全風化千枚巖復合改良土試驗研究及路基沉降數(shù)值分析

趙秀紹 ，饒江龍 ，陳子溪 ，王梓堯 ，趙林浩 ，程安 ，付智濤

(1. 華東交通大學 江西省地下空間技術開發(fā)工程研究中心，江西 南昌 330013；2. 華東交通大學 軌道交通基礎設施性能監(jiān)測與保障國家重點實驗室，江西 南昌 330013)

隨著高鐵建設的高速發(fā)展，鐵路路基填料的需求越來越大，外部運輸材料的成本極高，就地取材往往具有較好的經(jīng)濟效益。紅黏土作為一種典型的特殊土，在中國分布廣泛，且在江西省低山、丘陵地區(qū)分布十分普遍，總體呈厚層狀分布，具有高天然含水率、高液限、高孔隙比、高強度，同時，壓縮性低、滲透性低、膨脹性低，即“四高三低”的特點[1-2]。千枚巖土常表現(xiàn)為強度低，黏聚力低，易粉化等特性，無法作為路基填料直接使用[3-5]。因此，加入水泥復合改良紅黏土-千枚巖土混合土對2 種特殊土的充分利用具有重要意義。路基的強度與施工后的沉降變形問題一直是研究的熱點，趙秀紹等[6]將千枚巖土與紅黏土混合后進行相互改良，液限可降低至40%以下，可以滿足路基設計規(guī)范對液限的控制要求；李忠泉[7]利用水泥對風化千枚巖進行改良，提高千枚巖的力學強度與水穩(wěn)定性；魏佩順[8]采用水泥改良千枚巖，路用性能得到提高；毛雪松等[9]研究千枚巖填筑路基在長期應力作用下產(chǎn)生的蠕變變形特性；盧世杰等[10]采用水泥改良中風化、強風化千枚巖，結果表明改良土可適用于路基各結構層。JOEL等[11]對尼日利亞紅黏土摻加了由不同比例的干砂和石灰組成的混合改良劑，增強了紅黏土作為柔性路面材料的水穩(wěn)性；OMOTOSHO 等[12]對尼日爾三角洲紅黏土進行了砂與水泥混合改良試驗，發(fā)現(xiàn)存在最佳摻砂比(OSC)并建立了一個模型對2 種改良劑不同含量配比對改良效果的影響進行預測；胡永強等[13]利用動三軸試驗發(fā)現(xiàn)密實度對紅黏土路基強度的影響遠大于路基紅黏土含水量的影響；談云志等[14-15]發(fā)現(xiàn)紅黏土具有很好的水敏性和持水性，是預防路基土體開裂和失穩(wěn)的基礎。YUAN等[16]使用濕壓試驗方法控制含水量，保證路基的強度和穩(wěn)定性；YANG 等[17]修正滬廣高速鐵路紅黏土區(qū)域路基沉降量，提高計算精度；李健[18]建立改良千枚巖填料路基長期沉降計算模型，發(fā)現(xiàn)能有效減小車輛荷載的影響深度，減小路基沉降。綜上所述，雖然國內(nèi)外固化劑單獨改良千枚巖土與紅黏土作為路基填料的研究較多，但同時利用2種特殊土作為路基填料的研究還較少。ZHAO 等[19]研究表明千枚巖土、紅黏土組成的混合土從承載力分析，可以滿足路基要求，但是否滿足高速鐵路沉降要求仍缺乏系統(tǒng)依據(jù)，目前關于千枚巖土、紅黏土和水泥復合改良土的路基工后沉降量還未見報導。因此，通過開展千枚巖土摻入不同比例紅黏土與水泥形成復合改良土，并研究改良土的性能是否滿足基床以及路堤填料要求，對2種特殊土的充分利用具有重要意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料來源及性質

試驗所用的紅黏土以及千枚巖土均選取自江西省南昌市友安路棄土場，紅黏土呈紅褐色，在最優(yōu)含水率壓實情況下具有強度高，但其壓實路基具有容易失水開裂，且浸水后強度迅速降低的特點。千枚巖土呈暗黃色，強度和硬度極低，在碾壓作用下塊狀的千枚巖土迅速破碎成粉狀，因此按其性質，可稱為千枚巖土。通過室內(nèi)土工試驗得到其基本物理性質如表1所示。試驗采用的水泥為南方牌普通硅酸鹽水泥，標號為PO 42.5，灰色且不含有水分，符合我國現(xiàn)行《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)規(guī)定。

