全風(fēng)化花崗巖路基填料改良試驗(yàn)研究

蘇鈺欽 王芳 歐爾峰 馬路寒

1.蘭州交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，蘭州 730070；2.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 工程管理中心，北京 100038；3.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070；4.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038

花崗巖在我國南方地區(qū)廣泛分布，風(fēng)化層深厚［1-2］。利用全風(fēng)化花崗巖作為鐵路路基填料，存在水穩(wěn)性差、承載及抗沖刷能力弱的缺陷。填料工程性質(zhì)直接關(guān)系到路基質(zhì)量，若將全風(fēng)化花崗巖用于工程實(shí)踐需進(jìn)行改良［3-5］。路基填料多是就地取材［6-8］，全風(fēng)化花崗巖屬于C、D 組填料，多通過摻石灰、水泥和砂改良，而摻量須通過試驗(yàn)確定。

針對(duì)全風(fēng)化花崗巖填料改良的研究已取得一定成果。馬宏劍等［9］開展不同摻砂量下的全風(fēng)化花崗巖路基填料CBR 試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)砂可填充顆粒間空隙，增加土體密實(shí)度，CBR 值明顯提升。謝凱軍等［10］在京滬高速鐵路進(jìn)行全風(fēng)化花崗巖摻黏土、砂和碎石的改良試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)黏土的摻入起不到改良效果，石灰、碎石的摻入均對(duì)填料工程性質(zhì)有明顯改善。冉隆飛等［11］針對(duì)武廣客運(yùn)專線全風(fēng)化花崗巖，完成摻水泥和石灰的填料改良試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)利用水泥改良早期強(qiáng)度上升快于利用石灰改良。劉東明［12］以莆永高速公路全風(fēng)化花崗巖為研究對(duì)象進(jìn)行填料改良試驗(yàn)，結(jié)果表明路基基床底層水泥摻量宜選5%～ 6%。任貴政［13］開展蓮株高速公路全風(fēng)化花崗巖路基填料改良試驗(yàn)，認(rèn)為水泥摻量達(dá)到4%的改良土可滿足路基上路堤部位的填筑，水泥摻量達(dá)到8%的改良土便可完全用于路基所有部位的填筑。

全風(fēng)化花崗巖改良土填料更多地應(yīng)用于高速公路路基，目前在鐵路路基中的應(yīng)用正逐步推廣。本文依托于海南環(huán)島高速鐵路，針對(duì)全風(fēng)化花崗巖填料采用水泥進(jìn)行改良，并開展一系列室內(nèi)試驗(yàn)，分析填料工程性質(zhì)改善效果。

1 工程概況

海南環(huán)島高速鐵路設(shè)計(jì)速度達(dá)250 km/h。該高速鐵路主要穿越全風(fēng)化花崗巖層，于典型工點(diǎn)DK105+230取3批全風(fēng)化花崗巖試樣。

經(jīng)X 射線衍射分析，試樣主要礦物成分為石英（58.6%）、高嶺石（31.2%）、白云母（8.5%）和三水鋁石（1.7%），膠結(jié)物以游離氧化物為主。土體孔隙發(fā)育，由于是巖石風(fēng)化后產(chǎn)物，該土體含有大量粗顆粒。顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 顆粒級(jí)配曲線

根據(jù)TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》，可計(jì)算得到1#、2#、3#土樣的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc，并開展土工試驗(yàn)，得到全風(fēng)化花崗巖的基本物理指標(biāo)，見表1。

表1 土樣基本物理指標(biāo)

由表1可知，全風(fēng)化花崗巖顆粒變化范圍大，分布不均，屬于C、D 組細(xì)粒土。根據(jù)TB 10202—2002《鐵路路基施工規(guī)范》附錄B，該填料未達(dá)到高速鐵路路基填料要求，需進(jìn)行改良。

2 全風(fēng)化花崗巖改良試驗(yàn)

考慮到海南地區(qū)缺乏石灰材料以及保護(hù)生態(tài)旅游的需求，采用當(dāng)?shù)豍·O 42.5普通硅酸鹽水泥進(jìn)行改良。水泥試驗(yàn)檢測(cè)參數(shù)見表2。試驗(yàn)時(shí)水泥摻量取0、4%、6%、8%。

表2 水泥試驗(yàn)檢測(cè)參數(shù)

2.1 界限含水率試驗(yàn)

