石灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)紅層泥巖力學(xué)特性影響

摘要：為研究紅層泥巖石灰改良土作為路基基床填料的可行性，通過對(duì)不同石灰摻比、不同養(yǎng)護(hù)齡期的紅層泥巖石灰改良試樣進(jìn)行了低圍壓不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)探究其力學(xué)特性。研究表明：石灰改良試樣的強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長而增大，前期增長迅速，后期增長緩慢；摻入石灰后，填料強(qiáng)度和剛度都顯著提高，尤其對(duì)于紅層泥巖石灰改良飽和試樣，其強(qiáng)度約增長5倍，顯著改善了水對(duì)紅層泥巖軟化的現(xiàn)象，可滿足高速鐵路路基基床填料強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：紅層泥巖; 石灰改良; 低圍壓三軸；軟化特性

中圖分類號(hào)：TU435文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

我國紅層泥巖廣泛分布于華東、華北、西南、西北、東北及中南等地區(qū)，西南地區(qū)紅層泥巖分布面積達(dá)到27萬km2， 約占整個(gè)西南地區(qū)總面積的11%［1］。根據(jù)國家對(duì)西南地區(qū)的鐵路工程的建設(shè)需求，紅層泥巖是在西南地區(qū)進(jìn)行路基修筑過程中無法避免的一種巖土體。西南地區(qū)紅層泥巖是一種含有伊利石和高嶺石等親水性礦物成分，且受斷裂帶影響的具有多裂隙和易崩解的高液限泥巖，工程性質(zhì)較差，主要表現(xiàn)為浸水后強(qiáng)度降低，水穩(wěn)性差，易崩解，并且具有一定的膨脹性和流變性［2-5］。考慮到天然的優(yōu)質(zhì)材料在西南地區(qū)的稀缺性，如果將開挖后紅層泥巖當(dāng)成廢料處理將會(huì)急劇增加工程造價(jià)并污染環(huán)境，因此采用廣泛分布的紅層泥巖及其改良土作為回填材料代替A、B組優(yōu)質(zhì)填料對(duì)高速鐵路建設(shè)具有重要意義。

既有研究表明：崩解壓實(shí)后的紅層泥巖素土作為路基本體填料的適用性已在遂寧線、達(dá)成線中被證實(shí)［6］。但飽和狀態(tài)下紅層泥巖工程性能劣化嚴(yán)重，割線模量大幅降低［7］，且壓實(shí)后的紅層泥巖浸潤后任會(huì)有較大的軟化，并有一定的膨脹性［8］，易誘發(fā)工程病害，所以在降雨量較大的西南地區(qū)對(duì)紅層泥巖進(jìn)行化學(xué)改良以作為高速鐵路路基填料很有必要。

本文選取四川成都天府新區(qū)全風(fēng)化紅層泥巖作為研究對(duì)象，對(duì)紅層泥巖進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，依據(jù)最大干密度和最優(yōu)含水率制備不同石灰摻比和養(yǎng)護(hù)齡期的石灰改良紅層泥巖試樣，采用5 kPa圍壓模擬路基基床淺層土樣的應(yīng)力狀態(tài)［9-10］，進(jìn)行低圍壓不固結(jié)不排水（UU）三軸剪切試驗(yàn)，討論上述條件對(duì)紅層泥巖石灰改良土的強(qiáng)度、剛度的影響，研究結(jié)果可為紅層泥巖地帶的高速鐵路路基填料設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用紅層泥巖材料取自四川成都天府新區(qū)巖塊呈棕紅/紫紅色，巖體結(jié)構(gòu)已全部破壞，回旋鉆進(jìn)極易，用手易捏碎，天然含水率為21.2%。試驗(yàn)均按照TB 10102-2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用馬爾文激光粒度儀測定紅層泥巖顆粒級(jí)配如圖1所示，其余紅層泥巖基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2試驗(yàn)方法與方案

根據(jù)TB10001-2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，路基填筑時(shí)壓實(shí)度須達(dá)到95%以上，設(shè)置試樣干密度為1.90 g/cm3，最優(yōu)含水率8.7%。由Brooker［10］經(jīng)驗(yàn)公式取土側(cè)壓力系數(shù)為0.42，根據(jù)聶如松［11］計(jì)算道床上覆靜荷載為16 kPa，最終采用5 kPa圍壓模擬路基基床淺層應(yīng)力狀態(tài)。為探究石灰摻量、含水率、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改良效果的影響，設(shè)置如表2 試驗(yàn)方案。本試驗(yàn)在GDS三軸儀上完成，試樣為高度76 mm，直徑38 mm的圓柱體，初始時(shí)加5kPa圍壓使橡膠膜與試樣密貼，加載速率設(shè)置為1 kPa/min。

3結(jié)果分析

3.1養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)石灰改良土強(qiáng)度的影響

由圖2可知，隨著齡期的增加，石灰改良土的抗壓強(qiáng)度增加，前期強(qiáng)度迅速增長，7天養(yǎng)護(hù)齡期的試樣的抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到28天齡期時(shí)強(qiáng)度的95%以上，后期隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，其抗壓強(qiáng)度增長速度明顯放緩，強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。建筑設(shè)備與建筑材料余禎： 石灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)紅層泥巖力學(xué)特性影響

