數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見表5?？梢钥吹侥噘|(zhì)砂巖的自由膨脹率為51.0%，具有較強(qiáng)膨脹性。

在自由膨脹基礎(chǔ)上又進(jìn)行了有側(cè)限條件下泥質(zhì)砂巖的無荷膨脹率試驗(yàn)。分2組試驗(yàn)，每組2個(gè)試樣。2組試驗(yàn)壓實(shí)度分別為95%和90%，試驗(yàn)結(jié)果取每組的平均值，見圖3。

表5 泥質(zhì)砂巖自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同壓實(shí)度泥質(zhì)砂巖膨脹率

由圖3可知，在壓實(shí)度95%和90%的壓實(shí)條件下泥質(zhì)砂巖穩(wěn)定后膨脹率分別維持在16.183%和15.349%;而且泥質(zhì)砂巖的膨脹在前期短時(shí)間內(nèi)陡增，對(duì)水敏感性強(qiáng)烈。這說明泥質(zhì)砂巖具有較強(qiáng)的膨脹性，不宜用于對(duì)變形要求嚴(yán)格的高速鐵路無砟軌道路基填料，需要進(jìn)行改良。

2 泥質(zhì)砂巖的水泥改良

2.1 水泥改良土膨脹性試驗(yàn)

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[6-15]，總結(jié)眾多水泥改良土的最佳摻量，在確定泥質(zhì)砂巖最優(yōu)摻量時(shí)設(shè)置了4個(gè)比例，即2%，4%，6%，8%。水泥改良土膨脹性試驗(yàn)結(jié)果見圖4。可知，隨著水泥摻量的增加，泥質(zhì)砂巖改良土的膨脹率明顯降低。在水泥摻量為6%附近時(shí)膨脹率最小，摻量達(dá)到8%時(shí)膨脹率反而增加，說明以膨脹率控制時(shí)泥質(zhì)砂巖中水泥的最優(yōu)摻量在6%左右。

圖4 水泥改良土膨脹率與時(shí)間關(guān)系曲線

2.2 水泥改良土直剪試驗(yàn)

圖5 不同壓實(shí)度時(shí)水泥改良土直剪曲線

在直剪試驗(yàn)中，按照0%，6%，9%，12%的水泥摻量進(jìn)行試驗(yàn)。圖5為2種壓實(shí)度下改良土不同水泥摻量的直剪試驗(yàn)結(jié)果?？芍?，水泥的摻入能夠在一定程度上提高改良土的抗剪強(qiáng)度，且隨著水泥摻量的增加，改良土強(qiáng)度也隨之增加。這可能是由于隨著水泥摻量的增加，其在土體內(nèi)的凝結(jié)硬化作用越明顯，土體的強(qiáng)度也越高。此外，壓實(shí)度較大時(shí)，水泥摻量變化對(duì)改良土的強(qiáng)度影響變小。

2.3 最佳摻灰比擊實(shí)試驗(yàn)

依據(jù)水泥改良土的膨脹性試驗(yàn)和強(qiáng)度試驗(yàn)，推薦水泥改良土的最佳摻量為6%。對(duì)水泥摻量6%的改良土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，其擊實(shí)曲線見圖6?？芍?，其最佳含水率21.2%，最大干密度1.673 g/cm3。相比于原狀土，最佳含水率增加而最大干密度降低。

圖6 水泥摻量6%的改良土擊實(shí)曲線

3 結(jié)論

1)泥質(zhì)砂巖大部分由顆粒粒徑小于0.075 mm的黏土顆粒組成，對(duì)水的作用極為敏感，具有較強(qiáng)的膨脹性，故其不能滿足高速鐵路路基的變形要求。

2)在對(duì)泥質(zhì)砂巖摻入水泥進(jìn)行改良之后取得了良好的改良效果。當(dāng)水泥摻量為6%時(shí)膨脹率達(dá)到最低，低于0.3%，故認(rèn)為泥質(zhì)砂巖最佳水泥摻量為6%。

3)水泥有效地改善了泥質(zhì)砂巖的力學(xué)變形特性，使其具有較高的強(qiáng)度和較好的水穩(wěn)定性。經(jīng)過改良之后的泥質(zhì)砂巖在A,B組填料不足的情況下可以應(yīng)用于高速鐵路路基基床底層及以下區(qū)域的填筑，節(jié)約修建成本。