開展3組試樣在土樣在不同摻量下的界限含水率試驗(yàn)，得到土樣四種摻量下的液限、塑限和塑性指數(shù)，見圖2?？芍孩僭嚇右合揠S水泥摻量的升高表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。當(dāng)水泥摻量從0 增至6%時(shí)，液限的增長幅度為2.4%～ 5.8%；當(dāng)水泥摻量從6%增至8%時(shí)，液限的降低幅度為1.9%～ 2.1%；②試樣的塑限隨著水泥摻量增大而遞增。當(dāng)水泥摻量從0增至6%時(shí)，塑限的增長幅度為23.4%～ 31.8%；當(dāng)水泥摻量從6%增至8%時(shí)，塑限的增長幅度為0.2%～1.8%，增長趨勢(shì)十分平緩。③塑性指數(shù)隨水泥摻量的增大而遞減，摻量達(dá)到8%后相比素土（摻量為0），塑性指數(shù)降低幅度為50.4%～ 57.2%。隨著水泥的摻入，土體塑性降低，親水性能減弱，土體性能有了一定程度的提升。

圖2 界限含水率對(duì)比曲線

2.2 重型沖擊試驗(yàn)

為研究改良土的壓實(shí)特性，根據(jù)TB 10102—2010進(jìn)行重型沖擊試驗(yàn)。以1#土樣為例，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。土樣的最大干密度ρdmax、最優(yōu)含水率ωopt與水泥摻量關(guān)系見表3。

圖3 1#土樣干密度與含水率關(guān)系曲線

表3 土樣重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知：與素土相比，摻入水泥后土體擊實(shí)曲線駝峰變寬，這拓寬了路基施工過程中的含水率控制范圍，更有利于質(zhì)量管控。

由表3 可知：最大干密度與最優(yōu)含水率均隨著水泥摻量的增大呈線性遞增趨勢(shì)。當(dāng)水泥摻量從0增至4%時(shí)，最優(yōu)含水率增長幅度為3.3%～ 4.8%，最大干密度增長幅度為1.3%～ 2.0%；當(dāng)水泥摻量從4%增至8%時(shí)，最優(yōu)含水率增長幅度為5.0%～ 6.8%，最大干密度增長幅度為1.1%～ 2.7%。

2.3 CBR試驗(yàn)

CBR 試驗(yàn)［11］測(cè)定試料貫入量與荷載強(qiáng)度的關(guān)系（即CBR 值），能測(cè)定填料浸水后強(qiáng)度。海南地區(qū)屬于熱帶季風(fēng)氣候，降雨量大，填料常處于浸水狀態(tài)，開展浸水條件CBR 試驗(yàn)尤為重要。在最優(yōu)含水率條件下制成四種水泥摻量的試樣，擊實(shí)功設(shè)為2 659 kJ/m3，恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)7 d，浸水養(yǎng)護(hù)4 d。以1#土樣為例，每種摻量取3組進(jìn)行CBR試驗(yàn)，結(jié)果見圖4。

圖4 1#土樣CBR試驗(yàn)結(jié)果

由圖4 可知：貫入量隨壓力增長而表現(xiàn)出遞增規(guī)律。當(dāng)貫入量小于2.5 mm 時(shí)，貫入量隨壓力的增大呈線性遞增趨勢(shì)；當(dāng)貫入量超過2.5 mm 后，遞增趨勢(shì)漸緩。

根據(jù)TB 10102—2010中的計(jì)算方法得到CBR 值，CBR 值與水泥摻量關(guān)系曲線見圖5?？芍核姆N水泥摻量下土樣的CBR 值分別為6.5、84.6、95.3、112.8，CBR 值隨著水泥摻量增大而逐漸增大，當(dāng)水泥摻量從0 增至4%、4%增至6%、6%增至8%時(shí)，CBR 值分別增長了1 200.0%、12.6%、18.4%。由此看出，水泥摻量對(duì)改良土CBR 值影響明顯，在全風(fēng)化花崗巖素土中摻入水泥能有效提升水穩(wěn)強(qiáng)度，改善路基的使用性能。

圖5 1#土樣CBR值與水泥摻量關(guān)系曲線

2.4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)TB 10102—2010，對(duì)素土和改良土浸水養(yǎng)護(hù)7、14、28 d，壓實(shí)度設(shè)為90%、98%，開展試驗(yàn)測(cè)定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu。以1#土樣為例，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 1#土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖6 可知：全風(fēng)化花崗巖的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu較小，介于80～ 120 kPa。相比素土而言，摻量4%時(shí)，qu增長幅度達(dá)5～ 6 倍；水泥摻量6%時(shí)，qu增長幅度達(dá)7～ 8 倍。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期恒定時(shí)，qu隨著水泥摻量的增大表現(xiàn)出線性遞增規(guī)律；當(dāng)水泥摻量恒定時(shí)，qu隨齡期的增大而遞增；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期和水泥摻量均保持恒定時(shí)，壓實(shí)度98%時(shí)qu高于壓實(shí)度90%時(shí)，這說明水泥摻量、壓實(shí)度和齡期的增大均促進(jìn)qu的增強(qiáng)。改良土在水泥摻量為6%、8%的qu均大于500 kPa，滿足TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)基床及基床以下路基的要求；水泥摻量4%齡期7 d時(shí)qu小于500 kPa，無法用于基床表層。

