遼西地區(qū)粗顆粒泥質(zhì)砂巖水泥改良試驗(yàn)研究

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（1.湖南科技大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；3.中建五局土木工程有限公司，湖南 長沙 410004）

1 研究背景

隨著國內(nèi)高速鐵路的飛速發(fā)展，高速鐵路將穿越更多復(fù)雜的地質(zhì)條件區(qū)域，但是高速鐵路對其路基變形有著嚴(yán)格的要求，這無疑會增加高速鐵路的修建技術(shù)要求。京沈客運(yùn)專線途經(jīng)的遼西地區(qū)，分布著大量的風(fēng)化巖，其中較為常見的是泥質(zhì)砂巖。這種路基土具有遇水膨脹軟化、失水收縮干裂的工程特性，因而限制了施工時對路基填料的就地取材。因此，需要對泥質(zhì)砂巖進(jìn)行改良，以提高其作為路基填料的利用率。

對于膨脹巖性能方面的研究，國內(nèi)外學(xué)者們已經(jīng)取得了諸多的成果[1-4]。如池澤成[1]、謝云[2]等，均采用三向膨脹儀，分別對不同地域的膨脹土進(jìn)行了膨脹力的相關(guān)試驗(yàn)，得知膨脹土的豎向膨脹力總是大于其橫向膨脹力。楊長青[3]、鐘志彬[4]等以膨脹性泥巖為研究對象，在室內(nèi)開展了原狀巖樣浸水物化膨脹性試驗(yàn)，得知巖樣吸水膨脹變形具有顯著的時間效應(yīng)。傅學(xué)敏等[5]對軟巖（砂質(zhì)泥巖、泥巖）進(jìn)行了大量的膨脹性試驗(yàn)，并且探究了軟巖的宏觀膨脹規(guī)律，同樣發(fā)現(xiàn)巖樣的膨脹率有很強(qiáng)的時間效應(yīng)，并且證明了巖樣的層理方向?qū)ζ渑蛎浡室灿幸欢ǖ挠绊憽?/p>

國內(nèi)外學(xué)者們對于改良膨脹巖土樣方面的研究也相對較多，如劉雨等[6]對水泥改良的泥質(zhì)板巖粗粒土樣進(jìn)行了大型靜三軸試驗(yàn)，得出了該改良土樣的軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并且得知改良后土樣的抗壓強(qiáng)度、黏聚力和彈性模量均得到了顯著的提高，土樣的線彈性變形范圍也顯著擴(kuò)大，但是其內(nèi)摩擦角的變化不大。孫姣姣等[7]研究了滲透時間對水泥改良土樣的強(qiáng)度以及滲透性能的影響，發(fā)現(xiàn)制備的水泥改良土樣的抗壓強(qiáng)度隨著滲透時間的增加而降低，但是其滲透系數(shù)隨著滲透時間的增加而增大。劉占一[8]通過剪切試驗(yàn)，不僅對水泥改良土樣的機(jī)理進(jìn)行了分析，而且對改良土樣的主要影響因素進(jìn)行了探討，試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)水泥改良后可以較大程度地提高土樣的抗剪強(qiáng)度，并且隨著土樣初始含水率與水泥摻入量的增加，土樣的抗剪強(qiáng)度均不斷增加。閆愛軍[9]用水泥對黃土狀土樣進(jìn)行了改良，并且經(jīng)過對比試驗(yàn)獲得了最佳的改良方案。高建偉等[10]用水泥對膨脹性土進(jìn)行了改良，并且通過試驗(yàn)研究了水泥改良膨脹土的強(qiáng)度特性，所得結(jié)果表明，水泥的添加不僅抑制了膨脹土的膨脹性能，并且增強(qiáng)了改良土的水穩(wěn)性和土體強(qiáng)度。

綜上所述，水泥是一種良好的膨脹土改良劑，水泥的添加既能抑制土樣的膨脹性能，也能增加土樣的抗剪強(qiáng)度[11-14]。但是已有的研究成果大多數(shù)停留在對細(xì)顆粒小環(huán)刀試樣的研究，而對于土顆粒粒徑超過20 mm的膨脹土樣的研究相對較少，因此，本文擬通過改良現(xiàn)有儀器，對泥質(zhì)砂巖進(jìn)行大粒徑原樣土的改良試驗(yàn)，這樣的試驗(yàn)結(jié)果會更加貼近實(shí)際工程，以期對現(xiàn)場改良泥質(zhì)砂巖作為路基填料方案提供更具價值的理論參考。

2 基本參數(shù)

