水泥改良黃土抗沖刷性能影響因素研究

祁曉強，袁可佳，蔡露瑤，劉海鵬，董 鑫

(1.陜西西法(北線)城際鐵路有限公司，西安 710005；2.長安大學公路學院，西安 710064； 3.陜西省鐵路集團有限公司，西安 710199)

0 引 言

關(guān)中地區(qū)沿線地形地貌多樣，黃土分布廣泛，成為城際鐵路建設不可避免的筑路材料，而黃土獨有的疏松多孔結(jié)構(gòu)，導致其在應用時極易受到水分的侵蝕，尤其當路基長期處于不利氣候和水文條件時，積水在列車荷載作用下形成動水壓力，反復沖刷路基材料。當路基材料抗沖刷能力不足時，基層表面的細顆粒被拽離而造成路基路用性能下降，進而影響列車運行安全。對于上述問題，國內(nèi)外學者分別從改進室內(nèi)沖刷試驗、提高材料強度、研發(fā)新型固化劑材料和提出防沖刷措施等方面進行了針對性研究。安春英[1]研究了成型方式對水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能的影響，認為振動法成型試件的抗沖刷性能明顯優(yōu)于靜壓法成型試件。Qin[2]、郝培文[3]、胡力群[4]、盧浩[5]、吳文飛[6]、王銀梅[7]等研究了水泥、石灰、二灰、麥稈纖維、新型固化劑、錳渣等材料對穩(wěn)定土路基水穩(wěn)性和抗沖刷性能的影響，認為摻入水泥、石灰、二灰、麥稈纖維和固化劑不僅可大幅提高穩(wěn)定土強度，還能改善其抗水毀性能。胡力群[4]、朱唐亮[8]、俞海珊[9]等認為穩(wěn)定細粒土的抗沖刷性能與無側(cè)限抗壓強度的相關(guān)性較大，其沖刷損失隨著試件抗壓強度的增強呈線性減少的趨勢。沙愛民[10-11]、沈波[12]、吳謙[13]、張雁[14]、高偉[15]等采用不同沖刷試驗方法評估了無機結(jié)合料穩(wěn)定土的抗沖刷性能。Sha等[16]開發(fā)了一種可產(chǎn)生不同頻率和不同動水壓力的沖刷試驗裝置，研究了半剛性基層材料的抗沖刷性能，并對沖刷前后試件的抗壓強度進行了評估。Zhang等[17]研究了纖維加筋水泥改良黃土的力學和抗沖刷性能，并認為無側(cè)限抗壓強度的提高有利于抗沖刷性能的提高。

此外，通過沖刷試驗數(shù)據(jù)的擬合分析，一些學者也嘗試建立了無機結(jié)合料穩(wěn)定材料與沖刷參數(shù)的相關(guān)函數(shù)：俞海珊等[9]研究了水泥穩(wěn)定碎石的抗沖刷性能，并認為復合函數(shù)擬合沖刷試驗數(shù)據(jù)與實際極其吻合；朱唐亮等[8]建立了沖刷次數(shù)與沖刷應力比、沖刷深度和動水壓力等參數(shù)以及無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系，并認為水泥穩(wěn)定類基層材料的抗沖刷能力主要取決于沖刷應力比；盛燕萍[18]、郭瑞[19-20]等基于灰色理論建立了水泥穩(wěn)定碎石28 d沖刷量預測模型，并認為該模型可較為準確地預測28 d沖刷量；Wang等[21]基于室內(nèi)針孔侵蝕試驗提出了計算水泥膨脹土沖刷侵蝕率的方法，并建立了侵蝕率與不同養(yǎng)護期、沖刷時間和初始孔洞尺寸之間的數(shù)學關(guān)系。Narloch等[22]研究了水泥穩(wěn)定夯實土的耐久性，并認為6%(質(zhì)量分數(shù))水泥劑量以上時，試件幾乎不受水流沖刷作用影響。