2.5 回彈模量試驗(yàn)

根據(jù)TB 10102—2010，在最佳含水率條件下制成四種水泥摻量的試樣，擊實(shí)功設(shè)為2 659 kJ/m3，恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)7 d，浸水養(yǎng)護(hù)4 d，開展試驗(yàn)測(cè)定回彈模量Ee。Ee與水泥摻量關(guān)系曲線見圖7。

圖7 回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

由圖7 可知：Ee隨著水泥摻量的增大而遞增。當(dāng)摻量從0增至4%時(shí)，Ee增長幅度為499.8%～578.6%，當(dāng)摻量從4%增至6%時(shí)，Ee增長幅度為46.7%～64.9%，當(dāng)摻量從6%增至8%時(shí)，Ee增長幅度為6.5%～18.1%。水泥的摻入對(duì)Ee影響顯著，當(dāng)水泥摻量達(dá)到6%時(shí)，Ee增長幅度便達(dá)到了7～ 10 倍；當(dāng)摻量超過6%時(shí)，Ee隨摻量的增大增長速率放緩。

2.6 動(dòng)三軸試驗(yàn)

動(dòng)三軸試驗(yàn)以四種水泥摻量作為試驗(yàn)控制條件，在最優(yōu)含水率條件下制樣，壓實(shí)度設(shè)為90%，恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)7 d，將動(dòng)三軸加載頻率設(shè)為5 Hz，圍壓設(shè)為20 kPa，采取固結(jié)不排水的試驗(yàn)方式，試驗(yàn)得到累積變形εP與加載次數(shù)N的對(duì)數(shù)lgN的關(guān)系曲線。以1#土樣為例，試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 1#土樣εP-lgN曲線

由圖8 可知：εP-lgN曲線呈逐漸增長趨勢(shì)，曲線斜率逐漸增大，該曲線分為穩(wěn)定、臨界和破壞三種類型，臨界動(dòng)應(yīng)力處于穩(wěn)定型與臨界型之間應(yīng)力范圍內(nèi)。水泥摻量0、4%、6%、8%下的臨界動(dòng)應(yīng)力分別為30～ 34、132～ 162、139～ 169、145～ 175 kPa，平均值分別為32、147、154、160 kPa。當(dāng)水泥摻量從0 增至4%時(shí)，臨界動(dòng)應(yīng)力增長幅度達(dá)359.3%，水泥摻量對(duì)臨界動(dòng)應(yīng)力影響顯著。

綜上，全風(fēng)化花崗巖各項(xiàng)指標(biāo)無法達(dá)到高速鐵路路基的技術(shù)要求，經(jīng)摻入水泥改良后，工程性質(zhì)得到顯著提升，當(dāng)水泥摻量達(dá)到6%時(shí)，CBR 值增長幅度達(dá)13～ 14 倍，qu增長幅度達(dá)7～ 8 倍，Ee增長幅度達(dá)7～ 10倍，臨界動(dòng)應(yīng)力增長幅度達(dá)到3～ 4 倍。水泥摻量越高，成本造價(jià)越高，建議基床表層采用摻量6%的全風(fēng)化花崗巖改良填料，基床底層及基床以下路基采用摻量4%的填料。

3 結(jié)論與建議

1）摻入水泥后，土體塑性指數(shù)隨摻量的增加而遞減，明顯降低了塑性，改良土親水性能隨之減弱，土體性能有了一定程度的提高。

2）當(dāng)水泥摻量達(dá)到6%時(shí)，改良土CBR 值增長幅度達(dá)13～ 14 倍，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長幅度達(dá)7～ 8 倍，回彈模量增長幅度達(dá)7～ 10 倍，臨界動(dòng)應(yīng)力增長幅度達(dá)3～ 4倍。

3）綜合考慮性能和成本，建議基床表層采用水泥摻量6%的全風(fēng)化花崗巖改良土，基床底層及基床以下路基采用水泥摻量4%的改良土。