城际铁路水泥改良黄土填料力学特性

蒋应军，张 伟，李启龙，乔怀玉

(1.长安大学，特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064；2.陕西省铁路集团有限公司，西安 710199)

0 引 言

黄土是中国北部广泛分布的一种特殊土，具有湿陷性，浸水后易发生显著沉陷，因而通常需要对黄土进行物理或化学改良后再应用于工程建设[1-6]。“一带一路”沿线地形地貌多样，黄土分布广泛，是城际铁路建设不可避免的筑路材料。目前，我国城际铁路建设中，改良黄土水泥剂量通常采用经验值(基床底层填筑6%水泥改良黄土、基床以下填筑4%水泥改良黄土)，而黄土种类繁多，直接采用经验值进行改良施工，不仅不能全面掌握黄土路基强度和水稳定性，还可能造成经济上的浪费。因此，揭示改良黄土路基填料力学特性及影响因素可以优化黄土路基材料设计与填筑工艺，确保工程质量以及降低工程造价。万志辉等[7]研究了水泥剂量和养护龄期对水泥土力学特性的影响规律。鹿群等[8]对素水泥土及纤维水泥土进行了无侧限抗压和疲劳试验。陈中学等[9]研究了水泥对不同种类软土无侧限抗压强度的改善效果。阮锦楼等[10]研究了水泥改良粉质黏土无侧限抗压强度的发展规律，并建立了强度增长方程。崔永成等[11]研究了粉煤灰与水泥掺量比对水泥土抗压强度的影响规律，发现水泥土强度分别与粉煤灰掺量和含水率线性相关。马晓宇等[12]研究了矿粉水泥复合改良土抗压强度的发展规律。徐丽娜等[13]研究了玄武岩纤维水泥改良淤泥土抗压强度的增长规律。

随着现代压实设备性能的提升，可进一步提高黄土路基压实系数，而当前主要依据《铁路路基设计规范》(TB 1001—2016)中压实质量要求对改良黄土力学特性展开研究，关于压实系数对路基力学强度的研究较少。另外，黄土工程性质具有较强的区域性[6]，且水泥改良黄土力学特性与水泥剂量、压实系数、养护龄期紧密相关。鉴于此，本文依托西韩城际铁路项目，系统研究了水泥剂量、压实系数、养护龄期等因素对水泥改良黄土路基填料力学特性的影响规律，提出水泥剂量设计方案，成果可供工程实践参考。

1 实 验

1.1 原材料

黄土土样取自西韩城际铁路项目施工现场，其物理性质见表1。水泥选用陕西尧柏特种水泥有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其技术性质见表2。

表1 黄土物理性质Table 1 Physical properties of loess

表2 水泥技术性质Table 2 Technical properties of cement

1.2 试验设计

1.2.1 试验方案

(1)水泥剂量

研究水泥剂量对改良黄土力学特性的影响，提出改良黄土水泥剂量的设计方案。水泥剂量拟采用2%、3%、4%、6%、8%，均为质量分数。

(2)压实系数

结合TB 1001—2016和现场路基试验段压实水平，分析压实系数对改良黄土力学特性影响。压实系数K拟采用0.92、0.95、0.97、1.00、1.02。

(3)养护龄期

根据改良黄土力学特性随养护龄期延长的变化规律，探讨养护龄期对改良黄土力学强度影响，建立力学强度预估方程。养护龄期拟采用7 d、14 d、28 d、60 d、90 d。

1.2.2 试验方法

采用无侧限抗压强度及劈裂强度评价水泥改良黄土力学特性。试件尺寸为φ100 mm×100 mm。

(1)试样制备及养护

试件采用静压法成型。将制备好的试件用塑料薄膜包好，置于湿度95%、温度(20±2) ℃养护室养护至规定龄期。

(2)无侧限抗压强度试验

参照《铁路工程土工试验规程》(TB 10102—2010)测试水泥改良黄土试样的无侧限抗压强度。根据式(1)计算试样抗压强度。

(1)

式中：qu为试样无侧限抗压强度，MPa；P为试样破坏时的最大荷载，N；A为试样截面面积，mm2。

(3)劈裂强度试验

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)测试水泥改良黄土试样的劈裂强度。根据式(2)计算试样劈裂强度。

(2)

式中：Ri为试样劈裂强度，MPa；P为试样破坏时的最大压力，N；d为试样直径，mm；h为浸水后试样高度，mm。

2 水泥改良黄土力学特性

2.1 试验结果

图1、图2分别为龄期与水泥改良黄土抗压强度、劈裂强度的关系曲线，其中qu0.95、Ri0.95分别表示95%保证率下的无侧限抗压强度、劈裂强度。

图1 龄期与水泥改良黄土抗压强度关系Fig.1 Relationship between age and cement-improled loess compressive strength

图2 龄期与水泥改良黄土劈裂强度关系Fig.2 Relationship between age and cement-improved loess splitting strength

