水泥改良黄土填筑铁路基床的试验研究

摘 要：不滿足作为铁路路堤基床底层的填料经改良后达到技术和规范要求，使填料的范围得到了扩大。本文通过研究在黄土中掺入水泥进行土质改良，经过大量室内试验，主要从物理力学特性方面对水泥改良土进行了研究，得到了有价值的结论：在不同掺和比条件下，黄土经水泥改良后物理力学性质指标均能够满足路堤基床底层填料的要求，考虑到安全性和经济性等因素，认为黄土掺入质量比为6%的水泥为宜。另外对改良土工程性质影响较大的还包括含水量，所以在工程实施过程中应使改良填料的含水量尽可能维持在最优含水量。

关键词：铁路路堤基床 水泥改良黄土 掺合比 最优含水量

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

路基作为铁路的最基础部分，对铁路运营质量起着很重要作用，路基填料更是决定路基工程性质的关键要素，其工程质量与填料质量息息相关。在我国多数地区，存在较大的地区差异性，修筑铁路路基时如何选用适合的填料，来防止基床病害发生，并最大程度的降低成本，一直是铁路路基设计施工中一个很重要的课题。

银川至西安铁路在陕西省境内长约168km，所经地区全覆盖有湿陷性黄土，且覆盖层厚度较大，沿线主要有泾河、渭河等河流，根据环水保要求，填料不能自河道中挖取，故符合规范要求的基床范围内填料严重匮乏，基床底层填料采用黄土直接填筑不满足规范要求。通过对不满足规范填料进行改良[1]，使其达到所要求的质量标准，不但节省了工程投资，同时也减少了弃土，保护了环境，社会效益和经济效益十分显著。

本文通过对所选试验土样中掺入不同质量比的水泥，研究黄土经水泥改良后的压缩特性、强度特性、水稳定性、硬化机理等力学性质以及配合比、龄期、密实度等对其强度特性的影响因素进行分析，得出水泥改良土的最佳质量配合比和最优含水量，为即将修建的银西铁路路基基床填料提供重要依据，另对指导其它地区的铁路设计与施工同样具有重要意义。

经现场调查，沿线分布有许多水泥厂，购买水泥比较方便，故本次试验主要研究黄土中掺入水泥。

1 路基基床的结构设计

银西铁路由中铁第一勘察设计院设计。银西铁路为客运专线，设计时速为250km/h，预留350km/h的条件。

铁路路基基床分为基床表层和基床底层。本线基床表层填筑级配碎石，厚度0.7m；基床底层填筑6%（质量比，100kg干土，掺和7kg水泥）水泥改良土，厚度2.3m。基床总厚度3.0m。

本文以基床底层改良土填筑及质量控制进行阐述。

2 水泥改良黄土的作用机理[2]

本次改良采用普通硅酸盐水泥，其主要含氧化钙、二氧化硅、三氧化二铁、三氧化二铝及三氧化硫。将水泥掺入黄土后，水泥颗粒表面的矿物很快与黄土中的水发生水解和水化反应，生成Ca（OH）2和CSH等水化物，逐渐使土中水饱和形成胶体，水泥水化物中的一部分CaO、2SiO2.3H2O自身继续硬化，形成早期水泥土的骨架；另一部分及其溶液与黄土颗粒发生反应形成土团粒后又进而结合成粒结构，进一步凝聚反应形成水稳性水化物。随着水泥水化反应的深入，Ca（OH）2的碱性作用和水泥水化作用又生成水化物，最终水泥与土颗粒相互连结形成难以彼此分辨的致密空间网络结构，使水泥土具有足够的强度和水稳定性。

2试验方案的设计和试验过程

试验用土样取自礼泉县取土场，其颗粒组成见表1，物理力学性质指标：液限WL=29.7%，塑限WP=18.6%，塑性指数IP=11.3，比重2.68，定名为C类低液限粉质粘土，不能直接作为铁路路基基床填料，需进行土质改良后才能使用。