3.2摻量對(duì)石灰改良土強(qiáng)度的影響

由圖3、圖4有，最優(yōu)含水率下試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著石灰摻量增加而增加，摻量為2%、4%、6%、8%的石灰改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較素土強(qiáng)度分別增長35%、74%、93%、154%。對(duì)于素土和改良土，飽和樣強(qiáng)度相較于最優(yōu)含水率狀態(tài)試樣強(qiáng)度均有所下降，素土飽和樣強(qiáng)度下降70%左右，不同石灰摻量改良土飽和樣的強(qiáng)度下降幅度均小于40%。飽和后的改良土強(qiáng)度下降幅度遠(yuǎn)低于素土強(qiáng)度下降幅度，同時(shí)飽和改良土強(qiáng)度仍具有較高的強(qiáng)度。說明紅層泥巖改良后，遇水軟化的不良工程特性得到改善。

3.3養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)石灰改良土剛度的影響

由圖5、圖6可見，石灰改良土的割線模量隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，石灰摻比為4%時(shí)，同等養(yǎng)護(hù)條件下，28天養(yǎng)護(hù)齡期的非飽和試樣0.01%應(yīng)變時(shí)割線模量是1天的1.8倍，對(duì)于飽和試樣，28天養(yǎng)護(hù)齡期的0.01%應(yīng)變時(shí)的割線模量僅是1天的1.2倍，水對(duì)試樣的軟化作用不僅體現(xiàn)在降低素土的模量上，也體現(xiàn)在降低石灰的改良效果上。在最優(yōu)含水率下，剛度劇烈衰減階段在1%左右應(yīng)變開始，但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，剛度劇烈衰減階段提前，說明隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，試樣脆性增強(qiáng)。

3.4摻量對(duì)石灰改良土剛度的影響

由圖7、圖8可見，石灰改良土的割線模量隨著摻量的增加而增大，2%石灰0.1%應(yīng)變時(shí)割線模量可達(dá)到素土的2倍，但隨著摻量的繼續(xù)增加，0.1%應(yīng)變時(shí)割線模量的增長并不明顯，非飽和8%石灰0.1%應(yīng)變時(shí)割線模量僅為2%石灰的1.3倍，飽和狀態(tài)下僅剩1.1倍，施工時(shí)采用4%石灰摻量即可取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4結(jié)論

本文通過對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期和摻量的紅層泥巖改良填料進(jìn)行室內(nèi)低圍壓三軸UU剪切試驗(yàn)分析，得到以下結(jié)論：

（1）隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加改良土強(qiáng)度增長，具有前期強(qiáng)度增長迅速，后期增長緩慢的趨勢，養(yǎng)護(hù)齡期為7天時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了28天齡期時(shí)強(qiáng)度的97%。

（2）隨著摻量的增加改良土割線模量增長，但增長速度明顯減緩，飽和8%石灰0.1%應(yīng)變時(shí)割線模量僅為2%石灰的1.1倍，所以施工時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)效益可選用較小摻量。

（3）石灰改良試樣較同等條件下素土試樣強(qiáng)度和剛度都有明顯的提升，尤其對(duì)于紅層泥巖石灰改良飽和試樣，其強(qiáng)度約增長5倍，顯著改善了水對(duì)紅層泥巖軟化的現(xiàn)象，可滿足高速鐵路路基基床填料強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)

［1］郭永春，謝強(qiáng)，文江泉.我國紅層分布特征及主要工程地質(zhì)問題［J］.水文地質(zhì)工程地 質(zhì)，2007（6）：67-71.

［2］Zhang Shuai， Xu Qiang， Hu Zeming. Effects of rainwater softening on red mudstone of deep-seated landslide， Southwest China［J］. Engineering Geology， 2016， 204.

［3］Wen Bao-Ping， He Lei. Influence of lixiviation by irrigation water on residual shear strength of weathered red mudstone in Northwest China： Implication for its role in landslides' reactivation［J］. Engineering Geology， 2012， 151.

［4］張永安，李峰，陳軍. 紅層泥巖水巖作用特征研究［J］. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2008（1）： 22-26.

［5］張志敏，高文華，張宗堂. 荷載-水化耦合下紅層泥巖的變形特性［J］. 長江科學(xué)院院報(bào)， 2019， 36（6）： 68-72.

［6］孔祥輝，蔣關(guān)魯，鄒祖銀. 循環(huán)荷載下紅層泥巖的動(dòng)力特性及路用性能研究［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2013， 32（9）： 1813-1819.

［7］劉俊新，劉育田，邱恩喜. 非飽和紅層路堤沉降理論與應(yīng)用研究［J］. 巖土力學(xué)， 2010， 31（1）： 217-222.

［8］Zhang Chonglei， Jiang Guanlu， Olivier Buzzi， Su Lijun. Full-scale model testing on the dynamic behaviour of weathered red mudstone subgrade under railway cyclic loading［J］. Soils and Foundations， 2019， 59（2）.

［9］Elmer W Brooker，Herbert O Ireland. Earth Pressures at Rest Related to Stress History［J］. NRC Research Press Ottawa， Canada，1965，2（1）：

［10］聶如松，董俊利，程龍虎，等. 重載鐵路基床填料低圍壓靜三軸試驗(yàn)研究［J］. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2019， 16（11）： 2707-2715.

［作者簡介］余禎（1998—），女，碩士，研究方向?yàn)榈缆放c鐵道設(shè)計(jì)。