表1 試驗材料的基本物理性質參數(shù)Table 1 Basic physical property parameters of test materials

1.2 材料配比方案設計

設紅黏土干質量為m1，全風化千枚巖土干質量為m2，摻入水泥質量為m3，紅黏土摻和比λ定義如式(1)，水泥摻量ζ定義如式(2)所示，即：

共設置5 種紅黏土摻和比λ(λ1=0，λ2=20%，λ3=40%，λ4=60%，λ5=100%)以及3 種水泥摻和比ζ(ζ1=0，ζ2=3%，ζ3=5%)。其中，λ1=0 和λ5=100%分別代表純千枚巖土和純紅黏土，ζ1=0 代表未摻入水泥。為了后面描述方便，定義沒有水泥摻入時的紅黏土和千枚巖土為混合土，定義水泥、紅黏土聯(lián)合改良千枚巖土為復合改良土。

1.3 試驗方案

為了給鐵路路基工后沉降計算提供依據(jù)，采用MIDAS GTS/NX 軟件對路基進行有限元分析。數(shù)值分析需要壓縮模量Es和抗剪強度指標黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ這3 項關鍵參數(shù)。為獲得以上關鍵參數(shù)，設計了固結試驗與直剪試驗方案。

1.3.1 固結試驗方案

根據(jù)重型擊實試驗得知：紅黏土摻和比與水泥摻量組合分別為0+0，40%+0，60%+0，40%+ 3%，40%+5%和60%+5%對應的最大干密度分別為1.62，1.68，1.72，1.65，1.63 和1.67 g/cm3，最優(yōu)含水率變化范圍為17.80%～18.92%。為了便于統(tǒng)一對比，最大干密度統(tǒng)一取最大干密度平均值1.66 g/cm3，最優(yōu)含水率取18%。

固結試驗試驗制樣采用壓實系數(shù)K=95%(干密度為1.58 g/cm3)，含水率w=18%，試樣直徑為6.18 cm，試樣高度為2.0 cm。采用擊樣法制備環(huán)刀樣后，不同組合改良土放入標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護0，7 和28 d 后，根據(jù)《土工試驗方法標準》(GBT 50123-2019)[20]進行快速固結試驗。固結儀采用NT.YJZ-1型單杠桿固結儀，如圖1所示，試驗共進行了5 種紅黏土摻和比、3 種水泥摻量、3 種養(yǎng)護齡期的試驗，共進行了45組固結試驗。

圖1 固結儀Fig. 1 Consolidation instrument

1.3.2 直剪試驗方案

剪切試驗采用ZJ 型應變控制式四聯(lián)直剪儀(圖2)，試驗所施加的法向應力分別為50，100，150和200 kPa，采用快剪試驗(剪切速率為0.8 mm/min)，并且嚴格按照規(guī)范[20]中的快剪試驗操作要求進行試驗，試樣制樣組合方案與固結試驗相同。

圖2 ZJ型應變控制式四聯(lián)直剪儀Fig. 2 ZJ strain-controlled quadruple direct shearing instrument

2 試驗結果分析

2.1 壓縮模量Es的變化規(guī)律

壓縮模量Es是有側限條件下應力與應變之比，它是評定土的壓縮性指標和MIDAS 有限元軟件計算路基沉降的重要參數(shù)，工程上常用p1=100 kPa和p2=200 kPa壓力段來確定土的壓縮模量，按式(3)進行計算。

式中：Es為壓力100～200 kPa 下的壓縮模量，MPa；a1-2是壓力100～200 kPa 的壓縮系數(shù)；e0是試樣制樣時的孔隙比；e1和e2分別是壓力p1和p2下的孔隙比。

2.1.1 壓縮模量Es隨紅黏土摻和比λ的變化規(guī)律

紅黏土摻和比λ對改良土Es有顯著影響，Es隨λ的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 Es與λ的關系曲線Fig. 3 Plot of Es versus λ

