高速鐵路改良黃土填料性質(zhì)與工程實效研究＊

屈耀輝，米維軍，周有祿

（中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

高速鐵路改良黃土填料性質(zhì)與工程實效研究＊

屈耀輝，米維軍，周有祿

（中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

填料性質(zhì)的優(yōu)劣是黃土地區(qū)高速鐵路控制路基工后沉降的關(guān)鍵因素之一，黃土一般屬等級較低的C、D組填料。改良黃土無側(cè)限抗壓強度、壓縮等室內(nèi)試驗結(jié)果表明，黃土摻入石灰或水泥后，黃土的工程性質(zhì)均得到了明顯的改善，相同摻量的水泥改良黃土較石灰改良黃土的工程性質(zhì)更優(yōu)。通過開展改良黃土路基實體試驗，測試結(jié)果表明，采用一定摻量的改良黃土填筑路基完全能滿足高速鐵路對路基工后沉降的控制要求。

巖土工程；高速鐵路；改良黃土；填料；性質(zhì)；工程實效

鄭州至西安高速鐵路沿線優(yōu)質(zhì)的A、B類路基填料十分缺乏，可供采用的填料幾乎全部為屬于C、D類的黃土，完全不能滿足高速鐵路對路基填料的技術(shù)要求[1-4]。鄭西高速鐵路大規(guī)模施工前，開展了改良黃土填料物理及力學(xué)性質(zhì)的室內(nèi)試驗研究，并通過開展路基實體試驗，對改良黃土填料的實際工程效果進行了研究。

1 改良黃土填料室內(nèi)試驗

本次試驗中，水泥改良黃土的試驗摻量有三種，分別為3%、5%、7%，石灰改良黃土的試驗摻量有四種，分別為3%、5%、7%、9%，現(xiàn)將界限含水率試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗、壓縮試驗、干濕循環(huán)試驗等方面的試驗結(jié)果簡述如下。

1.1 界限含水率試驗

素土及改良黃土界限含水率試驗的結(jié)果詳見表1，從試驗結(jié)果來看，石灰改良黃土的塑限、液限和塑性指數(shù)分別為12.82%～14.18%、28.82%～31.20%、15.90～17.02；水泥改良黃土的塑限、液限和塑性指數(shù)分別為13.4%～17.2%、26.0%～30.3%、11.4～13.1。黃土摻入石灰和水泥后，塑限有所降低，而液限和塑性指數(shù)較素土有所增大；相同摻量下石灰改良黃土和水泥改良黃土的界限含水率以及塑性指數(shù)相差不大。

1.2 無側(cè)限抗壓強度試驗

試驗中改良黃土的壓實系數(shù)為0.95，分別開展了7d、14d、28d齡期的無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果詳見表2。各改良黃土無側(cè)限抗壓強度的對比詳見圖1～圖3。分析上述圖表來看，28d齡期四種摻量石灰改良黃土的無側(cè)限抗壓強度為 371.2～577. 2KPa；28d齡期三種摻量水泥改良黃土的無側(cè)限抗壓強度為1060.8～1937KPa，均超過了1000KPa。對比來看，相同摻量下水泥改良黃土的無側(cè)限抗壓強度均較石灰改良黃土大，為2.8～4.0倍。

表1 試驗土樣界限含水率統(tǒng)計表

表2 無側(cè)限抗壓強度統(tǒng)計表（壓實系數(shù)0.95）

圖1 7d齡期無側(cè)限抗壓強度對比柱狀圖

圖2 14d齡期無側(cè)限抗壓強度對比柱狀圖

圖3 28d齡期無側(cè)限抗壓強度對比柱狀圖

1.3 壓縮試驗

壓縮試驗中試樣的壓實系數(shù)為0.95，試驗齡期包括7d、14d和28d，壓縮試驗結(jié)果詳見表3。各改良黃土壓縮試驗結(jié)果的對比詳如圖4～圖6所示。分析上述圖表來看，28d齡期四種摻量石灰改良黃土的壓縮系數(shù)為0.061～0.076MPa-1；28d齡期三種摻量水泥改良黃土的壓縮系數(shù)為0.037～0.047MPa-1。強度隨摻量增加而增大，隨齡期增加而增大。對比來看，相同摻量下水泥改良黃土的壓縮系數(shù)均較石灰改良黃土小。

1.4 干濕循環(huán)試驗

干濕循環(huán)后各改良黃土試樣的強度損失詳見表4，試驗結(jié)果對比詳見圖7。從試驗結(jié)果來看，四種摻量石灰改良黃土干濕循環(huán)后試樣的強度損失率為34.8%～49.8%；三種摻量水泥改良黃土干濕循環(huán)后試樣的強度損失率為5.2%～23.1%。對比來看，相同摻量下水泥改良黃土干濕循環(huán)后的強度損失均較石灰改良黃土小。

