摘 要：不滿足作為鐵路路堤基床底層的填料經(jīng)改良后達(dá)到技術(shù)和規(guī)范要求，使填料的范圍得到了擴大。本文通過研究在黃土中摻入水泥進(jìn)行土質(zhì)改良，經(jīng)過大量室內(nèi)試驗，主要從物理力學(xué)特性方面對水泥改良土進(jìn)行了研究，得到了有價值的結(jié)論：在不同摻和比條件下，黃土經(jīng)水泥改良后物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)均能夠滿足路堤基床底層填料的要求，考慮到安全性和經(jīng)濟(jì)性等因素，認(rèn)為黃土摻入質(zhì)量比為6%的水泥為宜。另外對改良土工程性質(zhì)影響較大的還包括含水量，所以在工程實施過程中應(yīng)使改良填料的含水量盡可能維持在最優(yōu)含水量。

關(guān)鍵詞：鐵路路堤基床 水泥改良黃土 摻合比 最優(yōu)含水量

Abstract： By improving the bottom filler of the embankment foundation of the railway， we can meet the requirements in technology and specifications， and expanding the range of the filler that can be used. Through a large number of laboratory tests， the physical and mechanical properties of cement improved soil has been studied， and valuable conclusions has been gotten： The indicators of Physical and mechanical properties of cement improved soil under different blending ratio conditions ， were able to meet the requirements of the road embankment foundation bed filler . For security and economic， we consider a 5% mixed with cement loess is appropriate. Moisture content has great impact on the engineering properties of improved soil， so its better to achieve an optimum moisture content in project implementation.

Key words： Foundation bed of railway embankment， Cement modified loess， Blend ratio， Optimum moisture content

引 言

路基作為鐵路的最基礎(chǔ)部分，對鐵路運營質(zhì)量起著很重要作用，路基填料更是決定路基工程性質(zhì)的關(guān)鍵要素，其工程質(zhì)量與填料質(zhì)量息息相關(guān)。在我國多數(shù)地區(qū)，存在較大的地區(qū)差異性，修筑鐵路路基時如何選用適合的填料，來防止基床病害發(fā)生，并最大程度的降低成本，一直是鐵路路基設(shè)計施工中一個很重要的課題。

銀川至西安鐵路在陜西省境內(nèi)長約168km，所經(jīng)地區(qū)全覆蓋有濕陷性黃土，且覆蓋層厚度較大，沿線主要有涇河、渭河等河流，根據(jù)環(huán)水保要求，填料不能自河道中挖取，故符合規(guī)范要求的基床范圍內(nèi)填料嚴(yán)重匱乏，基床底層填料采用黃土直接填筑不滿足規(guī)范要求。通過對不滿足規(guī)范填料進(jìn)行改良[1]，使其達(dá)到所要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，不但節(jié)省了工程投資，同時也減少了棄土，保護(hù)了環(huán)境，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

本文通過對所選試驗土樣中摻入不同質(zhì)量比的水泥，研究黃土經(jīng)水泥改良后的壓縮特性、強度特性、水穩(wěn)定性、硬化機理等力學(xué)性質(zhì)以及配合比、齡期、密實度等對其強度特性的影響因素進(jìn)行分析，得出水泥改良土的最佳質(zhì)量配合比和最優(yōu)含水量，為即將修建的銀西鐵路路基基床填料提供重要依據(jù)，另對指導(dǎo)其它地區(qū)的鐵路設(shè)計與施工同樣具有重要意義。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，沿線分布有許多水泥廠，購買水泥比較方便，故本次試驗主要研究黃土中摻入水泥。

1 路基基床的結(jié)構(gòu)設(shè)計

銀西鐵路由中鐵第一勘察設(shè)計院設(shè)計。銀西鐵路為客運專線，設(shè)計時速為250km/h，預(yù)留350km/h的條件。

鐵路路基基床分為基床表層和基床底層。本線基床表層填筑級配碎石，厚度0.7m；基床底層填筑6%（質(zhì)量比，100kg干土，摻和7kg水泥）水泥改良土，厚度2.3m?；部偤穸?.0m。

本文以基床底層改良土填筑及質(zhì)量控制進(jìn)行闡述。

2 水泥改良黃土的作用機理[2]