由圖3 可知，當水泥摻量ζ和養(yǎng)護時間t一定時，復合改良土的Es隨λ的增大近似線性增大，其線性擬合方程可用式(4)表示，紅黏土摻和比采用小數(shù)表示，即20%應代入0.2 進行計算。相關系數(shù)均大于0.9，可認為顯著相關。

圖3 和式(4)表明，當紅黏土摻量每增加20%時，Es約增加9.85%。這是因為：千枚巖土顆粒呈板狀、片狀，在成樣時易形成架空結構，由于千枚巖硬度極小，當浸水并受壓后容易發(fā)生塌陷，所以千枚巖土的Es較低。電鏡掃描試驗表明，壓實的千枚巖土試樣顆粒范圍為10～50 μm，紅黏土粒徑為1～5 μm，兩者能形成較好的級配，紅黏土顆粒可以有效的嵌入千枚巖土顆粒之間，形成密實結構(圖4)，從而提高了土的壓縮模量。

圖4 紅黏土摻和比40%SEM圖Fig. 4 SEM image of 40% red clay mixing ratio

2.1.2 壓縮模量Es隨水泥摻量ζ的變化規(guī)律

紅黏土改良千枚巖土再加入水泥后，水泥發(fā)生水解反應并與混合土中的礦物發(fā)生反應，生成硬凝性物質，從而降低了土的壓縮性。土的Es隨ζ的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 Es隨ζ的變化(t =28 d)Fig. 5 Variation of Es with ζ (t = 28 d)

根據(jù)圖5 分析可得，當ζ從0 增至3%時，Es快速增長；當ζ從3%增至5%時，Es增長幅度較小。以λ=40% 為 例，ζ從0 增 至3% 時，Es增 長 了11.23 MPa，而ζ從3%增至5%時僅增長了0.44 MPa，相對水泥摻量為0 時分別增長了116.6%和4.6%。以上對比表明，水泥摻量3%是經(jīng)濟摻量。在養(yǎng)護的過程中，水泥中的各種化合物充分完成反應，生成的膠狀物可填充土顆粒的孔隙[21]，紅黏土顆?？膳c水化產(chǎn)物通過物理吸附，促進顆粒之間的團粒膠結作用，而且紅黏土中含有的SiO2和Fe2O3等物質可進一步反應生成硬凝性的硅鋁酸鈣，使土骨架更為穩(wěn)定，壓縮模量提高。

2.1.3 壓縮模量Es隨養(yǎng)護時間t的變化規(guī)律

從圖6 可以看出，Es隨著t的增長而增長，增長速度呈先快后慢的規(guī)律。以λ=60%，ζ=3%組合改良方案為例，t=0，7 和28 d 時，Es分別為13.86，18.29 和23.34 MPa；養(yǎng)護7 dEs的增幅是養(yǎng)護28 dEs增幅的46.7%。

圖6 Es隨t的變化Fig. 6 Variation of Es with t

2.2 黏聚力c 隨紅黏土摻和比λ 與水泥摻量ζ2 種變量的變化規(guī)律

直剪試驗結果表明，千枚巖土的c非常低，僅為12.34 kPa，紅黏土和水泥均可以提高千枚巖土的c，其隨λ和ζ的變化分別如圖7和圖8所示。

當ζ和t一定時，復合改良土的c隨著λ和ζ的增大而增大，且λ從20%增加至60%強度增長幅度較大。通過圖7 和圖8 對比表明，紅黏土提高改良土黏聚力的幅度大于水泥提高的幅度。純千枚巖土的c為12.34 kPa，紅黏土摻和比為40%與60%時，黏聚力分別為35.11 kPa 和48.71 kPa，相對純千枚巖土提高了184.5%和294.7%；千枚巖土摻入3%和5%水泥時分別為18.42 kPa和20.15 kPa(養(yǎng)護28 d)，相對純千枚巖土提高了49.3%和63.3%。值得注意的是，水泥改良養(yǎng)護到28 d 才能達到此效果，而紅黏土改良碾壓完成就可達到以上所述黏聚力，因此紅黏土對黏聚力的提高遠優(yōu)于水泥的改良效果。

