全风化花岗岩路基填料改良试验研究

苏钰钦 王芳 欧尔峰 马路寒

1.兰州交通大学 交通运输学院，兰州 730070；2.中国国家铁路集团有限公司 工程管理中心，北京 100038；3.兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070；4.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038

花岗岩在我国南方地区广泛分布，风化层深厚［1-2］。利用全风化花岗岩作为铁路路基填料，存在水稳性差、承载及抗冲刷能力弱的缺陷。填料工程性质直接关系到路基质量，若将全风化花岗岩用于工程实践需进行改良［3-5］。路基填料多是就地取材［6-8］，全风化花岗岩属于C、D 组填料，多通过掺石灰、水泥和砂改良，而掺量须通过试验确定。

针对全风化花岗岩填料改良的研究已取得一定成果。马宏剑等［9］开展不同掺砂量下的全风化花岗岩路基填料CBR 试验，发现砂可填充颗粒间空隙，增加土体密实度，CBR 值明显提升。谢凯军等［10］在京沪高速铁路进行全风化花岗岩掺黏土、砂和碎石的改良试验，发现黏土的掺入起不到改良效果，石灰、碎石的掺入均对填料工程性质有明显改善。冉隆飞等［11］针对武广客运专线全风化花岗岩，完成掺水泥和石灰的填料改良试验，发现利用水泥改良早期强度上升快于利用石灰改良。刘东明［12］以莆永高速公路全风化花岗岩为研究对象进行填料改良试验，结果表明路基基床底层水泥掺量宜选5%～ 6%。任贵政［13］开展莲株高速公路全风化花岗岩路基填料改良试验，认为水泥掺量达到4%的改良土可满足路基上路堤部位的填筑，水泥掺量达到8%的改良土便可完全用于路基所有部位的填筑。

全风化花岗岩改良土填料更多地应用于高速公路路基，目前在铁路路基中的应用正逐步推广。本文依托于海南环岛高速铁路，针对全风化花岗岩填料采用水泥进行改良，并开展一系列室内试验，分析填料工程性质改善效果。

1 工程概况

海南环岛高速铁路设计速度达250 km/h。该高速铁路主要穿越全风化花岗岩层，于典型工点DK105+230取3批全风化花岗岩试样。

经X 射线衍射分析，试样主要矿物成分为石英（58.6%）、高岭石（31.2%）、白云母（8.5%）和三水铝石（1.7%），胶结物以游离氧化物为主。土体孔隙发育，由于是岩石风化后产物，该土体含有大量粗颗粒。颗粒级配曲线如图1所示。

图1 颗粒级配曲线

根据TB 10102—2010《铁路工程土工试验规程》，可计算得到1#、2#、3#土样的不均匀系数Cu和曲率系数Cc，并开展土工试验，得到全风化花岗岩的基本物理指标，见表1。

表1 土样基本物理指标

由表1可知，全风化花岗岩颗粒变化范围大，分布不均，属于C、D 组细粒土。根据TB 10202—2002《铁路路基施工规范》附录B，该填料未达到高速铁路路基填料要求，需进行改良。

2 全风化花岗岩改良试验

考虑到海南地区缺乏石灰材料以及保护生态旅游的需求，采用当地P·O 42.5普通硅酸盐水泥进行改良。水泥试验检测参数见表2。试验时水泥掺量取0、4%、6%、8%。

表2 水泥试验检测参数

2.1 界限含水率试验

开展3组试样在土样在不同掺量下的界限含水率试验，得到土样四种掺量下的液限、塑限和塑性指数，见图2。可知：①试样液限随水泥掺量的升高表现出先增大后减小的变化规律。当水泥掺量从0 增至6%时，液限的增长幅度为2.4%～ 5.8%；当水泥掺量从6%增至8%时，液限的降低幅度为1.9%～ 2.1%；②试样的塑限随着水泥掺量增大而递增。当水泥掺量从0增至6%时，塑限的增长幅度为23.4%～ 31.8%；当水泥掺量从6%增至8%时，塑限的增长幅度为0.2%～1.8%，增长趋势十分平缓。③塑性指数随水泥掺量的增大而递减，掺量达到8%后相比素土（掺量为0），塑性指数降低幅度为50.4%～ 57.2%。随着水泥的掺入，土体塑性降低，亲水性能减弱，土体性能有了一定程度的提升。

图2 界限含水率对比曲线

2.2 重型冲击试验

为研究改良土的压实特性，根据TB 10102—2010进行重型冲击试验。以1#土样为例，试验结果见图3。土样的最大干密度ρdmax、最优含水率ωopt与水泥掺量关系见表3。

图3 1#土样干密度与含水率关系曲线

表3 土样重型击实试验结果

由图3可知：与素土相比，掺入水泥后土体击实曲线驼峰变宽，这拓宽了路基施工过程中的含水率控制范围，更有利于质量管控。

由表3 可知：最大干密度与最优含水率均随着水泥掺量的增大呈线性递增趋势。当水泥掺量从0增至4%时，最优含水率增长幅度为3.3%～ 4.8%，最大干密度增长幅度为1.3%～ 2.0%；当水泥掺量从4%增至8%时，最优含水率增长幅度为5.0%～ 6.8%，最大干密度增长幅度为1.1%～ 2.7%。