本次改良采用普通硅酸鹽水泥，其主要含氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鐵、三氧化二鋁及三氧化硫。將水泥摻入黃土后，水泥顆粒表面的礦物很快與黃土中的水發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成Ca（OH）2和CSH等水化物，逐漸使土中水飽和形成膠體，水泥水化物中的一部分CaO、2SiO2.3H2O自身繼續(xù)硬化，形成早期水泥土的骨架；另一部分及其溶液與黃土顆粒發(fā)生反應(yīng)形成土團(tuán)粒后又進(jìn)而結(jié)合成粒結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步凝聚反應(yīng)形成水穩(wěn)性水化物。隨著水泥水化反應(yīng)的深入，Ca（OH）2的堿性作用和水泥水化作用又生成水化物，最終水泥與土顆粒相互連結(jié)形成難以彼此分辨的致密空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使水泥土具有足夠的強度和水穩(wěn)定性。

2試驗方案的設(shè)計和試驗過程

試驗用土樣取自禮泉縣取土場，其顆粒組成見表1，物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)：液限WL=29.7%，塑限WP=18.6%，塑性指數(shù)IP=11.3，比重2.68，定名為C類低液限粉質(zhì)粘土，不能直接作為鐵路路基基床填料，需進(jìn)行土質(zhì)改良后才能使用。

為研究黃土摻入水泥后土的工程特性，進(jìn)一步評價黃土摻入水泥后的改良效果及選擇最佳室內(nèi)水泥摻入比提供一定的依據(jù)，室內(nèi)試驗內(nèi)容主要包括擊實試驗，以確定最大干密度和最優(yōu)含水量，以及液塑限試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗。試驗方法嚴(yán)格按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》（TB10102-2004）進(jìn)行。

本次試驗通過摻入水泥對黃土進(jìn)行改良，重點為基床底層水泥改良土中的水泥摻入比為6%的試驗。水泥采用海螺牌PO42.5普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2。

2.1擊實試驗

土體密實度和含水量是影響路基填料壓實效果的重要因素，也是控制路基填筑質(zhì)量的重要條件，當(dāng)土體同時處于最大干密度及最優(yōu)含水率狀態(tài)下，其壓實效果最好。擊實試驗的理論依據(jù)是土的三相（顆粒、水、空氣）之間的體積變化理論，隨著空氣及含水量的變化土顆粒得到重新排列[3][4][5]。當(dāng)土體顆粒的排列達(dá)到最大干密度及相應(yīng)的含水量之后，擊實作用大部分被水分承擔(dān)，土顆粒上的有效應(yīng)力變小。此時，干密度隨含水量的增加而降低。

本次試驗采用輕型擊實法，分三層，每層擊數(shù)94下，單位體積擊實功2176.4kJ/m3。

擊實試驗得出的最大干密度為1.86g/cm3，最優(yōu)含水量為13.2%，此指標(biāo)對應(yīng)的壓實系數(shù)K=1.0。設(shè)計要求的壓實系數(shù)K≥0.95。

2.2壓縮試驗

壓縮性是路基填料的重要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，主要表現(xiàn)為路基填筑體的剛度。在上部荷載作用下，適當(dāng)?shù)穆坊鶆偠仁固钪馏w既不會產(chǎn)生過量的動態(tài)變形，也不會產(chǎn)生過大的瞬時變形。壓縮試驗主要測試黃土經(jīng)水泥改良后，在不同等級垂直壓力下的壓縮特性，判定其壓縮性是否滿足作為路基填料。通過壓縮實驗可獲得不同摻和比改良土的壓縮系數(shù)和壓縮模量，為工后沉降變形提供可靠依據(jù)。試樣的干容重采用最佳干容重的95%[6]，含水率為最優(yōu)含水率，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行試驗，制樣采用尺寸為φ39mm×h80mm的環(huán)刀，每種配比制4個樣。試樣加荷等級依次為50kPa，100kPa，200kPa，300kPa。儀器采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的WG-1A型三聯(lián)固結(jié)儀測定。

2.3靜三軸試驗

土的強度指標(biāo)是確定土的承載力的一個重要指標(biāo)，主要測試水泥改良黃土在不同等級垂直壓力作用下抗剪強度，檢驗其是否作滿足作為路基填料的要求。

試驗采用不固結(jié)不排水剪方法，儀器采用GDS雙向振動三軸儀上進(jìn)行。試樣尺寸為φ39mm×h20mm，每種配比制4個樣，在飽水狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)28d，加荷速率ε=0.05%/min，在加載過程中，軸向壓力、軸向變形等數(shù)據(jù)由電腦采集處理，最終得出不同配合比改良土的內(nèi)摩擦角和粘聚力。

