全風化花崗巖路基填料改良試驗研究

蘇鈺欽 王芳 歐爾峰 馬路寒

1.蘭州交通大學 交通運輸學院，蘭州 730070；2.中國國家鐵路集團有限公司 工程管理中心，北京 100038；3.蘭州交通大學 土木工程學院，蘭州 730070；4.北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038

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

針對全風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化花崗巖路基填料CBR 試驗，發現砂可填充顆粒間空隙，增加土體密實度，CBR 值明顯提升。謝凱軍等［10］在京滬高速鐵路進行全風化花崗巖摻黏土、砂和碎石的改良試驗，發現黏土的摻入起不到改良效果，石灰、碎石的摻入均對填料工程性質有明顯改善。冉隆飛等［11］針對武廣客運專線全風化花崗巖，完成摻水泥和石灰的填料改良試驗，發現利用水泥改良早期強度上升快于利用石灰改良。劉東明［12］以莆永高速公路全風化花崗巖為研究對象進行填料改良試驗，結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化花崗巖路基填料改良試驗，認為水泥摻量達到4%的改良土可滿足路基上路堤部位的填筑，水泥摻量達到8%的改良土便可完全用于路基所有部位的填筑。

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

1 工程概況

海南環島高速鐵路設計速度達250 km/h。該高速鐵路主要穿越全風化花崗巖層，于典型工點DK105+230取3批全風化花崗巖試樣。

經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%），膠結物以游離氧化物為主。土體孔隙發育，由于是巖石風化后產物，該土體含有大量粗顆粒。顆粒級配曲線如圖1所示。

圖1 顆粒級配曲線

根據TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規程》，可計算得到1#、2#、3#土樣的不均勻系數Cu和曲率系數Cc，并開展土工試驗，得到全風化花崗巖的基本物理指標，見表1。

表1 土樣基本物理指標

由表1可知，全風化花崗巖顆粒變化范圍大，分布不均，屬于C、D 組細粒土。根據TB 10202—2002《鐵路路基施工規范》附錄B，該填料未達到高速鐵路路基填料要求，需進行改良。

2 全風化花崗巖改良試驗

考慮到海南地區缺乏石灰材料以及保護生態旅游的需求，采用當地P·O 42.5普通硅酸鹽水泥進行改良。水泥試驗檢測參數見表2。試驗時水泥摻量取0、4%、6%、8%。

表2 水泥試驗檢測參數

2.1 界限含水率試驗

開展3組試樣在土樣在不同摻量下的界限含水率試驗，得到土樣四種摻量下的液限、塑限和塑性指數，見圖2。可知：①試樣液限隨水泥摻量的升高表現出先增大后減小的變化規律。當水泥摻量從0 增至6%時，液限的增長幅度為2.4%～ 5.8%；當水泥摻量從6%增至8%時，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。當水泥摻量從0增至6%時，塑限的增長幅度為23.4%～ 31.8%；當水泥摻量從6%增至8%時，塑限的增長幅度為0.2%～1.8%，增長趨勢十分平緩。③塑性指數隨水泥摻量的增大而遞減，摻量達到8%后相比素土（摻量為0），塑性指數降低幅度為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 界限含水率對比曲線

2.2 重型沖擊試驗

為研究改良土的壓實特性，根據TB 10102—2010進行重型沖擊試驗。以1#土樣為例，試驗結果見圖3。土樣的最大干密度ρdmax、最優含水率ωopt與水泥摻量關系見表3。

圖3 1#土樣干密度與含水率關系曲線

表3 土樣重型擊實試驗結果

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

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

2.3 CBR試驗

CBR 試驗［11］測定試料貫入量與荷載強度的關系（即CBR 值），能測定填料浸水后強度。海南地區屬于熱帶季風氣候，降雨量大，填料常處于浸水狀態，開展浸水條件CBR 試驗尤為重要。在最優含水率條件下制成四種水泥摻量的試樣，擊實功設為2 659 kJ/m3，恒溫恒濕養護7 d，浸水養護4 d。以1#土樣為例，每種摻量取3組進行CBR試驗，結果見圖4。