为研究黄土掺入水泥后土的工程特性，进一步评价黄土掺入水泥后的改良效果及选择最佳室内水泥掺入比提供一定的依据，室内试验内容主要包括击实试验，以确定最大干密度和最优含水量，以及液塑限试验、无侧限抗压强度试验。试验方法严格按照《铁路工程土工试验规程》（TB10102-2004）进行。

本次试验通过掺入水泥对黄土进行改良，重点为基床底层水泥改良土中的水泥掺入比为6%的试验。水泥采用海螺牌PO42.5普通硅酸盐水泥，其物理力学性质指标见表2。

2.1击实试验

土体密实度和含水量是影响路基填料压实效果的重要因素，也是控制路基填筑质量的重要条件，当土体同时处于最大干密度及最优含水率状态下，其压实效果最好。击实试验的理论依据是土的三相（颗粒、水、空气）之间的体积变化理论，随着空气及含水量的变化土颗粒得到重新排列[3][4][5]。当土体颗粒的排列达到最大干密度及相应的含水量之后，击实作用大部分被水分承担，土颗粒上的有效应力变小。此时，干密度随含水量的增加而降低。

本次试验采用轻型击实法，分三层，每层击数94下，单位体积击实功2176.4kJ/m3。

击实试验得出的最大干密度为1.86g/cm3，最优含水量为13.2%，此指标对应的压实系数K=1.0。设计要求的压实系数K≥0.95。

2.2压缩试验

压缩性是路基填料的重要力学性质指标，主要表现为路基填筑体的刚度。在上部荷载作用下，适当的路基刚度使填筑土体既不会产生过量的动态变形，也不会产生过大的瞬时变形。压缩试验主要测试黄土经水泥改良后，在不同等级垂直压力下的压缩特性，判定其压缩性是否满足作为路基填料。通过压缩实验可获得不同掺和比改良土的压缩系数和压缩模量，为工后沉降变形提供可靠依据。试样的干容重采用最佳干容重的95%[6]，含水率为最优含水率，标准养护28d后进行试验，制样采用尺寸为φ39mm×h80mm的环刀，每种配比制4个样。试样加荷等级依次为50kPa，100kPa，200kPa，300kPa。仪器采用南京土壤仪器厂生产的WG-1A型三联固结仪测定。

2.3静三轴试验

土的强度指标是确定土的承载力的一个重要指标，主要测试水泥改良黄土在不同等级垂直压力作用下抗剪强度，检验其是否作满足作为路基填料的要求。

试验采用不固结不排水剪方法，仪器采用GDS双向振动三轴仪上进行。试样尺寸为φ39mm×h20mm，每種配比制4个样，在饱水状态下养护28d，加荷速率ε=0.05%/min，在加载过程中，轴向压力、轴向变形等数据由电脑采集处理，最终得出不同配合比改良土的内摩擦角和粘聚力。

2.4液塑限试验

通过液塑限试验测定黄土改良前后的液限、塑限、塑性指数的变化，研究不同配合比填料的工程性质，进而判断改良黄土对实际工程是否可行。本试验采用光电式液塑限联合测定仪进行测定，将试样风干后，过0.50mm的筛，取一定量（200g）的代表性土样，掺入配合比分别为3%、5%、6%、7%的水泥，用纯水将不同水泥配合比改良试样调制成均匀膏状，放入调土皿，浸润一昼夜后进行试验。

2.5干湿循环无侧限抗压强度试验

由于铁路所经地段气候环境复杂多变，填筑土在旱季失水后收缩，在雨季吸水后膨胀，多次循环后导致填料土体结构发生变化，土体的强度也不同程度降低。因此，通过对不同配合比水泥改良黄土进行干湿循环试验，测定水泥改良后黄土在干湿循环交替作用下抗压强度是否满足作为路基填料，评定其水稳性能，同时为选择最佳水泥配合比提供设计依据。

