冻融循环作用下水泥改良黄土铁路路基填料力学特性研究

王博琦

(中铁一局集团建筑安装工程有限公司 陕西西安 710000)

我国西北地区广泛分布着黄土地质，在这些地区修建铁路，需要克服黄土路基湿陷性的影响，故需要对其进行工程加固改良[1]。改良措施包括物理改良和化学改良，物理改良主要包括挤密桩、夯实、冲击压实等传统方法[2]，化学改良方法包括掺入粉煤灰、石灰、水泥等措施[3]，其中，水泥改良方法最为常见，具有材料来源广、用量大、效果好、成本低等优点，故而在实际工程中很多时候都选择采用水泥对黄土路基进行改良。

西北为典型的季节性冻土地区，冬季寒冷，昼夜温差较大，黄土在经历反复的冻融循环后，会引发路基发生沉降、路堑发生剥落等地质灾害，因此，研究黄土在冻融循环下的力学行为对实际工程具有重要意义[4-5]。当前，众多专家学者针对各类型改良黄土的冻融力学行为开展了相应的研究[6]，但很多都是仅针对了某一力学性能的研究，缺乏全面性，且不同地区黄土的物理力学性质相差较大，需要对具体地区具体工程做对应的研究。因此，该文以西北地区某铁路客运专线水泥改良路基为例，对冻融循环作用下原状土、重塑土以及水泥改良黄土填料的强度特性、压缩特性等进行对比试验分析，研究成果可为类似黄土铁路路基工程改良施工提供借鉴。

1 工程概况

陇海线是中国三横五纵干线铁路网的一横，串联中国西北、华中和华东地区，设计时速140～200 km/h，研究地点选在关中地区，该地区属温带大陆性季风气候，冬季最低气温-10.9 ℃，夏季最高气温31.9 ℃，昼夜温差大；该地区最大冻土深度为0.5 m，从上往下地层分别为黏质黄土、饱和软黏土、古土壤、粉土、细沙，由于黄土分布较厚，且线路属于级客货共线铁路，曲线半径最小为2.8 km，为保证铁路运营期间的安全与稳定，故需要对黄土路基进行加固改良。

2 试验概况

2.1 试验材料

试验黄土取自路基深度约3～5 m 处，0.075 mm 以下土颗粒占比为86.5%，且以粉质颗粒为主，天然含水率为25.35%，平均密度大小为1.93 g/cm3，塑性指数为10.72，经室内测试得到试验原状黄土的基本性质数据，如表1所示。试验水泥为PO42.5普通硅酸水泥，主要化学成分为SiO2和Al2O3，堆积密度为1.52 g/cm3,平均烧失量为3.3%。

表1 黄土基本性质

2.2 试验方案

将试验共设计原状黄土、重塑黄土（水泥掺量0%）以及水泥改良黄土3 种类型土样进行对比试验，水泥掺量分别为4%、6%、8%、10%；冻融循环次数设定为0、1、3、5、7 次，每一次冻融循环的过程为：在-10 ℃温度下冷冻12 h，然后在温度20 ℃下融解12 h。将水泥按一定比例掺入黄土后，拌和制成高为10 cm、直径为5 cm的标准圆柱形试件，同时放入标准养护箱中养护7 d，然后放入冻融试验箱中进行冻融循环，当达到对应次数后分别取出进行无侧限单轴抗压、直接剪切、固结压缩试验。

2.3 试验仪器

冻融循环试验：选用RTP-175BU电子控制式高低温试验箱（-30 ℃～50 ℃，偏差为±0.5 ℃）；无侧限单轴抗压强度：选用YYW-1 型无侧限抗压强度试验仪，最大荷载5 kN，最大位移30 mm（精度为0.01 mm）；直接剪切试验：选用ZJ 型应变管控直剪仪，剪切速率为2.4 mm/min；固结试验：选用单杠杆固结仪（高压），试验压力范围为12.5～4 000 kPa。

