大何铁路路基改良填料性能研究

铁澄宇

（兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州730000）

大何铁路路基改良填料性能研究

铁澄宇

（兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州730000）

在建大何（大塔—何家塔）铁路沿线地表多分布厚度不等的第四系全新统风积粉砂、冲积层，作为路基填料难以满足工程设计要求，需对不合格填料进行改良。本文对扰动土与石灰改良土的物理、力学性能进行了对比试验研究。结果表明：对粉质黏土填料加入石灰进行改良，填料的物理、力学性能得到改善，可以满足普通铁路路基基床底层填料使用要求。

路基；填料；石灰改良；抗拉强度；抗剪强度

路基填料性能的好坏直接关系到填土路基质量。在建大何铁路为满足控制路基变形、提高路桥过渡段刚度的要求，需要有稳固的轨下基础。大何铁路沿线地表多分布厚度不等的第四系全新统风积粉砂、冲积层，岩性以黏性土、砂类土、碎石类土、膨胀岩、砂质黄土为主，B组填料严重缺乏。粉砂、细砂压实性能较差，作为填料的整体稳定性较差，在一定条件下会产生液化，容易受到水流冲刷破坏，因此难以满足工程设计要求［1-4］。如果完全依靠外运取得合格填料，既不经济也不现实。较好的办法是对不合格填料进行改良，使其达到所要求的质量标准［5-10］。本文通过试验，对石灰改良粉质黏土的物理、力学性能进行了研究，可为类似工程地质地区路基填料的选择提供参考。

1　扰动土物理性能

1.1天然含水率与界限含水率

从现场随机取足够量的土体，进行原状土含水率测定，测得原状土的天然含水率为16.65%。然后将土体装入桶内（以下称为扰动土）送到实验室，利用液塑限联合测定仪测定扰动土的界限含水率。

将扰动土样分为2组进行试验，根据液塑限实测结果，确定第1组土样的塑限为19.54%，液限为32.73%，该土样塑性指数IP为13.2，液性指数IL为0.09，土样在天然状态时处于硬塑状态。第2组土样的塑限为18.64%，液限为34.75%，该土样塑性指数IP为16.11，液性指数IL为0.12，土样在天然状态时处于硬塑状态。

1.2扰动土颗粒分析

根据扰动土的外观和肉眼可见的颗粒组成特点，利用筛分法和水分法相结合确定土体的颗粒组成特点。扰动土颗粒分析试验曲线见图1。

图1　扰动土颗粒分析试验曲线

由图1知，土体颗粒主要集中在0.01～0.075 mm，约占土粒总质量的90%。试验中第1组试验样本土颗粒不均匀系数Cu=2.3，曲率系数Cc=0.6；第2组试验样本的土颗粒不均匀系数Cu=4.7，曲率系数Cc=0.8。不均匀系数＜10，说明土体颗粒比较均匀。曲率系数＜1，说明土颗粒大小存在比较集中的分布，直观上表现为颗粒分析曲线中有竖直曲线段。

根据扰动土的物理特性，利用塑性图分类法，可以判定该土为中液限的细颗粒土，土体中粉粒含量比较集中，塑性指数稍高于黏土和粉土分界线，因此可确定为粉质黏土。根据理论和工程试验经验，该土体不宜用做实际工程填料使用，需进行改良处理。根据石灰改良土的既有工程经验，拟采用6%，8%，10%共3种石灰掺量（质量百分含量）进行改良土的室内试验。

2　扰动土与石灰改良土物理性能对比试验

2.1颗粒相对体积质量对比试验

利用比重瓶法测定土颗粒的相对体积质量，结果见表1。本次试验采用短颈比重瓶。

表1　土颗粒的相对体积质量

从表1可知，土体颗粒的相对体积质量随着石灰掺量的增加逐渐减小。

2.2土样击实对比试验

根据设计资料及工程对填料的要求，在室内进行重型击实试验，确定扰动土和不同比例石灰改良土的击实特性，试验曲线见图2。

图2　扰动土和石灰改良土击实试验曲线

由图2可以得到扰动土与石灰改良土的最优含水率与最大干密度，如表2所示。

表2　土样的最优含水率与最大干密度

从表2可知：在重型击实条件下，随着石灰掺量的增加，石灰改良土的最优含水率增大，但增加不太明显，石灰改良土最大干密度的减小则相对比较明显。干密度减小主要是由于石灰土击实后的微结构呈团粒骨架结构，在这种结构中，单粒微团粒和团聚体相互接触形成骨架状，微团粒多位于团聚体之间起连接作用，或充填于团聚体之间的孔隙中，随着石灰的掺入，改良土结构模型不变，结构单元发生有规律的变化，细小孔隙增多，结构变疏松。