圖7 c隨λ的變化Fig. 7 Variation of c with λ

圖8 c隨ζ的變化(t=28 d)Fig. 8 Variation of c with ζ (t=28 d)

以上結果表明，土樣經(jīng)過紅黏土和水泥復合改良之后，起主要作用的是紅黏土，水泥雖然也具有改良作用，但是作用相對于紅黏土而言較小，繼續(xù)增大水泥摻量對土樣的黏聚力改良效果不大。土體中的膠結物含量多少與種類[22]，將影響土的黏聚力大小。摻入水泥和紅黏土對千枚巖土進行復合改良時，圖4中所示的紅黏土級配與充填作用及紅黏土產(chǎn)生的鐵質膠結是黏聚力增加的關鍵因素；水泥中含有的Ca2+會與黏性土發(fā)生離子交換作用可使土顆粒表面的水膜變薄，從而提高復合改良土的黏聚力。

2.3 內(nèi)摩擦角φ 隨紅黏土摻和比λ 與水泥摻量ζ2種變量的變化規(guī)律

由圖9 和圖10 可知，土樣的φ整體上隨著λ的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，φ隨ζ的增大而增大。φ在λ=20%～40%時增長最為顯著，λ從40%增長至60%時增長幅度較小，因此紅黏土最優(yōu)摻和比為40%。當λ≤20%時，φ隨著水泥摻量的增長近似線性增長；當λ為40%，60%和100%時，φ隨水泥摻量增長先增長后趨于穩(wěn)定，以λ=40%為例，ζ=3%(φ=37.02°)相對于ζ=0(φ=33.68°)增長了9.9%，而ζ=5%(φ=37.42°)相對于ζ=3%(φ=37.02°)，僅增長了1.1%，故水泥摻量超過3%后對提高φ貢獻較小。

圖9 φ隨λ的變化Fig. 9 Variation of φ with λ

圖10 φ隨ζ的變化(t= 28 d)Fig. 10 Variation of φ with ζ (t= 28 d)

對比圖9 和圖10，紅黏土對提高千枚巖土的φ的效果優(yōu)于水泥。純千枚巖土的φ最小，為22.15°，λ=40%時φ=33.68°，相對純千枚巖土提高了52.1%；水泥摻量3%和5%時分別為26.24°和27.05°，相對純千枚巖土分別提高了18.5% 和22.1%。

綜合分析復合改良土的黏聚力和內(nèi)摩擦角，紅黏土摻和比40%的效果優(yōu)于5%的水泥改良效果。如果同時采用紅黏土和水泥復合改良，能得到更好的改良效果。

呈現(xiàn)上述變化規(guī)律主要是因為摻入紅黏土之后，不僅可以通過紅黏土含有的鐵質膠結提高內(nèi)摩擦角，更可以改良土的級配，進一步增大其內(nèi)摩擦角。摻入水泥后，水泥中的硅酸鹽化合物雖然也可以形成水化結合物[23]，水化產(chǎn)物填充在千枚巖土的孔隙中，使土樣大孔隙變小，從而提高內(nèi)摩擦角。根據(jù)圖4的微觀結構研究，壓實土千枚巖土顆粒粒徑范圍為10～50 μm，壓實后，顆粒接觸以點-點和點-面接觸為主，顆粒之間存在較大孔隙，形成架空結構，所以抗剪強度較低。紅黏土粒徑一般為1～5 μm，可以改變千枚巖土的粒徑級配，壓實后有效充填純千枚巖形成的空隙，因此加入紅黏土后強度可大幅提高。但當紅黏土摻和比大于60%后，紅黏土量已經(jīng)超過了千枚巖土的量，這種級配充填作用對壓實作用提高受到了限制，并且紅黏土遇水軟化，因此內(nèi)摩擦角開始降低。綜上所述，紅黏土摻和比建議為40%～60%。

3 復合改良土不同組合下沉降量數(shù)值分析

由于千枚巖土復合改良有較多的組合方案，采用填筑試驗段來測得路基的沉降費時費力且不易執(zhí)行。為了計算路基的工后沉降，采用有限元分析法可以節(jié)約大量的工作。有限元分析采用MIDAS GTS/NX 軟件，建立復合改良土路基模型，如圖11所示。