表3 壓縮試驗結(jié)果統(tǒng)計表（壓實系數(shù)0.95）

表4 干濕循環(huán)試驗強度損失統(tǒng)計表（壓實系數(shù)0.95）

圖4 7d齡期壓縮指標(biāo)柱狀圖

圖5 14d齡期壓縮指標(biāo)柱狀圖

圖6 28d齡期壓縮指標(biāo)柱狀圖

圖7 干濕循環(huán)后試樣強度損失率柱狀圖

綜合以上試驗結(jié)果來看，相同摻量的水泥改良黃土較石灰改良黃土的工程性質(zhì)普遍要好。

2 改良黃土路基實體試驗

2.1 試驗路基概況

依據(jù)改良黃土室內(nèi)試驗結(jié)果，在陜西省華陰市衛(wèi)峪鄉(xiāng)坪塬村開展了路基實體試驗。試驗路基填料所用的黃土取自附近正線路塹挖方路段，多為第四系上更新統(tǒng)沖積、洪積和風(fēng)積（Q3）砂質(zhì)黃土、黏質(zhì)黃土和中更新統(tǒng)坡積（Q2）黃土，都屬于C組填料。

試驗路基長140m，高度為4.6m，其中基床以下路堤2.3m，基床底層2.3m，基床以下路堤采用8%的石灰改良黃土填筑，基床底層采用5%的水泥改良黃土填筑，路基橫斷面詳見圖8（圖中基床表層級配碎石未施工）。基床底層施工完成后，填筑預(yù)壓土進行堆載預(yù)壓，預(yù)壓土的高度為3m，該高度為無砟軌道路基上的軌道和列車荷載換算土柱的高度，其中列車荷載按“ZK-活載”考慮，為了便于施工將預(yù)壓土滿鋪于路基頂面，坡率為1:1[5-8]。試驗路基共設(shè)了9個觀測斷面，斷面編號為斷面1～斷面9，各斷面均采用CDI-100型多點組合式沉降觀測儀對路基進行分層沉降觀測。

圖8 試驗路基橫斷面示意圖

2.2 試驗路基本體壓縮沉降量分析

試驗路基填筑完成后3個月，路基本體的壓縮沉降量統(tǒng)計詳見表5。

表5 路基本體壓縮沉降量統(tǒng)計（單位：mm）

分析表5可得：

1）路基填筑完成后3個月，路基本體的壓縮沉降量為0.0～5.0mm，平均3.0mm，僅占路基填高4.6m的0.65‰。其中基床底層壓縮沉降0.0～2.5mm，平均1.3mm，占基床底層總厚度2.3m的0.57‰。基床以下路堤壓縮沉降0.0～3.0mm，平均1.7mm，占基床以下路堤總厚度2.3m的0.74‰。

2）堆載預(yù)壓條件下的沉降觀測結(jié)果表明，路基本體壓縮沉降在路基填筑完成后3個月時間內(nèi)已經(jīng)完成，其工后沉降基本為零。說明采用5%的水泥改良黃土填筑基床底層、8%的石灰改良黃土填筑基床以下路堤的路基填筑方案完全能滿足高速鐵路對路基工后沉降的控制要求。

3）堆載預(yù)壓條件下，路基本體的壓縮沉降量為0.0～5.0mm，沿縱向比較而言，路基本體的壓縮沉降量雖然在不同區(qū)段存在一些差異，但總的來說，路基本體的壓縮變形還是比較均勻的，由此說明路基沿縱向的壓實度是基本一致的。

3 結(jié)論

1）黃土摻入石灰或水泥后，塑限有所降低，而液限和塑性指數(shù)較素土有所增大。

2）28d齡期3%、5%、7%、9%四種摻量石灰改良黃土的無側(cè)限抗壓強度為371.2～577.2kPa；28d齡期3%、5%、7%三種摻量水泥改良黃土的無側(cè)限抗壓強度為1060.8～1937kPa。無側(cè)限抗壓強度隨摻量增加而增大，隨齡期增加而增大。

3）對比無側(cè)限抗壓強度試驗、壓實試驗與干濕循環(huán)試驗的結(jié)果來看，相同摻量的水泥改良黃土均較石灰改良黃土的工程性質(zhì)好。

4）堆載預(yù)壓條件下，路基填筑完成后3個月，路基本體的總壓縮沉降為0.0～5.0mm，平均為3.0mm，僅占路基填高的0.65‰。該沉降在3個月時間內(nèi)已經(jīng)完成，其工后沉降基本為零。說明采用5%的水泥改良黃土填筑基床底層、8%的石灰改良黃土填筑基床以下路堤的路基填筑方案完全能滿足高速鐵路對路基工后沉降的控制要求。

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[3] 屈耀輝，武小鵬，米維軍，等.黃土區(qū)高速鐵路擠密樁地基沉降控制效果研究[J].鐵道工程學(xué)報，2011(9)：31-35.

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[5] TB10621-2009，高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S].北京:中國鐵道出版社,2009.

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[8] 王光勇.武廣客運專線路基沉降監(jiān)測系統(tǒng)與沉降預(yù)測[J].鐵道工程學(xué)報,2009(5):5-7,15.

U213.1

國家科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項資金項目（編號：2010EG123210）；鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目（編號：2005K001-B-2）