2.4液塑限試驗

通過液塑限試驗測定黃土改良前后的液限、塑限、塑性指數(shù)的變化，研究不同配合比填料的工程性質(zhì)，進(jìn)而判斷改良黃土對實際工程是否可行。本試驗采用光電式液塑限聯(lián)合測定儀進(jìn)行測定，將試樣風(fēng)干后，過0.50mm的篩，取一定量（200g）的代表性土樣，摻入配合比分別為3%、5%、6%、7%的水泥，用純水將不同水泥配合比改良試樣調(diào)制成均勻膏狀，放入調(diào)土皿，浸潤一晝夜后進(jìn)行試驗。

2.5干濕循環(huán)無側(cè)限抗壓強度試驗

由于鐵路所經(jīng)地段氣候環(huán)境復(fù)雜多變，填筑土在旱季失水后收縮，在雨季吸水后膨脹，多次循環(huán)后導(dǎo)致填料土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，土體的強度也不同程度降低。因此，通過對不同配合比水泥改良黃土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗，測定水泥改良后黃土在干濕循環(huán)交替作用下抗壓強度是否滿足作為路基填料，評定其水穩(wěn)性能，同時為選擇最佳水泥配合比提供設(shè)計依據(jù)。

試驗要點：

（1）不同配合比水泥改良黃土摻合料按其最優(yōu)含水率制備，密度采用最大干密度的95%。

（2）嚴(yán)格控制試件飽和度。通過計算飽和度大于95%即認(rèn)為試樣達(dá)到飽和。

（3）嚴(yán)格控制試件風(fēng)干含水量為最優(yōu)含水量。

（4）加壓時應(yīng)使試件軸向受力，若試件傾斜將導(dǎo)致其內(nèi)部受力不均勻，測得的強度將有所降低。

試件采用全封閉，養(yǎng)生穩(wěn)定控制在20±2℃，濕度95%，養(yǎng)生28天。取出養(yǎng)生后試件，在25℃水中浸泡24小時，然后在60℃條件下烘6小時，經(jīng)過5次干濕循環(huán)后進(jìn)行飽水無側(cè)限抗壓強度試驗。

3 試驗結(jié)果分析

3.1擊實試驗

試驗結(jié)果按下列公式計算并繪圖：

（3）以干密度為縱坐標(biāo)，含水率為橫坐標(biāo)，繪制干密度與含水率關(guān)系曲線，曲線上峰值點的縱橫坐標(biāo)分別表示該擊實試樣的最大干密度和最優(yōu)含水量。詳見圖2。

根據(jù)以上擊實干密度與含水量的關(guān)系曲線，得出不同配合比水泥改良黃土的最大干密度及最優(yōu)含水量，見表3。

由表3可知，黃土經(jīng)水泥改良后的最優(yōu)含水量較改良前有所增大，在一定的水泥配合比范圍內(nèi)，最大干密度較改良前變化幅度不大。

圖3為最大干密度及最優(yōu)含水率與水泥配合比的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，不同配合比條件下，改良黃土填料的最優(yōu)含水率隨水泥配合比的增大呈減小趨勢，主要原因在于向黃土中加入水泥的細(xì)度較黃土要大，吸收的水分也相對較高；而最大干密度在較小配合比范圍內(nèi)隨水泥配合比不同其變化幅度不大。

3.2壓縮試驗

不同配合比水泥改良黃土壓縮試驗結(jié)果見表4。由表中數(shù)據(jù)可以明顯看出，改良后黃土壓縮系數(shù)α1.0～2.0均不大于0.05 MPa-1，較改良前（0.10 MPa-1）有很大程度減小，屬于低壓縮性土，滿足路基填料設(shè)計要求；壓縮模量比改良前（14.4 MPa）有很大程度提高，這說明黃土摻入水泥后壓縮性能大大提高，可有效的減小路基的沉降變形，利于線路的平順和列車的安全運行。

3.2.1壓縮系數(shù)、壓縮模量與水泥配合比的關(guān)系

為進(jìn)一步研究不同配合比水泥改良黃土壓縮性能改善情況和變化規(guī)律，繪制了改良黃土壓縮系數(shù)及壓縮模量與水泥配合比的關(guān)系曲線，見圖2。從圖中可以看出，隨水泥配合比增大，水泥改良黃土的壓縮系數(shù)逐漸減少，而壓縮模量逐漸增大。水泥配合比從3%～5%時，壓縮系數(shù)變化較大；水泥配合比從5%～7%時，壓縮系數(shù)基本無變化；水泥配合比從3%變化到7%時，壓縮模量均有不同程度的增大。因此，在滿足路基填料的要求下，水泥對此類黃土的壓縮性能改善存在一個最佳水泥配合比。