2.2 力学强度增长规律

由图1～图2可知，随龄期的增长，不同水泥剂量和压实系数的改良黄土力学强度增长曲线形状相近；改良黄土14 d前力学强度增长速率明显大于后期力学强度增长速率，龄期28 d后力学强度增长趋于平缓。这是因为水泥稳定材料成型初期，其初期强度R0主要由材料物理作用、颗粒之间嵌挤摩擦力及部分物理化学作用构成[6,14-15]；随龄期的增长，水泥水化、凝结及硬化反应持续进行，水泥熟料的消耗促使强度增长，但速率逐渐放缓，直至熟料完全消耗，力学强度不再增长，达到极限强度R∞。

对此，以7 d、28 d力学强度为例，分析水泥剂量和压实系数对改良黄土力学特性的影响；以压实系数0.92、0.95为例，分析养护龄期对改良黄土力学特性的影响。

2.3 力学强度预估模型

由水泥改良黄土强度增长曲线及规律，假设强度预估方程满足下列三个边界条件：

(3)

式中：T为水泥改良黄土龄期，d；RT为龄期为T时的水泥改良黄土力学强度，MPa；R0为水泥改良黄土初始力学强度，MPa；R∞为水泥改良黄土极限力学强度，MPa。

力学强度预估方程如式(4)所示，强度增长系数ξ和相关系数R2见表3～表4。其中，表3中qu0和qu∞分别是试件的0 d抗压强度和抗压强度稳定值,ξu是抗压强度增长系数,表4中Ri∞是劈裂强度稳定值，ξi是劈裂强度增长系数。

表3 水泥改良黄土无侧限抗压强度预估方程Table 3 Estimation equation of unconfined compressive strength of cement-improved loess

表4 水泥改良黄土劈裂强度预估方程Table 4 Estimation equation of unconfined splitting strength of cement-improved loess

续表

(4)

水泥改良黄土压实成型初期，认为初期强度R0=0 MPa[13-14]。

3 水泥改良黄土力学特性影响因素

3.1 水泥剂量

图3、图4分别为水泥剂量与水泥改良黄土抗压强度、劈裂强度的关系曲线。

图3 水泥剂量与改良黄土无侧限抗压强度关系Fig.3 Relationship between cement dosage and cement-improved loess compressive strength

图4 水泥剂量与改良黄土劈裂强度关系Fig.4 Relationship between cement dosage and cement-improved loess splitting strength

由图3～图4可知：

(1)压实系数0.92、2%水泥剂量改良黄土试件的7 d无侧限抗压强度满足TB 1001—2016对高速铁路基床底层及以下路堤化学改良土强度设计要求，但试件浸水后出现不同程度的破损，如图5所示。当水泥剂量≥3%时，试件浸水后保持完整。在相同压实系数和龄期下，水泥改良黄土无侧限抗压强度随水泥剂量的增加而逐渐增大，当水泥剂量≥3%，水泥剂量每增加1%，改良黄土7 d、28 d无侧限抗压强度分别平均可提高14.2%、12.3%。另外，水泥改良黄土标准养护至7 d时，压实系数0.92、4%水泥剂量改良黄土抗压强度1.11 MPa与压实系数0.95、3%水泥剂量抗压强度1.10 MPa相近，压实系数0.95、6%水泥剂量改良黄土抗压强度1.78 MPa与压实系数0.97、4%水泥剂量抗压强度1.76 MPa相近。说明水泥改良黄土路基填筑过程中，可以通过提高路基填料压实系数适当减少水泥剂量。

图5 2%水泥剂量改良黄土浸水表面Fig.5 2% cement dosage improved loess immersed surface

(2)相同压实系数和龄期下，水泥改良黄土劈裂强度随水泥剂量的增加呈线性增长。同一压实系数下，水泥剂量增加1%，改良黄土7 d、28 d劈裂强度分别增长22%～54%、17%～25%。说明同一压实系数下试件7 d劈裂强度较小且受水泥剂量影响明显，而随龄期增长，水泥剂量对其劈裂强度的影响逐渐减小且趋于稳定。对此，在养护初期应加强对路基保护。

3.2 压实系数

图6、图7分别为压实系数与水泥改良黄土抗压强度、劈裂强度的关系曲线。

由图6～图7可知：

图6 压实系数与改良黄土无侧限抗压强度关系Fig.6 Relationship between compaction coefficient and cement-improved loess compressive strength

图7 压实系数与改良黄土劈裂强度关系Fig.7 Relationship between compaction coefficient and cement-improved loess splitting strength

(1)在水泥剂量一定的情况下，水泥改良黄土无侧限抗压强度随压实系数的增大呈线性增长趋势。这是因为试样压实系数提高对应干密度增大，土体内部孔隙率减小，土粒相互接触更加密实，抵抗变形破坏能力增加，试件抗压强度从而得到提高。另外龄期越小，抗压强度增长速率越快。其中，压实系数每增大0.01时，2%水泥剂量改良黄土7 d、28 d抗压强度分别平均提高了17.4%、9.0%，而水泥剂量为3%～8%时，改良黄土抗压强度提高了5.4%～8.0%。