上述研究多基于公路工程水泥穩(wěn)定材料展開研究，其水流作用下的受力模式與鐵路路基截然不同，此外水泥改良黃土(cement improved loess, CIL)是由多種材料構(gòu)成的復合體，其抗沖刷性能受水泥劑量、壓實系數(shù)、成型方法、沖刷作用次數(shù)等多種因素制約[23]，需對各影響因素進行系統(tǒng)全面研究才能揭示其機理。鑒于此，本文以西韓城際鐵路路基工程為依托，通過室內(nèi)試驗研究成型方法、水泥劑量、壓實系數(shù)和沖刷作用次數(shù)對水泥改良黃土抗沖刷性能的影響，并研究了沖刷作用對材料強度劣化的影響，研究結(jié)果可為水泥改良黃土抗沖刷性能分析提供參考。

1 實 驗

1.1 原材料

黃土取自西韓城際鐵路項目施工現(xiàn)場，其物理性質(zhì)見表1。

表1 黃土物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of loess

水泥為陜西堯柏特種水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥P·O 42.5，其技術(shù)性質(zhì)見表2。

表2 水泥技術(shù)性質(zhì)Table 2 Technical properties of loess

1.2 試驗方法

1.2.1 試件成型方法

采用振動法(vertical vibration compaction method, VVTM)和靜壓法(quasi-static compaction method, QSCM)分別成型φ100 mm×h100 mm水泥改良黃土試件，并放入溫度(20±2) ℃、相對濕度95%以上的標準養(yǎng)護室養(yǎng)生，養(yǎng)生齡期為28 d。選取四種水泥劑量(2%、3%、4%、6%,質(zhì)量分數(shù)，下同)和三種壓實系數(shù)(0.92、0.95、0.97)分別研究水泥劑量和壓實系數(shù)對水泥改良黃土抗沖刷性能的影響。

靜壓法采用《鐵路土工試驗規(guī)程》(TB 10102—2010)Z1法。振動法采用垂直振動擊實儀成型試件，其技術(shù)要求見表3，通過控制試件高度確定不同壓實系數(shù)水泥改良黃土試件振動成型時間[24]。

表3 垂直振動儀工作參數(shù)Table 3 Working parameters of vertical vibration testing equipment (VVTE)

1.2.2 沖刷試驗

沖刷試驗采用自行設計的沖刷試驗儀,沖刷原理見圖1，沖刷試驗儀見圖2，沖刷試驗前后試件外觀見圖3。

圖1 沖刷原理圖Fig.1 Schematic diagram of erosion test

圖2 沖刷試驗儀Fig.2 Erosion test equipment

圖3 沖刷試驗前后試件外觀Fig.3 Appearance of specimen before and after erosion test

《鐵路土工試驗規(guī)程》(TB 10102—2010)中無沖刷試驗方法，因此沖刷試驗借鑒《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)中的方法進行。試驗前將試件放入沖刷桶內(nèi)，并將沖刷桶牢固安置在試驗機上，向沖刷桶內(nèi)注入清水，水面高度高于試件頂面5 mm，試驗過程中動水壓力采用60 kPa，沖刷頻率為100次/min，每5 min一個間隔將沖刷下的泥漿倒入容器中沉淀12 h并烘干后稱取質(zhì)量,記為mf(i)，沖刷30 min后試驗終止，每種配合比下進行3個平行試件的沖刷試驗。

采用累計沖刷量、相對沖刷量和平均沖刷速率指標評價改良黃土抗沖刷性能。

相對沖刷量按式(1)計算：

(1)

式中：P為試件相對沖刷量，%；mf(i)為試件第i次沖刷量，g；i為每5 min間隔記為一次，i=1～6；m0為試件標準質(zhì)量，g。

平均沖刷速率按式(2)計算：

(2)