3 试验结果分析

3.1 无侧限抗压强度

试验得到的不同改良方案下的黄土无侧限抗压强度情况见图1。从图1可以看到：随着水泥掺量的逐渐升高，改良黄土的无侧限抗压强度逐渐增大，相比重塑黄土（水泥含量），当掺入水泥后，黄土的强度得到有效提升，当水泥掺量为4%～6%时，强度增长趋势较为明显，当水泥含量为8%～10%时，强度增长幅度明显减弱，这是因为水泥水化反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等物质，可以起到胶结、黄土颗粒，填充黄土孔隙的作用，因而强度逐渐增大；相同水泥掺量下，随着冻融循环次数的增加，改良黄土的强度呈负指数型降低，冻融循环前期，强度下降幅度较大，冻融循环后期，强度下降幅度较小，这是因为冻融循环作用下，由于黄土中水分发生结晶，对原始颗粒结构产生冻胀应力，破坏了结构的胶结连接力，并随着产生冻裂，但是这种冻胀损伤会随着改良黄土裂缝的产生、扩展而逐渐减弱，因此，后期强度下降幅度较低；重塑黄土与原状黄土相比，强度有所降低，这是因为重塑黄土是将土颗粒重新排列，而原本的结构稳定性遭到干扰和破坏，大孔隙减少而小孔隙增多，因此，重塑土强度相比原状土降低。

图1 抗压强度试验结果

3.2 抗剪强度指标

试验得到的抗剪强度指标变化特征见图2。从图2可以看到，原状黄土的粘聚力最小，随着水泥掺量的增加，粘聚力逐渐增大，这是因为水泥的主要作用就是起胶结黄土颗粒，增加颗粒间连接力的作用，随着冻融循环次数的增加，粘聚力逐渐降低，前期下降幅度较大，后期下降幅度较小，原状黄土粘聚力受冻融循环影响的下降幅度明显小于改良黄土；原状黄土的内摩擦角明显大于改良黄土，水泥掺入量与内摩擦角增幅之间呈线性正相关，冻融循环一次后，内摩擦角有一个较大幅度降低，继续冻融循环作用下，内摩擦角下降幅度较小，表明冻融循环对于内摩擦角的影响程度远小于粘聚力。

图2 抗剪强度指标试验结果

3.3 压缩系数

试验得到的压缩系数变化特征见图3。从图3 可以看到，随着水泥掺量的增加，压缩系数呈逐渐减小的变化趋势，掺入水泥后，黄土的压缩系数明显降低，低水泥掺量下（4%～6%），改良黄土受冻融循环的影响较大，压缩系数随冻融损伤呈明显的增大趋势，而在高水泥掺量下，改良黄土受冻融循环的影响较小，特别是当冻融循环≤5 次时，压缩系数增加大幅度较小，当冻融循环次数大于5次后，压缩系数增加幅度较大；相同冻融循环次数下，8%和10%水泥掺量下的压缩系数基本相等。

图3 压缩系数试验结果

3.4 结构强度

结构强度反映了土体非固定粘聚力效应的大小，受土颗粒接触点数量和联结强度的影响，试验获得的改良黄土结构强度变化特征见图4。从图4可以看到，结构强度的变化特征与无侧限抗压强度的变化趋势有些类似，随着水泥掺量的增加而增大，随冻融循环次数的增大而减小；当水泥含量超过8%后，结构强度增长幅度开始变缓，当冻融循环次数≤5 次时，结构强度下降幅度较为明显，当冻融循环次数大于5次后，结构强度下降幅度变缓。

图4 结构强度试验结果

4 结论

（1）水泥改良黄土的强度和抗剪参数较原状土和重塑土有大幅度提升，冻融循环对改良黄土的损伤主要集中于前五次冻融循环。

（2）掺入水泥后，黄土的压缩系数显著降低，且掺入量越大，受到冻融循环损伤后压缩系数增幅越小。

（3）综合各水泥掺量改良黄土的各项力学性能，结合工程成本，认为该段改良黄土铁路路基填料的最佳水泥掺量为8%。