(2)在水泥剂量一定的情况下，水泥改良黄土试件劈裂强度随压实系数增大呈线性增长，压实系数每增大0.01，水泥改良黄土7 d、28 d劈裂强度分别提高了11.3%～16.5%、8.0%～10.2%。说明路基填筑过程中通过提高压实系数，可提高改良黄土劈裂强度，保证路基抗拉性能。

3.3 养护龄期

图8、图9分别为龄期与水泥改良黄土抗压强度、劈裂强度的关系曲线，其中quT/qu∞(RiT/Ri∞)为不同养护龄期下试件抗压强度(劈裂强度)与抗压强度(劈裂强度)稳定值的比值。

图8 龄期与改良黄土quT/qu∞关系Fig.8 Relationship between age and quT/qu∞ of cement-modified loess

图9 龄期与改良黄土RiT/Ri∞关系Fig.9 Relationship between age and RiT/Ri∞ of cement-improved loess

由图8～图9可知，当水泥掺量与压实系数一定，同一龄期下的改良黄土力学强度与对应的极限强度比值曲线变化趋势基本一致。当水泥剂量为2%，改良黄土quT/qu∞曲线最低，7 d、14 d、28 d、60 d、90 d抗压强度分别约为极限抗压强度的31%、67%、75%、82%、87%；而当水泥剂量≥3%时，其7 d、14 d、28 d、60 d、90 d抗压强度分别约为极限抗压强度的61%、74%、83%、91%、96%。这是因为改良黄土2%水泥剂量较少，拌和均匀难度较大，且水泥水化反应中生成的氢氧化钙和钙矾石等产物较少，对土体固结作用较小，且早龄期试件浸水出现破损现象(见图5)，所以导致其早期抗压强度与极限抗压强度比值偏差较大。另外，水泥剂量为3%时，改良黄土RiT/Ri∞曲线最低，3%、4%、6%水泥剂量改良黄土7 d劈裂强度约是极限劈裂强度的32%、47%、45%，表明水泥剂量越高，试件劈裂强度随龄期的延长增长越快。

综上，根据水泥改良黄土室内力学强度试验结果，提出改良黄土水泥剂量设计方案。建议基床底层以下路堤水泥剂量为3%，压实系数为0.95；建议基床底层路堤水泥剂量为4%，压实系数为0.98。

4 工程应用效果

本文依托西韩城际铁路水泥改良黄土路基试验段，评价了改良黄土填料水泥剂量设计方案。为尽量接近现场路基实际材料及养护条件，采用摊铺机后摊铺好的改良黄土填料在室内采用静压法成型与现场密度相同试件，并将成型好的试件运送至工地现场，与压实后路基同步覆盖土工布养护至规定龄期，分别测定水泥掺量为4%和6%的室内试件和路基芯样的无侧限抗压强度比值qu1/qu2，如表5所示。

表5 路基芯样与室内试件无侧限抗压强度Table 5 Subgrade core sample and indoor test piece unconfined compressive strength

由表5可知，同一试验条件下，室内试件抗压强度约是路基芯样抗压强度的67.4%，说明同一养护环境下现场水泥改良黄土路基真实抗压强度高于室内试件抗压强度，满足城际铁路基床底层及以下路堤化学改良土强度设计要求。可见，改良黄土水泥剂量设计方案满足TB 1001—2016中路基设计要求，具有可行性。

5 结 论

(1)压实系数0.92、2%水泥剂量改良黄土试件7 d抗压强度满足规范值，但试件浸水后出现破损；水泥剂量≥3%的试件浸水后完整，且改良黄土力学强度随水泥剂量增加呈线性增长，水泥剂量每增加1%，改良黄土28 d抗压强度和劈裂强度至少分别平均增长12.3%、17.0%。

(2)同一水泥剂量和养护龄期下，水泥改良黄土力学强度随压实系数增大呈线性增长。水泥剂量为2%时，压实系数每提高0.01，改良黄土28 d抗压强度至少增长了9.0%；水泥剂量≥3%时，压实系数每提高0.01，改良黄土抗压强度和劈裂强度分别至少增长了5.4%、8.0%。

(3)随养护龄期的延长，不同水泥剂量和压实系数的改良黄土力学强度增长曲线形状相近，且前期力学强度增长速率明显大于后期强度增长速率，龄期28 d后力学强度增长趋于平缓。水泥剂量为2%时，改良黄土7 d、28 d抗压强度分别是极限抗压强度的31%、75%；水泥剂量≥3%时，改良黄土7 d抗压强度和劈裂强度约分别是其对应极限强度的61%、45%。

(4)通过分析水泥改良黄土力学强度影响因素，提出可行性的改良黄土水泥剂量设计方案。建议基床底层以下路堤水泥剂量为3%，压实系数为0.95；建议基床底层路堤水泥剂量为4%，压实系数为0.98。