式中：Vt為試件在30 min內(nèi)平均沖刷速率，g/min。

2 結(jié)果與討論

28 d水泥改良黃土沖刷試驗結(jié)果與28 d無側(cè)限抗壓強度見表4。

表4 水泥改良黃土抗沖刷試驗結(jié)果Table 4 Results of erosion test of CIL

2.1 抗沖刷性能影響因素分析

2.1.1 成型方法

根據(jù)表4計算振動法與靜壓法成型水泥改良黃土試件相對沖刷量及比值，結(jié)果見表5,表中Pv為振動法成型試件的30 min相對沖刷量，Pj為靜壓法成型試件的30 min相對沖刷量。

表5 振動法與靜壓法成型水泥改良黃土相對沖刷量及比值Table 5 Relative erosion amount and ratio of CIL compacted using VVTM and QSCM

由表5可知，相同水泥劑量和壓實系數(shù)下，振動法成型試件的相對質(zhì)量均低于靜壓法成型試件，由此可知，振動法成型水泥改良黃土試件抗沖刷性能明顯優(yōu)于靜壓法成型試件，且隨著水泥劑量的增加，振動法成型試件的優(yōu)勢更加顯著，隨著壓實系數(shù)的增加，振動法成型試件的優(yōu)勢也更為顯著。較靜壓法成型試件而言，采用振動法成型水泥改良黃土試件的相對沖刷量至少可降低10%，表明與靜壓法相比，振動法可顯著提高試件的抗沖刷性能，這與安春英[1]對水泥穩(wěn)定碎石的研究觀點相一致。

振動法成型水泥改良黃土試件抗沖刷性能高于靜壓法的原因在于，兩種成型方法的機理不同，振動法對黃土填料結(jié)構(gòu)的改變程度更大，在振動作用下，黃土顆粒分布更為均勻，試樣中的孔隙更小，結(jié)構(gòu)更為致密，顆粒之間接觸的面積較大，黏聚力相對較大。而靜壓法成型試件過程中不斷克服顆粒之間的剪切力，使顆粒進一步壓密，顆粒之間相對靜止，無法使顆粒之間相互填充，這會造成試件的架空孔隙較多，孔隙較大，黃土顆粒之間的黏聚力也相對較小。在相同條件水的沖刷作用下，振動法成型水泥改良黃土試件更難以被水流沖刷掉，因此其相對沖刷量較小。

2.1.2 水泥劑量

水泥劑量對水泥改良黃土抗沖刷性能影響見圖4，其中，K表示壓實系數(shù)，PS表示水泥劑量。由圖4可知，隨水泥劑量增加，改良黃土抗沖刷性能呈增強趨勢變化，且對抗沖刷性能影響逐漸變?nèi)?。水泥劑量?%時，水泥劑量增加1%，改良黃土相對沖刷量可降低約19%；水泥劑量>4%時，水泥劑量增加1%，改良黃土相對沖刷量可降低約14%，相對沖刷量平均降低值為16%。這是因為隨水泥劑量的增加，水化產(chǎn)物增加，改良黃土強度增加，從而提高了改良黃土抗沖刷性能。

圖4 水泥劑量對水泥改良黃土抗沖刷性能影響Fig.4 Influence of cement content on anti-erosion performance of CIL

圖5為水泥劑量對水泥改良黃土累計沖刷降低率的影響(即各水泥劑量下相對沖刷量與2%水泥劑量下相對沖刷量的差值的比值)。由圖5可知，隨著水泥劑量的增加，水泥改良黃土的累計沖刷降低率逐漸增大，但其相對沖刷降低率卻逐漸降低，當水泥劑量由2%增大至4%時，單位水泥劑量的相對沖刷降低率平均為17%，當水泥劑量由4%增大至6%時，單位水泥劑量的相對沖刷降低率僅為8%，表明當水泥劑量超過4%后，繼續(xù)增大水泥劑量對水泥改良黃土抗沖刷性能的提升貢獻較弱，這與文獻[9,23]中觀點相吻合。因此，考慮水泥改良黃土抗沖刷性能，建議基床底層填料最低水泥劑量為4%。

圖5 水泥劑量對水泥改良黃土累積沖刷降低率的影響Fig.5 Influence of cement content on cumulative erosion reduction rate of CIL