圖4 1#土樣CBR試驗結果

由圖4 可知：貫入量隨壓力增長而表現出遞增規律。當貫入量小于2.5 mm 時，貫入量隨壓力的增大呈線性遞增趨勢；當貫入量超過2.5 mm 后，遞增趨勢漸緩。

根據TB 10102—2010中的計算方法得到CBR 值，CBR 值與水泥摻量關系曲線見圖5。可知：四種水泥摻量下土樣的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，當水泥摻量從0 增至4%、4%增至6%、6%增至8%時，CBR 值分別增長了1 200.0%、12.6%、18.4%。由此看出，水泥摻量對改良土CBR 值影響明顯，在全風化花崗巖素土中摻入水泥能有效提升水穩強度，改善路基的使用性能。

圖5 1#土樣CBR值與水泥摻量關系曲線

2.4 無側限抗壓強度試驗

根據TB 10102—2010，對素土和改良土浸水養護7、14、28 d，壓實度設為90%、98%，開展試驗測定無側限抗壓強度qu。以1#土樣為例，試驗結果見圖6。

圖6 1#土樣無側限抗壓強度試驗結果

由圖6 可知：全風化花崗巖的無側限抗壓強度qu較小，介于80～ 120 kPa。相比素土而言，摻量4%時，qu增長幅度達5～ 6 倍；水泥摻量6%時，qu增長幅度達7～ 8 倍。當養護齡期恒定時，qu隨著水泥摻量的增大表現出線性遞增規律；當水泥摻量恒定時，qu隨齡期的增大而遞增；當養護齡期和水泥摻量均保持恒定時，壓實度98%時qu高于壓實度90%時，這說明水泥摻量、壓實度和齡期的增大均促進qu的增強。改良土在水泥摻量為6%、8%的qu均大于500 kPa，滿足TB 10001—2016《鐵路路基設計規范》對基床及基床以下路基的要求；水泥摻量4%齡期7 d時qu小于500 kPa，無法用于基床表層。

2.5 回彈模量試驗

根據TB 10102—2010，在最佳含水率條件下制成四種水泥摻量的試樣，擊實功設為2 659 kJ/m3，恒溫恒濕養護7 d，浸水養護4 d，開展試驗測定回彈模量Ee。Ee與水泥摻量關系曲線見圖7。

圖7 回彈模量試驗結果

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

2.6 動三軸試驗

動三軸試驗以四種水泥摻量作為試驗控制條件，在最優含水率條件下制樣，壓實度設為90%，恒溫恒濕養護7 d，將動三軸加載頻率設為5 Hz，圍壓設為20 kPa，采取固結不排水的試驗方式，試驗得到累積變形εP與加載次數N的對數lgN的關系曲線。以1#土樣為例，試驗結果見圖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，曲線斜率逐漸增大，該曲線分為穩定、臨界和破壞三種類型，臨界動應力處于穩定型與臨界型之間應力范圍內。水泥摻量0、4%、6%、8%下的臨界動應力分別為30～ 34、132～ 162、139～ 169、145～ 175 kPa，平均值分別為32、147、154、160 kPa。當水泥摻量從0 增至4%時，臨界動應力增長幅度達359.3%，水泥摻量對臨界動應力影響顯著。

綜上，全風化花崗巖各項指標無法達到高速鐵路路基的技術要求，經摻入水泥改良后，工程性質得到顯著提升，當水泥摻量達到6%時，CBR 值增長幅度達13～ 14 倍，qu增長幅度達7～ 8 倍，Ee增長幅度達7～ 10倍，臨界動應力增長幅度達到3～ 4 倍。水泥摻量越高，成本造價越高，建議基床表層采用摻量6%的全風化花崗巖改良填料，基床底層及基床以下路基采用摻量4%的填料。

3 結論與建議

1）摻入水泥后，土體塑性指數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）當水泥摻量達到6%時，改良土CBR 值增長幅度達13～ 14 倍，無側限抗壓強度增長幅度達7～ 8 倍，回彈模量增長幅度達7～ 10 倍，臨界動應力增長幅度達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。