大何铁路路基水泥改良粉细砂填料的试验研究

唐玉龙

(中铁一院集团兰州铁道设计院有限公司,兰州 730000)

1 概述

新建大塔——何家塔铁路(以下简称大何线),地处内蒙古自治区鄂尔多斯高原和库布其沙漠东部过渡地带,线路全长140 km,按《铁路路基设计规范》(TB10001—2005)[1]的国铁Ⅰ级、重型轨道并考虑电气化的相关规定进行设计,填料标准要求较高,基床强度及工后沉降控制较严。

该条线路自新包神铁路大塔站疏解引出后沿库布其沙漠边缘的低山丘陵区向北行进。根据沿线勘察情况,地表多分布厚度不等的第四系全新统风积粉细砂,能符合填料要求的A、B组填料稀缺,如果完全依靠外运合格填料,既不经济,也不现实。而粉细砂由于其组成、结构和物理状态的特殊性,若直接作为路基填料,则路基整体稳定性差,承载能力低。在一定条件下极易产生液化及出现水流冲蚀等病害,不能满足铁路基床填料设计要求。因此,在大何线设计中,提出对粉细砂填料进行水泥改良,从而使其达到规范要求的填料标准。

影响水泥改良粉细砂填料强度的因素主要有水泥掺量、压实度、养护龄期等。大何线对现场粉细砂进行了不同水泥配比、不同压实度和不同养护龄期下强度和稳定性的室内试验研究,得出了一些有益结论,解决了该线粉细砂进行水泥改良的一大难题,并为工程地质类似地区铁路路基填料的选择提供了科学的指导和重要的参考。

2 粉细砂特性

风积粉细砂天然容重较小,天然状态下无黏性、无塑性,为磨圆度较好的单粒结构。土体呈松散状态,粉黏粒(<0.05 mm)含量很少,颗粒组成多集中在0.25～0.074 mm,分选性一般,颗粒组成较单一、级配不良。由于粉黏粒的含量很少,风积粉细砂的矿物成分以长石、石英为主,SiO2的含量占55%～68%，因此风积粉细砂的表面活性很低。另一方面,风积粉细砂的渗透性能较好,渗透系数在10-3级,毛细水上升高度小于1 m。图1为大何线粉细砂土样的颗粒分析试验结果。

图1 大何线粉细砂土样的颗粒分析试验结果

大何线沿线地表厚度不等的第四系全新统风积粉细砂颗粒分析结果显示,粒径0.5～0.25 mm的颗粒质量占土样质量的17%,粒径0.25～0.075 mm的颗粒质量占土样质量的83%,故大于0.075 mm的土颗粒含量占土样的总质量超过了85%(图1),得出不均匀系数为2.11,土体为均匀的土体,曲率系数为0.79,土体粒径大小比较集中,根据我国《铁路路基设计规范》(TB10001—2005)[1]中的规定,为级配不良填料[2]。

风积粉细砂只有非常低的黏聚力,内摩擦角26°～35°,几乎没有黏聚性。压实成形后抗剪强度很低,整体稳定性较差。在地震、机器振动、列车行驶、打桩以及爆破等动力荷载(振动)作用下,粉细砂(特别是饱和粉细砂)表现出类似液体性状而完全失去承载能力的现象称为粉细砂的液化[4],形成喷砂冒水、震陷、滑塌、地基失稳等灾害。其中又以地震引起的大面积甚至深层的粉细砂液化的危害性最大。因此,近年来粉细砂的振动液化引起了国内外工程界的普遍重视,成为工程设计中考虑的重要因素之一。

3 水泥改良粉细砂填料的特性

大何线选用水泥对粉细砂填料进行改良,改良土的硬化和强度形成过程即为水泥的水化、碳酸化、凝结和硬化过程[3]。

(1)水化反应

大何线沿线广泛分布的粉细砂中主要含有SiO2,Al2O3,Fe2O3和少量钙、镁、钠、钾等氧化物,加入改良剂水泥以后,由于离子交换、吸附作用等一系列反应,使得大量的砂粒聚集成砂团,并形成水泥与粉细砂的链条状结构,砂粒之间的空隙也被迅速封闭,水泥粉细砂形成坚固的联结。在水泥与粉细砂的水化反应中,离子交换作用反应过程较快,是水泥改良粉细砂填料早期强度形成的主要原因。