3.2.2 e—lgP關(guān)系曲線

本次試驗主要研究不同配合比水泥改良黃土壓縮特性及其變化規(guī)律，由于不同配合比水泥改良黃土初始孔隙比不同。因此，為更好的研究不同配合比水泥改良黃土孔隙比隨軸向應(yīng)力增大的變化規(guī)律，試驗對不同配合比改良黃土孔隙比e=ei /e0與軸向應(yīng)力做了歸一化處理，得到不同配合比水泥改良黃土壓縮（e—lgP）曲線，見圖3。從圖中可以看出，隨著軸向荷載變大，其孔隙比逐漸減小，水泥改良黃土明顯比素土的抗軸向變形能力好很多，不宜產(chǎn)生過大不均勻變形。

3.3靜三軸試驗

通過靜三軸試驗，可以獲得改良土的內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c。從表5可以看出，水泥土的φ角和粘聚力c都有很大程度的提高，隨著水泥摻量的增加而增大，粘聚力的增長速度大于摩擦角的增長速度。因此，向黃土中摻入一定配合比水泥對其粘聚力影響較大，摩擦角影響相對較小，主要依靠增大粘聚力來提高改良后黃土強度。

3.4液塑限試驗

水泥改良黃土液塑限試驗結(jié)果見表6，水泥改良黃土液限、塑限、塑性指數(shù)都較重塑土有明顯增大。主要原因在于向黃土中摻入一定量水泥后，形成一定的膠結(jié)物，其比表面積增大，吸收的水分也相應(yīng)的增加，這是液限、塑限、塑性指數(shù)增大的原因。黃土加入水泥后，改變了黃土原來粉質(zhì)、濕陷性特征，增強了其穩(wěn)定性，同時也大大提高了路基的承載力。

3.5 干濕循環(huán)無側(cè)限抗壓強度試驗

不同配合比水泥改良黃土經(jīng)過5次干濕循環(huán)無側(cè)限抗壓強度見表7。由表7可知，不同配合比水泥改良黃土養(yǎng)護(hù)后抗壓強度均大于500kPa，滿足路基設(shè)計要求。隨著水泥配合比的增大，改良黃土的無側(cè)限抗壓強度呈增大趨勢。

為研究干濕循環(huán)前后不同配合比改良黃土抗壓強度變化，本試驗主要以干濕循環(huán)前后改良黃土的強度比來比較直觀的衡量其水穩(wěn)性能。從表中可以看出，經(jīng)5次干濕循環(huán)后，不同配合比水泥改良黃土強度比均在0.8附近，即整體水穩(wěn)性能較好。

4 結(jié)論

經(jīng)上述試驗和分析，可以得到如下結(jié)論和建議：

（1）含水量對水泥改良黃土的工程性質(zhì)影響較大，因此在施工中要煙盒控制填料的含水量使其達(dá)到最優(yōu)含水量；另外也要注意防止基床雨水下滲和路基坡面的防護(hù)。

（2）黃土經(jīng)水泥改良后壓縮系數(shù)減小，壓縮模量提高，提高了黃土的壓縮性能，起到了減小路基的沉降變形目的。

（3）黃土經(jīng)水泥改良后，液限、塑限、塑性指數(shù)都有明顯增大，增強了其穩(wěn)定性，提高了路基的承載力。

（4）通過改良黃土的耐久性試驗可知，經(jīng)過5次干濕循環(huán)，不同配合比水泥改良黃土試件抗壓強度損失率均小于25%，水穩(wěn)性能較好。

（5）試驗證明，此類黃土采用水泥進(jìn)行改良是可行的，滿足作為路基填料的要求。

本試驗證明黃土采用水泥改良是可行的，在滿足高速鐵路路基填料的要求條件下，同時從經(jīng)濟(jì)性因素考慮，確定室內(nèi)水泥改良黃土最佳摻入比為5%；由于室內(nèi)試驗條件和工地現(xiàn)場條件存在一定差別，故現(xiàn)場施工配合比應(yīng)比試驗配合比提高0.5～1%，最終確定施工時水泥改良黃土施工配合比為6%，即路基基床底層填料采用黃土摻入6%水泥改良。

本文僅對靜力條件下水泥改良黃土的工程特性進(jìn)行了研究，對改良土的動力特性研究還有待深入，特別是臨界動應(yīng)力試驗的研究。

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作者簡介：劉倍利（1982— ），男，工程師，碩士研究生，2007年畢業(yè)于長安大學(xué)公路學(xué)院巖土工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事鐵路工程建設(shè)管理工作。通訊地址：西安市新城區(qū)建工路9號，郵編：710043。