2.3土颗粒分析对比试验

扰动土和改良土颗粒分析对比试验曲线见图3。由图可知，填料经过改良后，土颗粒组成发生了变化。虽然加入石灰改良后土粒含量没发生大的改变，但改良土土粒粒径级配累计曲线趋向平缓，原扰动土内过于集中的颗粒分布得到改善。

图3　扰动土和石灰改良土颗粒分析对比试验曲线

2.4界限含水率对比试验

表3为扰动土、石灰改良土界限含水率试验结果。

表3　扰动土和石灰改良土界限含水率对比

由表3可知，由于土体的可塑性与黏粒同水溶液的表面作用有密切关系，因此影响土体可塑性的因素与影响扩散层厚度和弱结合水含量的因素是一致的。这些因素包括土体内黏粒成分的粒径分布、矿物成分、交换离子成分、浓度、溶液pH值等。土中掺入石灰后，石灰与土产生离子交换作用，使黏粒形成团粒结构。随着石灰的掺入，液限有增长的趋势，且增长较明显。对塑限而言，6%石灰改良土比扰动土塑限增大，之后随着石灰掺入量的加大，塑限有减小趋势，10%的石灰改良土与扰动土的塑限相差不大。

2.5土样膨胀性对比试验

2.5.1扰动土样膨胀性能测试

自由膨胀率为一定体积的松散土粒在水中无任何限制条件下充分吸水产生自由膨胀、体积增大，试样膨胀稳定后体积与初始体积之比。因此，自由膨胀率是一个没有直接工程意义的指标，但能在一定程度上反映黏土矿物成分、粒度大小、交换阳离子性质等基本特性。根据试验得到扰动土的自由膨胀率为42%。线膨胀率反映膨胀土试样在无荷载而有侧向限制条件下吸水后沿垂直方向膨胀的增量与初始试样高度之比，或者在有荷载条件下吸水膨胀性能。在实际工作过程中大多数土体上部均有一定的自重荷载，对其下部土体的膨胀产生抑制作用，本次试验在没有上部荷载作用下测定扰动土试样的线膨胀率。从试验结果看，扰动土样自由膨胀率＞40%，线膨胀率＞1%，因此可初步判定填料具有弱膨胀性。

2.5.2石灰改良土样膨胀性能测试

通过重复上述试验，得到石灰改良土的自由膨胀率和0.93压实度的线膨胀率，见表4。可见，改良后不同石灰掺量改良土的自由膨胀率都＜40%，线膨胀率都＜1%，填料的膨胀性得以减弱。

表4　石灰改良土膨胀率%

2.6扰动土和石灰改良土水稳性能试验

为了解石灰改良后填料的水稳性能，进行静水中试样的崩解试验，根据试样在水中保持完整性的时间长短，评价改良土的水稳性能。

试验过程中，原状土在5 min内完全崩解，试样入水后伴有冒气泡现象，并有大块土掉落，崩解很快。0.93压实度的扰动土在50 min内完全崩解，试样入水后冒小气泡，试样表面小块土掉落，土样崩解破坏时间较长。0 d龄期的6%，8%，10%掺灰土在0.93压实度下，分别在65，73，78 min内完全崩解，试样入水后吸水冒泡，并产生大量白沫，在刚放进去的前几分钟非常明显，并伴有土样小块脱落，后来变得不明显，仅有小块慢慢掉落，崩解破坏时间较长。7 d龄期的6%，8%，10%掺灰土在0.93压实度下，分别在75，85，87 min内完全崩解，试样入水后吸水冒泡，并产生白沫，开始试样并没有马上脱落，随着吸水过程的进行，逐渐有小块脱落，慢慢有大块脱落，直至全部崩解完，崩解破坏时间较长。

从试验结果看，填料加入石灰改良后，改良土的水稳性能与原状土相比有较大提高，与压实后的扰动土试样相比，抵抗崩解破坏的能力也有所提高，但提高的幅度较小。因此，填料改良后应防止受到水的影响，从而降低其使用性能。