本課題組依照鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程[15]，對遼西地區(qū)的泥質(zhì)砂巖進(jìn)行了大量的室內(nèi)土工試驗(yàn)，得出了該地區(qū)泥質(zhì)砂巖的基本物理力學(xué)指標(biāo)，具體指標(biāo)與數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 遼西地區(qū)泥質(zhì)砂巖的基本物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Basic physical and mechanical indicators of argillaceous sandstone in Western Liaoning

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)泥質(zhì)砂巖具有黏性土的特征，雖然在烘干狀態(tài)時較為堅(jiān)硬，但是遇水后即呈泥漿狀。因此，對遼西地區(qū)的泥質(zhì)砂巖進(jìn)行了干篩和濕篩的對比，得到的泥質(zhì)砂巖級配曲線與級配情況如圖1和表2所示。

圖1 泥質(zhì)砂巖級配曲線Fig.1 Argillaceous sandstone grading curves

表2 泥質(zhì)砂巖級配情況Table 2 Shale sandstone grading

表2中，d10、d30、d60分別為粒徑分布曲線上的縱坐標(biāo)上質(zhì)量分?jǐn)?shù)等于10%,30%,60%時對應(yīng)的粒徑，其中d10稱為有效粒徑；Cc為曲率系數(shù)；Cu為不均勻系數(shù)。

由圖1所示泥質(zhì)砂巖干篩和濕篩的級配曲線可以得知，經(jīng)過干篩和濕篩處理后，所得到的泥質(zhì)砂巖顆粒的直徑分布的差異較大，濕篩中各顆粒粒徑土的通過率大大提高。從數(shù)值上分析，干篩中顆粒直徑為0.075 mm的通過率僅為1.68%，而濕篩的同粒徑土的通過率達(dá)到了80.7%。如此巨大的差異，說明了大中粒徑的土顆粒是由細(xì)顆粒（依據(jù)鐵路規(guī)范，細(xì)顆粒土的粒徑不大于0.075 mm）黏結(jié)而成，故大中粒徑的土顆粒在遇水及外力的雙重作用下可以解散為細(xì)顆粒。因此，在室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)和現(xiàn)場施工中，如果遇到降水或者地下水位上升，再加之外力做功，將使得泥質(zhì)砂巖濕土顆粒破碎，從而形成新的級配結(jié)果。而通過濕篩的泥質(zhì)砂巖級配情況良好，并且由其不均勻系數(shù)為45.4可以得知，泥質(zhì)砂巖具有極好的不均勻性，易于壓實(shí)。

3 試驗(yàn)儀器改進(jìn)概述

由鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程[15]可以得知，土樣的膨脹性試驗(yàn)主要有無荷膨脹率試驗(yàn)、有荷膨脹率試驗(yàn)和膨脹力試驗(yàn)。相比有荷膨脹率試驗(yàn)和膨脹力試驗(yàn)，無荷膨脹率試驗(yàn)更能滿足基床表層和基床底層填料屬于無荷載和低荷載的工程實(shí)際要求，并且具有操作簡單、試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確、試驗(yàn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的試驗(yàn)試樣為環(huán)刀樣（直徑為61.8 mm，高20 mm），且要求土樣最大的顆粒粒徑應(yīng)小于2 mm，因此需要將風(fēng)化巖過2 mm篩后再進(jìn)行試驗(yàn)，這與工程現(xiàn)場最大粒徑為20 mm的泥質(zhì)砂巖原樣土有明顯的差異。故綜合考慮以上兩點(diǎn)，對改進(jìn)試驗(yàn)，采用體積更大的擊實(shí)筒試樣（直徑為152 mm，高116 mm）進(jìn)行無荷膨脹率試驗(yàn)。

制作擊實(shí)桶試樣時的膨脹率制樣刻畫標(biāo)記線與人工整平如圖2所示。

圖2 膨脹率制樣刻畫標(biāo)記線并人工整平Fig.2 Incremental rate sample plot line with artificial leveling

為保證改進(jìn)試驗(yàn)的合理性和準(zhǔn)確性，在制作擊實(shí)桶試樣時具體改進(jìn)以下3點(diǎn)：

1）按照所需要的壓實(shí)度稱取土樣，并將其分3層擊入擊實(shí)筒中，每次試驗(yàn)結(jié)束后將擊實(shí)筒清洗干凈，自然晾干后刷油養(yǎng)護(hù)，以避免擊實(shí)筒表面銹蝕，造成土樣與筒壁間的摩擦增大，最終導(dǎo)致不能準(zhǔn)確反映其在無荷狀態(tài)下的膨脹率。

