高速铁路改良黄土填料性质与工程实效研究＊

屈耀辉，米维军，周有禄

（中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

高速铁路改良黄土填料性质与工程实效研究＊

屈耀辉，米维军，周有禄

（中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

填料性质的优劣是黄土地区高速铁路控制路基工后沉降的关键因素之一，黄土一般属等级较低的C、D组填料。改良黄土无侧限抗压强度、压缩等室内试验结果表明，黄土掺入石灰或水泥后，黄土的工程性质均得到了明显的改善，相同掺量的水泥改良黄土较石灰改良黄土的工程性质更优。通过开展改良黄土路基实体试验，测试结果表明，采用一定掺量的改良黄土填筑路基完全能满足高速铁路对路基工后沉降的控制要求。

岩土工程；高速铁路；改良黄土；填料；性质；工程实效

郑州至西安高速铁路沿线优质的A、B类路基填料十分缺乏，可供采用的填料几乎全部为属于C、D类的黄土，完全不能满足高速铁路对路基填料的技术要求[1-4]。郑西高速铁路大规模施工前，开展了改良黄土填料物理及力学性质的室内试验研究，并通过开展路基实体试验，对改良黄土填料的实际工程效果进行了研究。

1 改良黄土填料室内试验

本次试验中，水泥改良黄土的试验掺量有三种，分别为3%、5%、7%，石灰改良黄土的试验掺量有四种，分别为3%、5%、7%、9%，现将界限含水率试验、无侧限抗压强度试验、压缩试验、干湿循环试验等方面的试验结果简述如下。

1.1 界限含水率试验

素土及改良黄土界限含水率试验的结果详见表1，从试验结果来看，石灰改良黄土的塑限、液限和塑性指数分别为12.82%～14.18%、28.82%～31.20%、15.90～17.02；水泥改良黄土的塑限、液限和塑性指数分别为13.4%～17.2%、26.0%～30.3%、11.4～13.1。黄土掺入石灰和水泥后，塑限有所降低，而液限和塑性指数较素土有所增大；相同掺量下石灰改良黄土和水泥改良黄土的界限含水率以及塑性指数相差不大。

1.2 无侧限抗压强度试验

试验中改良黄土的压实系数为0.95，分别开展了7d、14d、28d龄期的无侧限抗压强度试验，试验结果详见表2。各改良黄土无侧限抗压强度的对比详见图1～图3。分析上述图表来看，28d龄期四种掺量石灰改良黄土的无侧限抗压强度为 371.2～577. 2KPa；28d龄期三种掺量水泥改良黄土的无侧限抗压强度为1060.8～1937KPa，均超过了1000KPa。对比来看，相同掺量下水泥改良黄土的无侧限抗压强度均较石灰改良黄土大，为2.8～4.0倍。

表1 试验土样界限含水率统计表

表2 无侧限抗压强度统计表（压实系数0.95）

图1 7d龄期无侧限抗压强度对比柱状图

图2 14d龄期无侧限抗压强度对比柱状图

图3 28d龄期无侧限抗压强度对比柱状图

1.3 压缩试验

压缩试验中试样的压实系数为0.95，试验龄期包括7d、14d和28d，压缩试验结果详见表3。各改良黄土压缩试验结果的对比详如图4～图6所示。分析上述图表来看，28d龄期四种掺量石灰改良黄土的压缩系数为0.061～0.076MPa-1；28d龄期三种掺量水泥改良黄土的压缩系数为0.037～0.047MPa-1。强度随掺量增加而增大，随龄期增加而增大。对比来看，相同掺量下水泥改良黄土的压缩系数均较石灰改良黄土小。

1.4 干湿循环试验

干湿循环后各改良黄土试样的强度损失详见表4，试验结果对比详见图7。从试验结果来看，四种掺量石灰改良黄土干湿循环后试样的强度损失率为34.8%～49.8%；三种掺量水泥改良黄土干湿循环后试样的强度损失率为5.2%～23.1%。对比来看，相同掺量下水泥改良黄土干湿循环后的强度损失均较石灰改良黄土小。

表3 压缩试验结果统计表（压实系数0.95）

表4 干湿循环试验强度损失统计表（压实系数0.95）

图4 7d龄期压缩指标柱状图

图5 14d龄期压缩指标柱状图

图6 28d龄期压缩指标柱状图

图7 干湿循环后试样强度损失率柱状图

综合以上试验结果来看，相同掺量的水泥改良黄土较石灰改良黄土的工程性质普遍要好。

2 改良黄土路基实体试验

2.1 试验路基概况

依据改良黄土室内试验结果，在陕西省华阴市卫峪乡坪塬村开展了路基实体试验。试验路基填料所用的黄土取自附近正线路堑挖方路段，多为第四系上更新统冲积、洪积和风积（Q3）砂质黄土、黏质黄土和中更新统坡积（Q2）黄土，都属于C组填料。

