遼寧泥質砂巖膨脹特性及水泥改良試驗研究

張立偉，楊果林，劉 歡，段君義，周胡波

(1.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

近年來，中國的高速鐵路建造技術通過不斷地改進和創新已經走到了世界前列。在高速鐵路設計建造中，對于鐵路路基的要求較普通鐵路也更為嚴格。TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》規定，基床底層應采用A,B組填料或改良土。當線路經過膨脹土地區時，在缺乏A,B組填料的情況下往往會考慮對膨脹土進行改良，使其膨脹性滿足鐵路路基要求，以用作鐵路路基的填筑。京沈高速鐵路遼西地區侏羅系基巖風化層中存在大量泥質砂巖，存在不同程度的膨脹性，當地符合要求的路基填料較少，影響填料的取用，因此對其開展試驗研究。

綜上所述，水泥對膨脹土的膨脹性具有顯著的抑制作用，是一種良好的膨脹土改良劑。目前對遼西地區泥質砂巖的膨脹性研究成果較少，為了使遼西地區高速鐵路沿線膨脹性泥質砂巖能夠用于高速鐵路路基填筑，本文對泥質砂巖填料的適用性進行研究，研究成果將為高速鐵路路基施工提供指導。

1 泥質砂巖的膨脹特性

為了解遼西地區高速鐵路沿線泥質砂巖的膨脹特性，對其進行了擊實試驗、篩析試驗和膨脹特性試驗。

1.1 擊實試驗

擊實試驗主要是為了研究土體在一定擊實功率的條件下其含水率與干密度之間的關系。泥質砂巖的擊實試驗依照TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規程》采用重型擊實，擊實筒為大擊實筒(筒徑為152 mm，筒高166 mm)，分3層擊實，每層56擊。試驗結果及擊實曲線分別見表1和圖1。

表1 泥質砂巖擊實試驗結果

圖1 泥質砂巖擊實曲線

由表1及圖1可以得到泥質砂巖的最大干密度為1.728 g/cm3，對應的最優含水率為19.8%。

1.2 顆粒分析試驗

在擊實試驗中通過觀察發現，京沈高速鐵路遼寧段的泥質砂巖中含有大量的細黏土，具有較強的黏聚性。根據TB 10102—2010采用了水篩法對其進行顆粒分析。由于粒徑小于0.075 mm的試樣質量超過試樣總質量的10%，故需采用密度計法或移液管法測定粒徑小于0.075 mm的顆粒組成。試驗數據及結果見表2、表3、表4和圖2。可知，泥質砂巖絕大部分的顆粒粒徑在小于0.075 mm范圍內，由此可以得出泥質砂巖顆粒大部分都是由粒徑小于0.075 mm的土顆粒黏聚而成，也進一步說明泥質砂巖的黏聚現象十分顯著，存在大量的聚集體，這也是泥質砂巖具有膨脹性的重要因素之一。

表2 水篩法顆粒分析試驗結果

表3 密度計法顆粒分析試驗結果

表4 泥質砂巖水篩法級配情況

圖2 泥質砂巖水篩法級配曲線

1.3 膨脹特性試驗

泥質砂巖膨脹特性先通過自由膨脹率試驗初步對其膨脹性進行判斷，稱取100 g風干試樣，碾碎并剔除石子結核之后過0.5 mm篩，在105～110 ℃的溫度下烘干8 h。通過量土杯量取試樣倒入量筒攪拌，最終得到50 mL懸液。待懸液澄清之后每隔2 h記1次土面讀數，直至2次讀數差值小于0.2 mL停止讀數。試驗結果見表5。可以看到泥質砂巖的自由膨脹率為51.0%，具有較強膨脹性。

在自由膨脹基礎上又進行了有側限條件下泥質砂巖的無荷膨脹率試驗。分2組試驗，每組2個試樣。2組試驗壓實度分別為95%和90%，試驗結果取每組的平均值，見圖3。

表5 泥質砂巖自由膨脹率試驗結果

圖3 不同壓實度泥質砂巖膨脹率

由圖3可知，在壓實度95%和90%的壓實條件下泥質砂巖穩定后膨脹率分別維持在16.183%和15.349%;而且泥質砂巖的膨脹在前期短時間內陡增，對水敏感性強烈。這說明泥質砂巖具有較強的膨脹性，不宜用于對變形要求嚴格的高速鐵路無砟軌道路基填料，需要進行改良。

2 泥質砂巖的水泥改良

2.1 水泥改良土膨脹性試驗

通過查閱相關文獻資料[6-15]，總結眾多水泥改良土的最佳摻量，在確定泥質砂巖最優摻量時設置了4個比例，即2%，4%，6%，8%。水泥改良土膨脹性試驗結果見圖4。可知，隨著水泥摻量的增加，泥質砂巖改良土的膨脹率明顯降低。在水泥摻量為6%附近時膨脹率最小，摻量達到8%時膨脹率反而增加，說明以膨脹率控制時泥質砂巖中水泥的最優摻量在6%左右。

圖4 水泥改良土膨脹率與時間關系曲線

2.2 水泥改良土直剪試驗

圖5 不同壓實度時水泥改良土直剪曲線

在直剪試驗中，按照0%，6%，9%，12%的水泥摻量進行試驗。圖5為2種壓實度下改良土不同水泥摻量的直剪試驗結果。可知，水泥的摻入能夠在一定程度上提高改良土的抗剪強度，且隨著水泥摻量的增加，改良土強度也隨之增加。這可能是由于隨著水泥摻量的增加，其在土體內的凝結硬化作用越明顯，土體的強度也越高。此外，壓實度較大時，水泥摻量變化對改良土的強度影響變小。

2.3 最佳摻灰比擊實試驗

依據水泥改良土的膨脹性試驗和強度試驗，推薦水泥改良土的最佳摻量為6%。對水泥摻量6%的改良土進行擊實試驗，其擊實曲線見圖6。可知，其最佳含水率21.2%，最大干密度1.673 g/cm3。相比于原狀土，最佳含水率增加而最大干密度降低。

圖6 水泥摻量6%的改良土擊實曲線

3 結論

1)泥質砂巖大部分由顆粒粒徑小于0.075 mm的黏土顆粒組成，對水的作用極為敏感，具有較強的膨脹性，故其不能滿足高速鐵路路基的變形要求。

2)在對泥質砂巖摻入水泥進行改良之后取得了良好的改良效果。當水泥摻量為6%時膨脹率達到最低，低于0.3%，故認為泥質砂巖最佳水泥摻量為6%。

3)水泥有效地改善了泥質砂巖的力學變形特性，使其具有較高的強度和較好的水穩定性。經過改良之后的泥質砂巖在A,B組填料不足的情況下可以應用于高速鐵路路基基床底層及以下區域的填筑，節約修建成本。