圖11 路基整體模型Fig. 11 Overall model drawing of the roadbed

3.1 數(shù)值模型與參數(shù)確定

根據(jù)《高速鐵路設計規(guī)范》(TB 10621—2014)中路基標準橫斷面，由上往下依次為基床表層、基床底層以及基床以下路基，模型頂寬13.8 m，邊坡斜率1:1.5，道床寬2.5 m，路基頂面坡率為0，基床底層頂?shù)酌嫱翆悠露?%，路堤底部寬度28.8 m，路基總高度為5 m，上部施加兩段式均布荷載，荷載寬度為2.5 m，根據(jù)換算行車荷載為60.2 kPa，此處取整為60 kPa，模型整體長度為10 m，模型尺寸如圖11(a)所示。

土體采用摩爾-庫倫本構模型，模型的材料參數(shù)主要有Es，c，φ和泊松比μ，Es，c和φ采用固結試驗與直剪試驗數(shù)據(jù)，為了方便沉降分析，各層采用相同的改良土填料；μ根據(jù)前人的研究文獻一般取0.3。單元劃分采用混合多邊形網(wǎng)格劃分，在上部荷載作用處對網(wǎng)格劃分進行了加密，網(wǎng)格劃分如圖11(b)所示。邊界條件為約束底部所有自由度，設置自重應力及在上部施加分段均布荷載，分析流程如圖11(c)所示，提取路基荷載中點處豎向變形量作為路基的工后沉降量。

3.2 數(shù)值模擬結果分析

3.2.1 沉降量隨紅黏土摻和比λ的變化規(guī)律

根據(jù)圖12可得，路基沉降量隨著λ的增加而降低，其中純千枚巖土的沉降量最大，為36.7 mm，純紅黏土摻合5%水泥，且養(yǎng)護28 d 的沉降量最小，為11.6 mm，根據(jù)《高速鐵路設計規(guī)范》(TB 10621—2014)[24]工后沉降小于15 mm 才能用作于無砟軌道路基，故不摻合水泥的情況下均不符合條件。

由圖12 可知摻入水泥后，沉降量顯著降低，且伴隨著養(yǎng)護時間t的增加，沉降量逐漸降低，沉降量與紅黏土摻合比λ的相關關系可以用式(5)來表示；λ采用小數(shù)表示，即20%應代入0.2 進行計算。相關系數(shù)均大于0.9，可認為顯著相關。根據(jù)二次曲線的規(guī)律，ζ=3%，t=28 d 且λ≥40%的沉降量滿足規(guī)范，ZHAO 等 發(fā)現(xiàn)這種改良方案路基面承載力也可以滿足路基連續(xù)施工要求，故采用λ=40%～60%，ζ= 3%的復合改良土。

圖12 不同紅黏土摻和比下路基沉降量Fig. 12 Subgrade settlement under different red clay mixing ratios

3.2.2 沉降量隨水泥摻量ζ的變化規(guī)律

從圖13 可以看出，復合改良土的路基沉降量隨著ζ的增加而減小，摻和3%水泥的復合改良土，對路基沉降量的抑制作用較為顯著，在水泥摻量3%～5%范圍內(nèi)降低幅度較小。當λ=60%時，水泥摻量從0～3%路基沉降量相對水泥摻量為0時降低了108.2%，水泥摻量從3%增至5%路基沉降降幅相對水泥摻量為0 時降低了4.8%，因此水泥的經(jīng)濟摻量為3%。

圖13 不同水泥摻量下路基沉降量Fig. 13 Subgrade settlement under different cement content

3.2.3 沉降量隨養(yǎng)護時間t的變化規(guī)律

分析圖14 可得，無論摻和3%水泥還是5%水泥，養(yǎng)護齡期7 d 對復合改良土的路基沉降量降低效果最為顯著，當養(yǎng)護齡期大于7 d 時，沉降量降低較少。這是因為水泥中硅酸二鈣等成分反應較慢，需要時間完成水化反應，生成的硬凝物質把土顆粒膠結起來，形成更為緊密的結構，阻止土顆粒間的相對位移。