试验要点：

（1）不同配合比水泥改良黄土掺合料按其最优含水率制备，密度采用最大干密度的95%。

（2）严格控制试件饱和度。通过计算饱和度大于95%即认为试样达到饱和。

（3）严格控制试件风干含水量为最优含水量。

（4）加压时应使试件轴向受力，若试件倾斜将导致其内部受力不均匀，测得的强度将有所降低。

试件采用全封闭，养生稳定控制在20±2℃，湿度95%，养生28天。取出养生后试件，在25℃水中浸泡24小时，然后在60℃条件下烘6小时，经过5次干湿循环后进行饱水无侧限抗压强度试验。

3 试验结果分析

3.1击实试验

试验结果按下列公式计算并绘图：

（3）以干密度为纵坐标，含水率为横坐标，绘制干密度与含水率关系曲线，曲线上峰值点的纵横坐标分别表示该击实试样的最大干密度和最优含水量。详见图2。

根据以上击实干密度与含水量的关系曲线，得出不同配合比水泥改良黄土的最大干密度及最优含水量，见表3。

由表3可知，黄土经水泥改良后的最优含水量较改良前有所增大，在一定的水泥配合比范围内，最大干密度较改良前变化幅度不大。

图3为最大干密度及最优含水率与水泥配合比的关系曲线，从图中可以看出，不同配合比条件下，改良黄土填料的最优含水率随水泥配合比的增大呈减小趋势，主要原因在于向黄土中加入水泥的细度较黄土要大，吸收的水分也相对较高；而最大干密度在较小配合比范围内随水泥配合比不同其变化幅度不大。

3.2压缩试验

不同配合比水泥改良黄土压缩试验结果见表4。由表中数据可以明显看出，改良后黄土压缩系数α1.0～2.0均不大于0.05 MPa-1，较改良前（0.10 MPa-1）有很大程度减小，属于低压缩性土，满足路基填料设计要求；压缩模量比改良前（14.4 MPa）有很大程度提高，这说明黄土掺入水泥后压缩性能大大提高，可有效的减小路基的沉降变形，利于线路的平顺和列车的安全运行。

3.2.1压缩系数、压缩模量与水泥配合比的关系

为进一步研究不同配合比水泥改良黄土压缩性能改善情况和变化规律，绘制了改良黄土压缩系数及压缩模量与水泥配合比的关系曲线，见图2。从图中可以看出，随水泥配合比增大，水泥改良黄土的压缩系数逐渐减少，而压缩模量逐渐增大。水泥配合比从3%～5%时，压缩系数变化较大；水泥配合比从5%～7%时，压缩系数基本无变化；水泥配合比从3%变化到7%时，压缩模量均有不同程度的增大。因此，在满足路基填料的要求下，水泥对此类黄土的压缩性能改善存在一个最佳水泥配合比。

3.2.2 e—lgP关系曲线

本次试验主要研究不同配合比水泥改良黄土压缩特性及其变化规律，由于不同配合比水泥改良黄土初始孔隙比不同。因此，为更好的研究不同配合比水泥改良黄土孔隙比随轴向应力增大的变化规律，试验对不同配合比改良黄土孔隙比e=ei /e0与轴向应力做了归一化处理，得到不同配合比水泥改良黄土压缩（e—lgP）曲线，见图3。从图中可以看出，随着轴向荷载变大，其孔隙比逐渐减小，水泥改良黄土明显比素土的抗轴向变形能力好很多，不宜产生过大不均匀变形。

3.3静三轴试验

通过静三轴试验，可以获得改良土的内摩擦角φ和粘聚力c。从表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，随着水泥掺量的增加而增大，粘聚力的增长速度大于摩擦角的增长速度。因此，向黄土中掺入一定配合比水泥对其粘聚力影响较大，摩擦角影响相对较小，主要依靠增大粘聚力来提高改良后黄土强度。