(2)碳酸化反应

碳酸化反应的实质是水泥水化物中的Ca(OH)2不断吸收空气中的CO2和水中的H2CO3而生成碳酸钙的过程。碳酸化反应中,由于砂粒固结起到了粗粒化作用,从而提高了改良填料的整体强度。

(3)硬凝反应

在水化反应的过程中,水泥溶液析出大量的Ca2+与粉细砂矿物中的SiO2和Al2O3进行化学反应,生成不溶于水的稳定结晶矿物,增大了水泥改良粉细砂的强度。

改良填料拌和后水泥分散于砂料颗粒的表面,由于粉细砂的单个颗粒的尺寸大于水泥颗粒,因此,水泥有可能全部或部分包裹单个砂颗粒,当水泥凝结硬化时,这些颗粒将胶结在一起,使粉细砂颗粒胶结成整体,硬化后具有较高且稳定的强度。同时水泥与粉细砂中所含的活性硅、铝发生反应,生成的含水硅铝酸盐结晶对砂颗粒亦有一定的胶结作用。

4 影响水泥改良粉细砂强度的主要因素

根据以上分析可知,利用水泥对粉细砂填料进行改良后,在不同阶段相继发生水化、凝结和硬化反应,强度逐渐提高。根据水泥改良粉细砂强度的增长机理可知,影响其填料强度的主要因素有水泥掺入量、压实度、养护龄期等。

大何线粉细砂改良中,室内试验选取了无侧限抗压强度和剪切强度试验来评价改良土的力学特性。无侧限抗压强度试验中,水泥改良粉细砂填料试样采用圆柱体,测试在无侧向压力的条件下,抵抗轴向压力的极限强度。把通过前期试验选定的不同掺和比的改良粉细砂制成的圆柱状试样(每组2个),在三轴仪上加荷试验,测得水泥改良粉细砂的无侧限抗压强度。试验仪器为英制大型GDS三轴实验机。试样尺寸H×Φ=12.5×6.18 cm2。试验加荷速率为0.5 mm/min。试验中试样破坏判定,若出现破裂面,则以产生破裂面作为破坏标准,如不出现破裂面,则以试样轴向应变达15%作为破坏标准[8]。

剪切强度试验中,将不同掺和比的拌和料制成直径为3.8 cm,高7.8 cm圆柱状的试样(每组3个),采用不固结不排水剪,施加的围压分别为50、100、200 kPa进行试验,最后根据试样的应力应变关系曲线得到抗剪强度指标[8]。

4.1 水泥掺入量对水泥改良粉细砂强度的影响

根据击实试验结果分析,选取水泥掺量为5%、6%、7%的改良粉细砂进行28 d龄期的无侧限抗压强度和剪切强度试验。

图2为不同水泥掺量的粉细砂改良填料无侧限抗压强度平均值的柱形图。由图2可以看出,水泥改良粉细砂的无侧限抗压强度由5%水泥掺量时的0.87 MPa增至7%水泥掺量时的1.32 MPa,随水泥掺量的增大而增大,基本呈线性变化(线性拟合相关系数为R2=0.9993)。

图2 不同水泥掺量粉细砂改良填料无侧限抗压强度

图3为不同水泥掺量的粉细砂改良填料28 d龄期的黏聚力及内摩擦角柱形图。由图3可以看出,水泥掺量变大时,改良填料的内摩擦角和黏聚力也随之变大。水泥掺量由5%增至7%,其内摩擦角由44.9°增至55.4°,黏聚力相对由167.8 kPa增至180.7 kPa。

图3 不同水泥掺量粉细砂改良填料剪切强度

理论上,在粉细砂填料的矿物成分及物理力学性质相同的情况下,水泥掺入量不同时水泥改良粉细砂的强度也是不同的[5]。但因施工条件有所差异,水泥改良粉细砂强度的增加值与水泥掺入量百分比不完全一致,但总体上呈上升趋势。