2.3 CBR试验

CBR 试验［11］测定试料贯入量与荷载强度的关系（即CBR 值），能测定填料浸水后强度。海南地区属于热带季风气候，降雨量大，填料常处于浸水状态，开展浸水条件CBR 试验尤为重要。在最优含水率条件下制成四种水泥掺量的试样，击实功设为2 659 kJ/m3，恒温恒湿养护7 d，浸水养护4 d。以1#土样为例，每种掺量取3组进行CBR试验，结果见图4。

图4 1#土样CBR试验结果

由图4 可知：贯入量随压力增长而表现出递增规律。当贯入量小于2.5 mm 时，贯入量随压力的增大呈线性递增趋势；当贯入量超过2.5 mm 后，递增趋势渐缓。

根据TB 10102—2010中的计算方法得到CBR 值，CBR 值与水泥掺量关系曲线见图5。可知：四种水泥掺量下土样的CBR 值分别为6.5、84.6、95.3、112.8，CBR 值随着水泥掺量增大而逐渐增大，当水泥掺量从0 增至4%、4%增至6%、6%增至8%时，CBR 值分别增长了1 200.0%、12.6%、18.4%。由此看出，水泥掺量对改良土CBR 值影响明显，在全风化花岗岩素土中掺入水泥能有效提升水稳强度，改善路基的使用性能。

图5 1#土样CBR值与水泥掺量关系曲线

2.4 无侧限抗压强度试验

根据TB 10102—2010，对素土和改良土浸水养护7、14、28 d，压实度设为90%、98%，开展试验测定无侧限抗压强度qu。以1#土样为例，试验结果见图6。

图6 1#土样无侧限抗压强度试验结果

由图6 可知：全风化花岗岩的无侧限抗压强度qu较小，介于80～ 120 kPa。相比素土而言，掺量4%时，qu增长幅度达5～ 6 倍；水泥掺量6%时，qu增长幅度达7～ 8 倍。当养护龄期恒定时，qu随着水泥掺量的增大表现出线性递增规律；当水泥掺量恒定时，qu随龄期的增大而递增；当养护龄期和水泥掺量均保持恒定时，压实度98%时qu高于压实度90%时，这说明水泥掺量、压实度和龄期的增大均促进qu的增强。改良土在水泥掺量为6%、8%的qu均大于500 kPa，满足TB 10001—2016《铁路路基设计规范》对基床及基床以下路基的要求；水泥掺量4%龄期7 d时qu小于500 kPa，无法用于基床表层。

2.5 回弹模量试验

根据TB 10102—2010，在最佳含水率条件下制成四种水泥掺量的试样，击实功设为2 659 kJ/m3，恒温恒湿养护7 d，浸水养护4 d，开展试验测定回弹模量Ee。Ee与水泥掺量关系曲线见图7。

图7 回弹模量试验结果

由图7 可知：Ee随着水泥掺量的增大而递增。当掺量从0增至4%时，Ee增长幅度为499.8%～578.6%，当掺量从4%增至6%时，Ee增长幅度为46.7%～64.9%，当掺量从6%增至8%时，Ee增长幅度为6.5%～18.1%。水泥的掺入对Ee影响显著，当水泥掺量达到6%时，Ee增长幅度便达到了7～ 10 倍；当掺量超过6%时，Ee随掺量的增大增长速率放缓。

2.6 动三轴试验

动三轴试验以四种水泥掺量作为试验控制条件，在最优含水率条件下制样，压实度设为90%，恒温恒湿养护7 d，将动三轴加载频率设为5 Hz，围压设为20 kPa，采取固结不排水的试验方式，试验得到累积变形εP与加载次数N的对数lgN的关系曲线。以1#土样为例，试验结果见图8。

图8 1#土样εP-lgN曲线

由图8 可知：εP-lgN曲线呈逐渐增长趋势，曲线斜率逐渐增大，该曲线分为稳定、临界和破坏三种类型，临界动应力处于稳定型与临界型之间应力范围内。水泥掺量0、4%、6%、8%下的临界动应力分别为30～ 34、132～ 162、139～ 169、145～ 175 kPa，平均值分别为32、147、154、160 kPa。当水泥掺量从0 增至4%时，临界动应力增长幅度达359.3%，水泥掺量对临界动应力影响显著。

综上，全风化花岗岩各项指标无法达到高速铁路路基的技术要求，经掺入水泥改良后，工程性质得到显著提升，当水泥掺量达到6%时，CBR 值增长幅度达13～ 14 倍，qu增长幅度达7～ 8 倍，Ee增长幅度达7～ 10倍，临界动应力增长幅度达到3～ 4 倍。水泥掺量越高，成本造价越高，建议基床表层采用掺量6%的全风化花岗岩改良填料，基床底层及基床以下路基采用掺量4%的填料。

3 结论与建议

1）掺入水泥后，土体塑性指数随掺量的增加而递减，明显降低了塑性，改良土亲水性能随之减弱，土体性能有了一定程度的提高。

2）当水泥掺量达到6%时，改良土CBR 值增长幅度达13～ 14 倍，无侧限抗压强度增长幅度达7～ 8 倍，回弹模量增长幅度达7～ 10 倍，临界动应力增长幅度达3～ 4倍。

3）综合考虑性能和成本，建议基床表层采用水泥掺量6%的全风化花岗岩改良土，基床底层及基床以下路基采用水泥掺量4%的改良土。