试验路基长140m，高度为4.6m，其中基床以下路堤2.3m，基床底层2.3m，基床以下路堤采用8%的石灰改良黄土填筑，基床底层采用5%的水泥改良黄土填筑，路基横断面详见图8（图中基床表层级配碎石未施工）。基床底层施工完成后，填筑预压土进行堆载预压，预压土的高度为3m，该高度为无砟轨道路基上的轨道和列车荷载换算土柱的高度，其中列车荷载按“ZK-活载”考虑，为了便于施工将预压土满铺于路基顶面，坡率为1:1[5-8]。试验路基共设了9个观测断面，断面编号为断面1～断面9，各断面均采用CDI-100型多点组合式沉降观测仪对路基进行分层沉降观测。

图8 试验路基横断面示意图

2.2 试验路基本体压缩沉降量分析

试验路基填筑完成后3个月，路基本体的压缩沉降量统计详见表5。

表5 路基本体压缩沉降量统计（单位：mm）

分析表5可得：

1）路基填筑完成后3个月，路基本体的压缩沉降量为0.0～5.0mm，平均3.0mm，仅占路基填高4.6m的0.65‰。其中基床底层压缩沉降0.0～2.5mm，平均1.3mm，占基床底层总厚度2.3m的0.57‰。基床以下路堤压缩沉降0.0～3.0mm，平均1.7mm，占基床以下路堤总厚度2.3m的0.74‰。

2）堆载预压条件下的沉降观测结果表明，路基本体压缩沉降在路基填筑完成后3个月时间内已经完成，其工后沉降基本为零。说明采用5%的水泥改良黄土填筑基床底层、8%的石灰改良黄土填筑基床以下路堤的路基填筑方案完全能满足高速铁路对路基工后沉降的控制要求。

3）堆载预压条件下，路基本体的压缩沉降量为0.0～5.0mm，沿纵向比较而言，路基本体的压缩沉降量虽然在不同区段存在一些差异，但总的来说，路基本体的压缩变形还是比较均匀的，由此说明路基沿纵向的压实度是基本一致的。

3 结论

1）黄土掺入石灰或水泥后，塑限有所降低，而液限和塑性指数较素土有所增大。

2）28d龄期3%、5%、7%、9%四种掺量石灰改良黄土的无侧限抗压强度为371.2～577.2kPa；28d龄期3%、5%、7%三种掺量水泥改良黄土的无侧限抗压强度为1060.8～1937kPa。无侧限抗压强度随掺量增加而增大，随龄期增加而增大。

3）对比无侧限抗压强度试验、压实试验与干湿循环试验的结果来看，相同掺量的水泥改良黄土均较石灰改良黄土的工程性质好。

4）堆载预压条件下，路基填筑完成后3个月，路基本体的总压缩沉降为0.0～5.0mm，平均为3.0mm，仅占路基填高的0.65‰。该沉降在3个月时间内已经完成，其工后沉降基本为零。说明采用5%的水泥改良黄土填筑基床底层、8%的石灰改良黄土填筑基床以下路堤的路基填筑方案完全能满足高速铁路对路基工后沉降的控制要求。

[1] 屈耀辉，苗学云.三种常用地基处理方法在黄土区高铁地基中的适用性研究[J].中国铁道科学，2015，36(4)：8-12.

[2] 屈耀辉，魏永梁，武小鹏，等.黄土区高铁柱锤冲扩桩地基沉降控制效果研究[J].铁道工程学报，2012(1)：21-25.

[3] 屈耀辉，武小鹏，米维军，等.黄土区高速铁路挤密桩地基沉降控制效果研究[J].铁道工程学报，2011(9)：31-35.

[4] 赵勇,陈占,徐红星.高速铁路无砟轨道路基沉降监测和研究[J].铁道工程学报,2012(6):45-49.

[5] TB10621-2009，高速铁路设计规范(试行)[S].北京:中国铁道出版社,2009.

[6] 铁建设［2007］47号,新建时速300～350公里客运专线铁路设计暂行规定[S].北京:中国铁道出版社,2007.

[7] 铁建设[2006]158号，客运专线无砟轨道铺设条件评估技术指南[S].北京:中国铁道出版社,2006.

[8] 王光勇.武广客运专线路基沉降监测系统与沉降预测[J].铁道工程学报,2009(5):5-7,15.

U213.1

国家科研院所技术开发研究专项资金项目（编号：2010EG123210）；铁道部科技研究开发计划项目（编号：2005K001-B-2）