2.1.3 壓實系數(shù)

圖6為壓實系數(shù)對水泥改良黃土抗沖刷性能影響。由圖6可知，隨著壓實系數(shù)的提高，振動法和靜壓法成型的水泥改良黃土相對沖刷量和平均沖刷速率逐漸降低，抗沖刷性能逐步提高，且近似符合線性關(guān)系。壓實系數(shù)提高0.01，振動法成型試件相對沖刷量降低平均值為6.2%，靜壓法成型試件相對沖刷量降低平均值為7.2%，表明增大壓實系數(shù)可顯著提高改良黃土抗沖刷性能。此外，壓實系數(shù)0.95、水泥劑量2%的改良黃土平均沖刷速率為5.4 g/min，與壓實系數(shù)0.92、水泥劑量4%的改良黃土平均沖刷速率4.9 g/min大小相當，說明當水泥劑量達到一定值時，通過增加水泥劑量來提高改良黃土的抗沖刷性能是不經(jīng)濟的，可通過適當增大壓實系數(shù)提高改良黃土的抗沖刷性能。

圖6 壓實系數(shù)對水泥改良黃土抗沖刷性能影響Fig.6 Influence of compaction coefficient on anti-erosion performance of CIL

分析其原因，主要有以下兩個方面：根據(jù)試件表觀分析可知，改良黃土壓實系數(shù)越高，試件表面越光滑，在水流沖刷作用下試件表面施加的阻力越小，從而水對細顆粒的沖刷作用也越小；此外，隨著壓實系數(shù)的增大，試件中的土顆粒排列更為緊密，內(nèi)部孔隙減小，土顆粒接觸面積增大，表現(xiàn)為改良黃土的內(nèi)摩擦角和黏聚力增大，土顆粒不宜被沖刷流失，因此抗沖刷能力得以提高。陳偉[25]、李寶平[26]等研究認為壓實系數(shù)對重塑改良黃土的黏聚力和強度影響較大，論證了上述觀點。

2.1.4 沖刷作用次數(shù)

圖7為沖刷作用次數(shù)對水泥改良黃土沖刷量影響。由圖7可知，沖刷作用次數(shù)對不同水泥劑量的水泥改良黃土累計沖刷量影響規(guī)律一致，隨著沖刷作用次數(shù)增加，改良黃土累積沖刷量大致呈線性增長。

圖7 沖刷作用次數(shù)對水泥改良黃土沖刷量影響Fig.7 Influence of erosion times on cumulative erosion mass of CIL

2.2 水泥改良黃土的抗沖刷性能對強度的影響

圖8為水泥改良黃土30 min累計沖刷量與28 d飽和無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系圖。由圖8可知，二者呈較好的負指數(shù)關(guān)系，且滿足關(guān)系式(3)：

圖8 水泥改良黃土累計沖刷量對無側(cè)限 抗壓強度的影響Fig.8 Influence of cumulative erosion mass of CIL on unconfined compressive strength

quz=3.658 exp(-0.006mf) (R2=0.94)

(3)