从试验结果来看,水泥的掺入量对水泥改良粉细砂早期强度的影响小于对后期强度的影响。粉细砂经水泥改良后强度比天然填料提高很多。随着水泥掺入量的提高,水泥改良粉细砂的强度也提高,但是水泥掺入量过高会提高改良成本,强度方面也会向脆性材料发展,因此,工程中水泥改良剂的配比一般控制在一定范围内。将不同龄期水泥改良粉细砂填料强度与水泥掺入比关系进行回归分析后得出,fcu,k=A(aw)B。其中,fcu,k为水泥改良粉细砂k天龄期的立方体抗压强度；aw为水泥质量掺入比；A,B均为经验系数[6]。

4.2 压实度对水泥改良粉细砂强度的影响

粉细砂与水泥进行拌和后,水泥与粉细砂骨料之间的胶结程度受改良填料压实度的直接影响。图4为水泥改良粉细砂在压实度分别为0.91、0.93、0.95时的无侧限抗压强度柱形图。

图4 不同压实度的水泥改良粉细砂无侧限抗压强度

由图4可以看出,压实度为0.91时的无侧限抗压强度值明显小于压实度为0.93和0.95时的值,差值分别为0.09 MPa和0.10 MPa。而压实度为0.93和0.95时的无侧限抗压强度无多大变化,差值仅为0.01 MPa。

总体看来,水泥改良粉细砂的无侧限抗压强度随压实度逐渐变化的特性不太明显,主要原因为当压实度达到一定程度后,改良粉细砂的压实度变化不再显著,所引起的强度变化亦不明显。

4.3 养护龄期对水泥改良粉细砂强度的影响

水泥改良粉细砂的强度增长需要一定时间,硬凝反应过程一般需3个月才能完成。本次试验通过对水泥改良粉细砂试样在0～28 d、28～60 d和60～90 d 3个时间段内的强度增长结果分析得出,在0～28 d之间的强度增长最为显著,起初增长较快,以后随着时间的增长强度提高逐渐减缓[7]。

图5 不同龄期的水泥改良粉细砂无侧限抗压强度

图5为水泥改良粉细砂填料分别在7、14、28 d养护龄期的无侧限抗压强度柱形图。从图中可以看出,水泥改良粉细砂的无侧限抗压强度的增长随其养护龄期的变化较为明显。14 d养护龄期较7 d养护龄期的无侧限抗压强度大0.34 MPa,28 d养护龄期较14 d养护龄期的无侧限抗压强度大0.18 MPa,其增长幅度逐渐减小。

图6为水泥改良粉细砂填料分别在0、7、14、28 d养护龄期下的内摩擦角与黏聚力的柱形图。从图中可以看出,水泥改良粉细砂的内摩擦角的增长幅度随其养护龄期的变化不明显,其黏聚力在水泥初凝后有明显增强,后期增幅较为缓慢。

图6 不同龄期的水泥改良粉细砂剪切强度

无论从无侧向抗压强度还是三轴剪切试验都能看出养护龄期对水泥改良粉细砂强度的影响较大,呈现出随龄期逐渐增长的特性,并且在0～7 d龄期内强度增长比较明显,以后其强度增幅逐渐减小。

5 结论

(1)大何线沿线分布的第四系全新统风积粉细砂颗粒粒径0.5～0.25 mm的颗粒质量占试样质量的17%,粒径0.25～0.075 mm的颗粒质量占试样质量的83%,不均匀系数为2.11,曲率系数为0.79,为级配不良填料。

(2)水泥及水泥与粉细砂中所含矿物质的水化、碳酸化、凝结和硬化等反应是水泥改良粉细砂填料强度形成的主要来源。

(3)影响水泥改良粉细砂填料强度的因素主要有水泥掺入量、压实度、养护龄期等。

水泥改良粉细砂的强度,随水泥掺入量的增加而逐渐提高,但水泥掺入量过高会提高改良成本,强度方面也会向脆性材料发展,大何线路基工程中改良土的水泥掺量建议值为5%。

水泥改良粉细砂填料的强度随压实度的增加而增大,但当压实度达到0.93、0.95时强度变化较小,大何线改良土路基压实度建议取值为0.93。

水泥改良粉细砂的强度随龄期的增长幅度在0～7 d之间较快,7～28 d之间逐渐减缓,工程建设中要根据实际承载力的设计要求合理选择养护龄期。

参考文献：

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