3　扰动土和改良土力学性质试验

3.1扰动土和改良土压缩试验

为了解石灰改良后填料的压缩变形特性，进行按照0.93压实度制作的试样的压缩试验，以评价改良土的压缩性能。

表5为扰动土和石灰改良土压缩试验结果。

表5　扰动土和石灰改良土压缩试验结果

从表5知，扰动土及石灰改良土在100～200 kPa范围的压缩系数均＜0.1 MPa-l，属低压缩性土。当填料中加入石灰后，压缩系数显著下降，随着掺灰比的增加，压缩系数的变化不是十分明显。

3.2扰动土和改良土三轴压缩试验

通过前期击实试验得到的不同配比改良土的最大干密度和最优含水率值，按照含水率误差＜2%配制土样，在0.93压实度下制作扰动土和改良土试样，进行不同龄期的抗压强度试验。

3.2.1无侧限抗压强度试验结果（图4）

由试验结果可以得到扰动土和改良土在无侧限条件下的抗压强度，见表6。

图4　无侧限抗压强度试验结果

表6　扰动土和改良土无侧限抗压强度kPa

由表6可知，扰动土在室内击实试验确定的最优含水率条件下，按照0.93的压实度制作试样，初步得到的0，7 d的无侧限抗压强度相对较低，作为路基基床底层填料不能满足静、动荷载作用要求；填料改良以后，改良土0，7 d的无侧限抗压强度有明显提高，其无侧限抗压强度随石灰掺量和龄期变化比较明显，改良后填料可以满足路基承受动静荷载对强度的要求。

3.2.2不同围压下抗压强度试验结果（图5～图8）

图5　扰动土试样抗剪强度试验结果

图6　6%石灰改良土试样抗剪强度试验结果

图7　8%石灰改良土试样抗剪强度试验结果

图8　10%石灰改良土试样抗剪强度试验结果

根据三轴试验结果可以得到扰动土和石灰改良土分别在50，100，150，200 kPa围压下各自的抗剪强度值以及土样的c，φ值，见表7。

表7　扰动土和石灰改良土不同围压下抗剪指标

从扰动土和改良土三轴抗压强度试验结果分析，改良土三轴抗压强度与扰动土相比得到一定程度提高；在相同的最优含水率、试样压实标准、石灰掺量及龄期条件下，改良土的抗剪强度指标相对于扰动土均有提高。其三轴抗压强度随压实度、石灰掺量和龄期变化比较明显，改良后填料可以满足路基承受动静荷载对强度的要求。

4　结论

试验所取土样为粉质黏土，根据室内土工试验，可以得到如下结论：

1）掺入石灰能有效改善粉质黏土填料的物理性能，塑性指数稍有提高，石灰改良土的最大干密度随石灰掺入量的增大而减小，最优含水率随石灰掺入量的增大而增加。

2）无侧限压缩试验和三轴压缩试验结果都表明，掺入石灰能有效改善填料的力学性能。与扰动土相比，石灰改良土强度有明显提高。从0 d到7 d龄期，石灰改良土的强度有较大增长，但石灰掺量超过8%后，强度的增长幅度不如石灰掺量低于8%时增长快，因此，可选用8%的石灰掺量进行填料改良。填料进行石灰改良后，试样破坏由塑性逐步向脆性转化，大多数破坏试样存在明显的剪切破坏面。三轴试验结果表明，与扰动土相比，加入石灰掺料后，改良土的黏聚力和内摩擦角都有所提高。

3）压缩试验表明，填料中加入石灰后，压缩系数均＜0.1 MPa-1，属低压缩性土。

综合分析室内试验结果，对粉质黏土填料加入石灰进行改良，填料的物理、力学性能得到改善，可以满足普通铁路路基基床底层填料使用要求。

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Study on Improved Filling Performance of Data-Hejiata Railway Subgrade

TIE Chengyu
（Lanzhou Railway Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Lanzhou Gansu 730000，China）

Quaternary Holocene aeolian silty sand and alluvium with various thicknesses are widely distributed in the under-constructionData-Hejiata railwayline surface，whichare difficult tomeet the engineering design requirements as the subgrade filling，and it is necessary to improve the unqualified filling.T he physical and mechanical performance of disturbed soil and lime improved soil were compared by the experimental study in this paper.T he results show that the physical and mechanical performance of silty clay filling will be improved with the addition of lime，which could meet the foundation bed bottom filling requirements of general railway subgrade.

Subgrade；Filling；Lime improvement；T ensile strength；Shear strength

U213.1+1

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.24

1003-1995（2016）09-0095-05

（责任审编周彦彦）

2016-04-15；

2016-06-04

铁澄宇（1982—），男，工程师。