3.4液塑限試验

水泥改良黄土液塑限试验结果见表6，水泥改良黄土液限、塑限、塑性指数都较重塑土有明显增大。主要原因在于向黄土中掺入一定量水泥后，形成一定的胶结物，其比表面积增大，吸收的水分也相应的增加，这是液限、塑限、塑性指数增大的原因。黄土加入水泥后，改变了黄土原来粉质、湿陷性特征，增强了其稳定性，同时也大大提高了路基的承载力。

3.5 干湿循环无侧限抗压强度试验

不同配合比水泥改良黄土经过5次干湿循环无侧限抗压强度见表7。由表7可知，不同配合比水泥改良黄土养护后抗压强度均大于500kPa，满足路基设计要求。随着水泥配合比的增大，改良黄土的无侧限抗压强度呈增大趋势。

为研究干湿循环前后不同配合比改良黄土抗压强度变化，本试验主要以干湿循环前后改良黄土的强度比来比较直观的衡量其水稳性能。从表中可以看出，经5次干湿循环后，不同配合比水泥改良黄土强度比均在0.8附近，即整体水稳性能较好。

4 结论

经上述试验和分析，可以得到如下结论和建议：

（1）含水量对水泥改良黄土的工程性质影响较大，因此在施工中要烟盒控制填料的含水量使其达到最优含水量；另外也要注意防止基床雨水下渗和路基坡面的防护。

（2）黄土经水泥改良后压缩系数减小，压缩模量提高，提高了黄土的压缩性能，起到了减小路基的沉降变形目的。

（3）黄土经水泥改良后，液限、塑限、塑性指数都有明显增大，增强了其稳定性，提高了路基的承载力。

（4）通过改良黄土的耐久性试验可知，经过5次干湿循环，不同配合比水泥改良黄土试件抗压强度损失率均小于25%，水稳性能较好。

（5）试验证明，此类黄土采用水泥进行改良是可行的，满足作为路基填料的要求。

本试验证明黄土采用水泥改良是可行的，在满足高速铁路路基填料的要求条件下，同时从经济性因素考虑，确定室内水泥改良黄土最佳掺入比为5%；由于室内试验条件和工地现场条件存在一定差别，故现场施工配合比应比试验配合比提高0.5～1%，最终确定施工时水泥改良黄土施工配合比为6%，即路基基床底层填料采用黄土掺入6%水泥改良。

本文仅对静力条件下水泥改良黄土的工程特性进行了研究，对改良土的动力特性研究还有待深入，特别是临界动应力试验的研究。

参考文献：

[1] 周神根等.高速铁路路基设计技术条件研究.见：国家“八五”科技攻关项目—高速铁路线桥隧设计参数选择的研究（研究报告之六）.北京：铁道部科技研究院铁道建筑研究所，1995.

[2] 杨有海，苏在朝，夏琼，马学宁. 双灰料填筑及加固既有铁路黄土路基基床原理及应用[A]. 中国交通土建工程学术论文集（2006）[C]. 2006.

[3] 王智猛.风化泥岩与饱和粉土动、静力学特性的试验研究[D].西南交通大学，2004.

[4] Konrad J.M.Physical processes during freeze-thaw cycles in clayeysilts[J].Cold Regions Science and Technology，1989，16（6）：291-303.

[5] Yong R N，Boonsinsuk P.Alteration of soil behavior after cyclicfreezing and thawing[A].In：Proc.of Fourth International Symposium on Ground Freezing [C].Sapporo：[s.n.]，1985.

[6] 中华人民共和国铁道部.铁路工程土工试验规程[M].北京：中国铁道出版社，2004.

作者简介：刘倍利（1982— ），男，工程师，硕士研究生，2007年毕业于长安大学公路学院岩土工程专业，现主要从事铁路工程建设管理工作。通讯地址：西安市新城区建工路9号，邮编：710043。