式中：quz為試件的28 d飽和無側(cè)限抗壓強度，MPa；mf為試件的累計沖刷質(zhì)量損失，g。

由式(3)可知，試件的沖刷質(zhì)量損失與抗壓強度呈現(xiàn)負相關(guān)性，當試件的30 min累計沖刷量為0 g時，其抗壓強度值即為28 d抗壓強度，當試件30 min累計沖刷質(zhì)量損失足夠大時，試件的抗壓強度趨于0 MPa，與實際工程相吻合。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因為，水泥改良黃土的強度主要由膠結(jié)料和土顆粒的黏聚力以及土顆粒間的摩擦力組成，其中黃土的黏聚力取決于顆粒間的各種物理化學作用力，包括庫倫力(靜電力)、范德華力、膠結(jié)作用等，黃土的內(nèi)摩擦角則取決于顆粒之間的接觸面積和顆粒間的嵌擠作用產(chǎn)生的咬合力。由于試驗用黃土均相同，因此其強度的高低主要由膠結(jié)料所決定。水泥作為膠結(jié)料與水拌和后形成水泥漿，包裹在土顆粒的周圍，待水泥水化硬化后，相互之間產(chǎn)生黏結(jié)力。當水泥劑量較高時，水泥顆?？删鶆?、較好地包裹在土顆粒周圍時，土顆粒之間的黏結(jié)力就會增強，形成密實的結(jié)構(gòu)，試件在宏觀上也就表現(xiàn)出強度較高的特點，此時的土顆粒也就不易被有壓水流沖刷掉，產(chǎn)生的沖刷量就較少，相應的試件抗沖刷能力就越強；當水泥劑量較低時，形成的水泥漿未與土顆粒均勻結(jié)合，水泥漿不夠包裹土顆粒時，土顆粒之間的黏結(jié)力就會較差，相應地宏觀上就表現(xiàn)出強度降低，在動水壓力下土顆粒就容易被沖刷掉，抗沖刷能力就稍弱。

將試件沖刷前后的抗壓強度測試結(jié)果列于表6中，表中，qsu為沖刷試驗前試件的抗壓強度，qse為沖刷試驗后試件的抗壓強度。為定量研究抗壓強度隨沖刷作用的劣化程度，引入劣化度(RRC)進行表征，其計算參考式(4)：

(4)

續(xù)表

圖9為沖刷試驗前后每組試件抗壓強度的對比情況。由圖9可知，沖刷試驗后水泥改良黃土的抗壓強度顯著降低，其中:振動法成型試件的抗壓強度降低平均值為0.40 MPa，劣化度平均值為79.5%；靜壓法試件的抗壓強度降低平均值為0.45 MPa，劣化度平均值為73.7%。表明動水壓力不僅對水泥改良黃土產(chǎn)生沖刷作用，還對試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的破壞作用，使試件內(nèi)部產(chǎn)生微損傷和微裂縫，致使其抗壓強度降低，因此沖刷作用會加劇基層的破壞，愈海珊等[9]對水泥穩(wěn)定碎石的研究也證明了上述觀點。究其原因，在動水壓力的循環(huán)作用下，試件表面粘附力較小的細顆粒首先被剝蝕，試件表面出現(xiàn)缺陷，隨著沖刷作用次數(shù)的增多，表面缺陷進一步加深，與此同時，試件內(nèi)部含水率也急劇增大，由于黃土具有較強的水敏性，在水的入侵和沖刷的作用下，加劇了抗壓強度的劣化。

圖9 沖刷試驗前后水泥改良黃土的抗壓強度對比Fig.9 Comparison of compressive strength of CIL before and after erosion test

3 結(jié) 論

(1)與靜壓法相比，振動法成型水泥改良黃土可顯著提高試件的抗沖刷性能，其相對沖刷量至少可降低10%。

(2)水泥劑量的增加可提升水泥改良黃土的抗沖刷性能。水泥劑量提高1%，抗沖刷性能平均提高16%，但水泥劑量超過4%后，繼續(xù)增大水泥劑量對水泥改良黃土抗沖刷性能的提升貢獻較弱。因此，考慮水泥改良黃土抗沖刷性能，建議基床底層填料最低水泥劑量為4%。

(3)壓實系數(shù)的增加可提升水泥改良黃土的抗沖刷性能。壓實系數(shù)提高0.01，抗沖刷性能至少提高6.2%，實際工程中可通過適當增大壓實系數(shù)提高改良黃土的抗沖刷性能。

(4)沖刷作用次數(shù)對水泥改良黃土的沖刷質(zhì)量損失影響較為顯著，隨著沖刷作用次數(shù)增加，改良黃土累積沖刷量呈線性增長。

(5)沖刷作用使改良黃土的抗壓強度顯著下降，振動法成型試件劣化度平均值為79.5%，靜壓法成型試件劣化度平均值為73.7%，為避免基床強度驟降，實際工程中應做好防排水。