2）試驗(yàn)土樣過20 mm篩，且需要預(yù)先計(jì)算出土樣在各個壓實(shí)度下的土樣質(zhì)量，再將土樣擊入擊實(shí)筒中。由于機(jī)具難于掌握，會導(dǎo)致土樣壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)超過所要求的壓實(shí)度。故將試樣分為3層擊樣，預(yù)先畫好每層的刻度線，并且最后一層應(yīng)在高出筒邊沿1 cm左右時即停止機(jī)械擊樣，采用木錘人工擊實(shí)，并且整平試樣表面。

3）充分發(fā)揮土樣膨脹性能的前提是土樣能夠充分吸水，但是因擊實(shí)筒試樣的高度為116 mm、直徑為152 mm，加之泥質(zhì)砂巖的滲透系數(shù)極小，將嚴(yán)重影響試樣的吸水能力。為了提高土樣的滲水性能，借鑒靜三軸試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，擊實(shí)土樣時在筒壁周圍放置6條土工布條，以有效提高試樣的滲水性能。

具體的擊樣過程可以分為如下3步：

第一步，畫記刻度線。因試樣需要分3層進(jìn)行擊樣，故按照擊實(shí)筒的高度（除去墊塊高度50 mm）為116 mm，確定每層試樣高度，約為39 mm，在相應(yīng)位置處分別畫記刻度線。

第二步，擊實(shí)第一層。按照壓實(shí)度以及土樣的濕密度計(jì)算出該層所需要的土樣質(zhì)量，并將土樣裝入擊實(shí)筒中，然后用擊實(shí)儀將土樣擊實(shí)至該層刻度線處，再用刮刀鑿毛其表面。

第三步，制作滲透通道，擊實(shí)后兩層試樣。在擊實(shí)完第一層后，借鑒靜三軸試驗(yàn)中采用濾紙條充當(dāng)滲透路徑的思路，本試驗(yàn)中利用透水土工布條制作成滲透通道，以加快土樣的透水速度，提高擊實(shí)試驗(yàn)效率。在擊實(shí)筒邊緣放置濾條布，并且依次擊入后兩層土樣，最后一層土樣接近筒沿的時候，取下?lián)魧?shí)筒，用木錘人工擊實(shí)并處理平整。

本試驗(yàn)均采用此種擊實(shí)桶制備試樣，擊實(shí)后的試樣如圖2b所示。

圖3所示為膨脹率試驗(yàn)泡水讀數(shù)示意圖。

如圖3a所示，將擊實(shí)的試樣依次加裝底座、透水板并架設(shè)百分表，考慮到風(fēng)化巖可能具有較強(qiáng)的膨脹性能，其膨脹量可能會超過普通百分表量程，所以選用了量程為50 mm的百分表。

如圖3b所示，本試驗(yàn)采用兩組平行樣，每次測得兩組壓實(shí)度數(shù)據(jù)。加水前讀取百分表的初讀數(shù)，然后采用上下兩面同時加水的方法，即水池加水至試樣中土樣高度，同時往擊實(shí)筒內(nèi)加水，以提高試樣的透水速率、加快土樣的膨脹速率，并通過人工采集數(shù)據(jù)后繪制試樣的膨脹率時程曲線。

圖3 膨脹率試驗(yàn)泡水讀數(shù)示意圖Fig.3 Schematic diagram of expansion test reading

4 改良土試驗(yàn)

4.1 原樣土膨脹率試驗(yàn)

將過20 mm篩的泥質(zhì)砂巖原樣土采用擊實(shí)筒制做試樣，在90%和95%兩種壓實(shí)度情況下，測得泥質(zhì)砂巖試樣的無荷膨脹率隨時間的變化曲線如圖4所示。

圖4 不同壓實(shí)度的泥質(zhì)砂巖膨脹率曲線Fig.4 Different compaction argillaceous sandstone expansion rates

由圖4所示不同壓實(shí)度泥質(zhì)砂巖膨脹率曲線可以得知，在測試前期的較短時間內(nèi)，泥質(zhì)砂巖的無荷膨脹率陡增，表明土樣對水的敏感性強(qiáng)烈。過20 mm篩的泥質(zhì)砂巖原樣土試樣在95%和90%兩種壓實(shí)度下，其無荷膨脹率分別為15.27%和13.69%，且由表1知泥質(zhì)砂巖的自由膨脹率為51%。依據(jù)《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》（TB 10001—2017）[15]中的定名表，將泥質(zhì)砂巖定名為高液限粉質(zhì)黏土，屬于D組填料，故可以得知泥質(zhì)砂巖具有一定的改良價值。

