嚴寒地區風積沙改良設計及改良土抗壓強度研究

姜勇軍 中鐵二十四局集團南昌鐵路工程有限公司

風積沙，又稱沙漠沙，是沙被風沙流搬移到沖積平原地區形成沙丘而產生的，屬第四紀風積物。我國沙漠面積約為71.29×104km2，占全國總面積的7.4%左右，主要分布于新疆、內蒙古、青海等地。沙漠地區修筑線路工程一般依據就地取材原則，取風積沙為原料進行路堤填筑。

1.工程概況

新通客專（新建通遼至京沈高鐵新民北站客運專線）項目自京沈客專新民北站引出，經阜新市境內的彰武站、章古臺站（預留車站）以及通遼市境內的甘旗卡、木里圖引入通遼站，經新民北站引入京沈高鐵，匯入全國高鐵網，是內蒙第一條連接外部的高鐵。新通客專沿線普通填料匱乏，結合現場實際情況，采用風積沙摻加水泥進行改良，嚴寒地區大面積水泥改良風積沙填筑在國內尚屬首例，無可借鑒的經驗，通過在不斷的摸索試驗過程中總結出了一套行之有效的辦法，并取得了很好的質量效果，保證了高鐵路基填筑質量。但是，整體造價費用高、施工工序相對復雜、人工養護費用高，因此，在經濟比選且符合相關規范要求的前提下，通過不同配比的填料改良，達到我們既經濟又實用的目的。

2.實驗設計

2.1 實驗材料

本次實驗所采用的風積沙取自內蒙古通遼市科爾沁區甘旗卡鎮沙地，中鐵二十四局新通客專TLSG-3標鐵路堤施工項目段附近，該區域地勢較平坦，局部有起伏，主要分布固定沙丘、半固定沙丘以及沙地等，植被覆蓋一般?，F場取樣的沙經去除雜質后烘干冷卻，測得其所含主要礦物為石英，并含有少量的斜長石和鉀長石。根據室內顆分實驗計算獲得風積沙的不均勻系數和曲率系數分別為2.1和0.92；其不均勻系數Cu＜5，曲率系數Cc＜1，說明該地區風積沙顆粒較均勻，屬不良級配土，一般情況下，不能直接用于高等級鐵路路堤填筑。

本文采用水泥和粘土作為外摻劑對天然風積沙進行改良，實驗所用粘土采自距工程場地現場約30km外的取土場，天然含水率約為8.8%，液性指數和塑性指數分別為-0.59、10.19。實驗所用的水泥為普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5，比表面積348m2/kg，標準稠度25.4%，初凝時間177min，終凝時間209min。

2.2 實驗方案

選取三種實驗材料進行配比設計，配比方案見表1。將不同配比的實驗材料進行室內擊實實驗，并在最優含水率的情況下制成15×15×15cm的立方體和φ40×80mm的圓柱體試樣。每種規格的試件分別制備4組，每組3個試樣。

將制備好的試樣在恒溫恒濕箱中養護7d后，再在室內環境養護至28d；然后按照規范要求進行單軸抗壓強度實驗。

表1 風積沙改良土配比

3.實驗結果與分析

3.1 風積沙改良土水泥含量與單軸抗壓強度關系

當粘土含量相同時，改變水泥的配比，測得各試樣的單軸抗壓強度實驗結果如圖1所示，四種配比試樣的曲線近似呈“S”型，即前段為“上凹”曲線，表明試樣處于孔隙壓密階段，隨著水泥含量的不斷增加，該階段的切線彈性模量不斷增加；中間部分是直線，表明試樣處于彈性變形階段；隨著荷載的不斷增加，應力應變曲線呈“下凹”，試樣內部薄弱面不斷產生，在外力的作用下破裂面增大加寬，延伸至整個試件，試樣破壞，試件在單軸壓力作用下的破壞形式為拉張破壞。另外，根據不同水泥配比風積沙改良土的應力-應變曲線還可發現，隨著水泥含量的增加，試樣應力-應變曲線直線段的斜率逐漸變大，說明試樣的彈性模量隨水泥含量增加而變大。

當風積沙改良土中粘土含量為10%時，隨著水泥含量增加，風積沙改良土的單軸抗壓強度逐漸增加；當水泥含量低于5%時，單軸抗壓強度隨水泥含量增加較快，而水泥含量超過5%時，單軸抗壓強度隨水泥含量增加相對較慢。

3.2 風積沙改良土粘土含量與單軸抗壓強度關系

通過實驗，選取四種不同配比，分別為5%水泥、5%水泥+5%黏土、5%水泥+10%黏土、5%水泥+15%黏土，四種不同粘土配比試樣的應力-應變曲線，與圖1相似，應力-應變曲線也近似呈“S”型，但是，總體上試樣的孔隙壓密階段表現并不明顯，可見粘土含量在一定范圍內時，可填充風積沙顆粒與顆粒之間、水化反應生成膠結物與風積沙顆粒之間的空隙，使試樣處于較緊密的狀態。另外，從實驗得出，應力-應變曲線直線段斜率隨粘土含量增加而變小，說明粘土含量的增加減小了風積沙改良土的彈性模量。

圖1 不同水泥配比風積沙改良土的應力-應變曲線

通過實驗對比，我們得出風積沙改良土試樣的單軸限抗壓強度與粘土的摻入量關系為：隨著粘土含量的增加，試樣的單軸限抗壓強度呈現先增大后減小的趨勢，在粘土摻量達到10%時，單軸限抗壓強度達到最大值871.07kPa；當粘土含量繼續增加時，試樣的單軸限抗壓強度開始減小。同時，粘土含量的增加對風積沙改良土的峰值應變有較大影響，且隨著粘土含量的增加，峰值微應變呈指數增加。說明隨著粘土摻入量的增加，風積沙改良土的延性不斷增強。

4.結束語

本文以內蒙古自治區科爾沁沙地風積沙為研究對象，以水泥和粘土外摻劑，設計不同的風積沙改良土配比方案，對不同配比的風積沙改良性土試樣進行單軸抗壓強度試驗，研究不同配比風積沙改良土的強度變化規律，為風積沙改良土的優化配比方案設計提供試驗依據，并得出了以下主要結論：

（1）水泥能夠明顯的提高風積沙的抗壓強度，而且隨著的水泥摻量的增加，風積沙改良土的單軸抗壓強度明顯提高，同時，改良土的彈性模量逐漸增大，其脆性也逐漸增大。

（2）風積沙摻水泥后，適當地摻入粘土亦能增加風積沙改良土的抗壓強度；當水泥含量不變時，隨著粘土含量的增加，試樣的單軸限抗壓強度呈現先增大后減小的趨勢；另外，隨粘土含量增加，改良土的彈性模量逐漸減小，其延性逐漸增大。

（3）綜合實驗結果，5%水泥+10%粘土配比的風積沙改良土試樣具有最高的抗壓強度，同時具有較好的延性，建議作為新建通遼至京沈高鐵新民北站客運專線風積沙改良配比方案。