圖14 不同養(yǎng)護時間下路基沉降量Fig. 14 Subgrade settlement under different curing time

4 基于沉降分析的最優(yōu)摻合方案探討

通過固結試驗和直剪試驗對比可得，水泥對提高千枚巖土的Es效果優(yōu)于紅黏土，而紅黏土提高千枚巖土的抗剪強度指標c和φ的效果優(yōu)于水泥，且紅黏土提高強度不需要對路基進行養(yǎng)護。采用兩者共同對千枚巖土進行復合改良，能達到同時顯著提高Es和抗剪強度的雙重目的。

基于試驗數(shù)據(jù)的路基數(shù)值分析表明，對于5 m高的路基，壓實系數(shù)為95%的千枚巖土的沉降量為36.7 mm，不能滿足《高速鐵路設計規(guī)范》(TB 10621—2014)的要求，這也是千枚巖土不宜用作路基填料的原因之一。根據(jù)路基控制要求，千枚巖土摻入5%水泥(沉降量為16.2 mm)也不能達到沉降控制要求，因此有必要采用復合改良方案。對比表明水泥摻量3%對降低路基沉降效果顯著，再增加水泥摻量對降低沉降效果甚微，因此水泥優(yōu)化摻量為3%。根據(jù)圖12，當水泥摻量3%時，紅黏土摻和比大于40%時，沉降量可以控制在15 mm以內(nèi)。

鐵路路基是分層填筑的，每層壓實路基往往作為運輸填料的臨時通道，而千枚巖土路基承載力低于運輸填料汽車對承載力的要求，造成壓實路基面損壞。采用水泥直接改良千枚巖土時，需要較長的養(yǎng)護時間才能達到較高的強度，不利于路基的連續(xù)施工。趙秀紹等[26]研究表明，當紅黏土摻和比大于40%時(ζ=0%)即可滿足承載力的要求，且根據(jù)圖12 可知，ζ=3%，λ=40%路基沉降量為15.0 mm。

綜上所述，紅黏土在提高路基面的即時承載力起關鍵作用，水泥在降低路基沉降起關鍵作用，為了路基面的連續(xù)施工與控制工后沉降，復合改良方案可同時滿足要求。結合各因素考慮，建議紅黏土摻和比為40%～60%，水泥摻量為3%。此時，Es=18.60～20.59 MPa，c=49.37～62.15 kPa，φ=37.02°～38.65°，工后沉降為15.0～13.4 mm。

5 結論

1) 當水泥摻量ζ一定時，復合改良土的壓縮模量Es隨紅黏土摻和比λ的增大近似線性增大。摻入40%的紅黏土使純千枚巖土Es提高了12.9%，而摻入3%的水泥后提高了96.1%；對于摻入3%水泥和40%紅黏土對純千枚巖土進行復合改良時，Es提高了136.5%。因此，復合改良對于土樣壓縮模量的改良效果優(yōu)于水泥或紅黏土直接改良，并且水泥的改良效果優(yōu)于紅黏土。

2) 通過直剪試驗，發(fā)現(xiàn)復合改良土c隨著λ和ζ的增大而增大；φ整體上隨著λ的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，隨著ζ的增大而增大，且c和φ在ζ＞3%時增長幅度較小。通過對比表明，紅黏土提高千枚巖土強度效果優(yōu)于水泥，對路基連續(xù)施工非常有利。

3) 通過MIDAS GTS/NX 有限元分析軟件可得路基沉降量整體上隨λ，ζ和t的增大而降低，且沉降量的降低幅度逐漸減小。表明在ζ≥3%，λ≥40%的情況下，滿足高速鐵路路基工后沉降規(guī)范要求。

4) 根據(jù)試驗與數(shù)值分析的結果，水泥和紅黏土復合改良千枚巖土可用于高速鐵路路基的填筑，優(yōu)化填筑方案為水泥摻量3%，紅黏土摻和比為40%～60%， 此 時 的Es=18.60～20.59 MPa，c=49.37～62.15 kPa，φ=37.02°～38.65°，工后沉降為15.0～13.4 mm。