4.2 水泥改良土膨脹性試驗(yàn)

通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料[6-14,16-17]，針對泥質(zhì)砂巖的膨脹性和軟弱性兩種基本特征，選擇普通的硅酸鹽水泥作為改良劑，改良目標(biāo)為抑制泥質(zhì)砂巖的膨脹性為主，并且兼顧改善其軟弱性。為總結(jié)眾多水泥改良土中的最佳水泥摻雜量，設(shè)定泥質(zhì)砂巖中的水泥添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%，4%，6%，8%。

將過20 mm篩的不同水泥添加量的泥質(zhì)砂巖改良土，采用擊實(shí)筒制作試樣。制樣后，將試樣用塑料薄膜密封養(yǎng)護(hù)24 h，以保證試樣內(nèi)部的水分充分遷移，并且采用改進(jìn)后的無荷膨脹率試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)操作，所得到的水泥改良土膨脹率與時間關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，水泥摻量與無荷膨脹率的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖5 水泥改良土膨脹率與時間關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves of cement improved soil and time

由圖5所示水泥改良土膨脹率與時間關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果可以得知，隨著試驗(yàn)時間的不斷增加，各不同添加量水泥改良膨脹土的無荷膨脹率開始迅速增加，然后基本趨于穩(wěn)定。無荷膨脹率穩(wěn)定時，摻入水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，4%，6%，8%土樣的無荷膨脹率分別為2.93%，1.15%，0.24%，0.51%?？梢?，水泥對泥質(zhì)砂巖的膨脹性抑制效果十分明顯。

圖6 水泥摻量與無荷膨脹率關(guān)系曲線Fig.6 Relation curves between cement content and no-load expansion rate

由圖6所示水泥摻量與無荷膨脹率關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果可以得知，隨著水泥添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，泥質(zhì)砂巖改良土的無荷膨脹率呈現(xiàn)出先逐漸減小再逐漸增大的變化趨勢。當(dāng)水泥添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時，土樣的無荷膨脹率達(dá)最小值，為0.23%，表明此條件下對泥質(zhì)砂巖的抑制效果最明顯。因此，當(dāng)以膨脹率作為判斷標(biāo)準(zhǔn)時，泥質(zhì)砂巖存在最佳的水泥摻量，即水泥的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%左右。

4.3 水泥改良土強(qiáng)度試驗(yàn)

對過20 mm篩的泥質(zhì)砂巖原樣土和經(jīng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的水泥改良土試樣，采用加州承載比（California bearing ratio，CBR）試驗(yàn)測定其強(qiáng)度，CBR值能反映土樣的路用強(qiáng)度性能。表3所示為泥質(zhì)砂巖原樣土和水泥添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的改良土的CBR值。

表3 泥質(zhì)砂巖改良前后的CBR值Table 3 CBR values before and after the improvement of argillaceous sandstone

由表3可以得知，水泥作為改良劑，在其最佳添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%時，改良的泥質(zhì)砂巖土強(qiáng)度有了較大幅度的提升，試樣的CBR值從原樣土的2.6提高到改良后的11.2，強(qiáng)度約提高了331%，達(dá)到了高速鐵路路基填料的強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

本文通過改良現(xiàn)有儀器，對泥質(zhì)砂巖進(jìn)行了大粒徑原樣土的改良試驗(yàn)，通過測試水泥改良土膨率與時間關(guān)系、水泥摻量與無荷膨脹率關(guān)系及水泥改良土的強(qiáng)度，可以得出如下結(jié)論：

1）泥質(zhì)砂巖作為典型的風(fēng)化巖，通過改良儀器對粗顆粒泥質(zhì)砂巖進(jìn)行改良試驗(yàn)具有一定的可行性，其試驗(yàn)結(jié)果對實(shí)際工程具有更高的參考價值。

2）水泥改良泥質(zhì)砂巖具有很明顯的抑制膨脹性和改善軟弱性的效果，當(dāng)水泥的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時，其擊實(shí)桶試樣的無荷膨脹率從原樣土的15.27%減小到改良土的0.23%，其CBR值從2.6提升為11.2，強(qiáng)度約提高了331%。

3）從泥質(zhì)砂巖的強(qiáng)度和膨脹性兩方面來看，水泥改良土相較于原樣土均有較大的提升，因此可以考慮將泥質(zhì)砂巖水泥改良土作為A、B組填料應(yīng)用于高速鐵路路基填筑中，以提高風(fēng)化填料的利用率，節(jié)約建設(shè)成本。