唐玉龍

(中鐵一院集團(tuán)蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司,蘭州 730000)

1 概述

新建大塔——何家塔鐵路(以下簡(jiǎn)稱(chēng)大何線(xiàn)),地處內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯高原和庫(kù)布其沙漠東部過(guò)渡地帶,線(xiàn)路全長(zhǎng)140 km,按《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2005)[1]的國(guó)鐵Ⅰ級(jí)、重型軌道并考慮電氣化的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì),填料標(biāo)準(zhǔn)要求較高,基床強(qiáng)度及工后沉降控制較嚴(yán)。

該條線(xiàn)路自新包神鐵路大塔站疏解引出后沿庫(kù)布其沙漠邊緣的低山丘陵區(qū)向北行進(jìn)。根據(jù)沿線(xiàn)勘察情況,地表多分布厚度不等的第四系全新統(tǒng)風(fēng)積粉細(xì)砂,能符合填料要求的A、B組填料稀缺,如果完全依靠外運(yùn)合格填料,既不經(jīng)濟(jì),也不現(xiàn)實(shí)。而粉細(xì)砂由于其組成、結(jié)構(gòu)和物理狀態(tài)的特殊性,若直接作為路基填料,則路基整體穩(wěn)定性差,承載能力低。在一定條件下極易產(chǎn)生液化及出現(xiàn)水流沖蝕等病害,不能滿(mǎn)足鐵路基床填料設(shè)計(jì)要求。因此,在大何線(xiàn)設(shè)計(jì)中,提出對(duì)粉細(xì)砂填料進(jìn)行水泥改良,從而使其達(dá)到規(guī)范要求的填料標(biāo)準(zhǔn)。

影響水泥改良粉細(xì)砂填料強(qiáng)度的因素主要有水泥摻量、壓實(shí)度、養(yǎng)護(hù)齡期等。大何線(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)粉細(xì)砂進(jìn)行了不同水泥配比、不同壓實(shí)度和不同養(yǎng)護(hù)齡期下強(qiáng)度和穩(wěn)定性的室內(nèi)試驗(yàn)研究,得出了一些有益結(jié)論,解決了該線(xiàn)粉細(xì)砂進(jìn)行水泥改良的一大難題,并為工程地質(zhì)類(lèi)似地區(qū)鐵路路基填料的選擇提供了科學(xué)的指導(dǎo)和重要的參考。

2 粉細(xì)砂特性

風(fēng)積粉細(xì)砂天然容重較小,天然狀態(tài)下無(wú)黏性、無(wú)塑性,為磨圓度較好的單粒結(jié)構(gòu)。土體呈松散狀態(tài),粉黏粒(<0.05 mm)含量很少,顆粒組成多集中在0.25～0.074 mm,分選性一般,顆粒組成較單一、級(jí)配不良。由于粉黏粒的含量很少,風(fēng)積粉細(xì)砂的礦物成分以長(zhǎng)石、石英為主,SiO2的含量占55%～68%，因此風(fēng)積粉細(xì)砂的表面活性很低。另一方面,風(fēng)積粉細(xì)砂的滲透性能較好,滲透系數(shù)在10-3級(jí),毛細(xì)水上升高度小于1 m。圖1為大何線(xiàn)粉細(xì)砂土樣的顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 大何線(xiàn)粉細(xì)砂土樣的顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

大何線(xiàn)沿線(xiàn)地表厚度不等的第四系全新統(tǒng)風(fēng)積粉細(xì)砂顆粒分析結(jié)果顯示,粒徑0.5～0.25 mm的顆粒質(zhì)量占土樣質(zhì)量的17%,粒徑0.25～0.075 mm的顆粒質(zhì)量占土樣質(zhì)量的83%,故大于0.075 mm的土顆粒含量占土樣的總質(zhì)量超過(guò)了85%(圖1),得出不均勻系數(shù)為2.11,土體為均勻的土體,曲率系數(shù)為0.79,土體粒徑大小比較集中,根據(jù)我國(guó)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2005)[1]中的規(guī)定,為級(jí)配不良填料[2]。

風(fēng)積粉細(xì)砂只有非常低的黏聚力,內(nèi)摩擦角26°～35°,幾乎沒(méi)有黏聚性。壓實(shí)成形后抗剪強(qiáng)度很低,整體穩(wěn)定性較差。在地震、機(jī)器振動(dòng)、列車(chē)行駛、打樁以及爆破等動(dòng)力荷載(振動(dòng))作用下,粉細(xì)砂(特別是飽和粉細(xì)砂)表現(xiàn)出類(lèi)似液體性狀而完全失去承載能力的現(xiàn)象稱(chēng)為粉細(xì)砂的液化[4],形成噴砂冒水、震陷、滑塌、地基失穩(wěn)等災(zāi)害。其中又以地震引起的大面積甚至深層的粉細(xì)砂液化的危害性最大。因此,近年來(lái)粉細(xì)砂的振動(dòng)液化引起了國(guó)內(nèi)外工程界的普遍重視,成為工程設(shè)計(jì)中考慮的重要因素之一。

3 水泥改良粉細(xì)砂填料的特性

大何線(xiàn)選用水泥對(duì)粉細(xì)砂填料進(jìn)行改良,改良土的硬化和強(qiáng)度形成過(guò)程即為水泥的水化、碳酸化、凝結(jié)和硬化過(guò)程[3]。

(1)水化反應(yīng)

大何線(xiàn)沿線(xiàn)廣泛分布的粉細(xì)砂中主要含有SiO2,Al2O3,Fe2O3和少量鈣、鎂、鈉、鉀等氧化物,加入改良劑水泥以后,由于離子交換、吸附作用等一系列反應(yīng),使得大量的砂粒聚集成砂團(tuán),并形成水泥與粉細(xì)砂的鏈條狀結(jié)構(gòu),砂粒之間的空隙也被迅速封閉,水泥粉細(xì)砂形成堅(jiān)固的聯(lián)結(jié)。在水泥與粉細(xì)砂的水化反應(yīng)中,離子交換作用反應(yīng)過(guò)程較快,是水泥改良粉細(xì)砂填料早期強(qiáng)度形成的主要原因。

(2)碳酸化反應(yīng)

碳酸化反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是水泥水化物中的Ca(OH)2不斷吸收空氣中的CO2和水中的H2CO3而生成碳酸鈣的過(guò)程。碳酸化反應(yīng)中,由于砂粒固結(jié)起到了粗?；饔?從而提高了改良填料的整體強(qiáng)度。

(3)硬凝反應(yīng)

在水化反應(yīng)的過(guò)程中,水泥溶液析出大量的Ca2+與粉細(xì)砂礦物中的SiO2和Al2O3進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),生成不溶于水的穩(wěn)定結(jié)晶礦物,增大了水泥改良粉細(xì)砂的強(qiáng)度。

改良填料拌和后水泥分散于砂料顆粒的表面,由于粉細(xì)砂的單個(gè)顆粒的尺寸大于水泥顆粒,因此,水泥有可能全部或部分包裹單個(gè)砂顆粒,當(dāng)水泥凝結(jié)硬化時(shí),這些顆粒將膠結(jié)在一起,使粉細(xì)砂顆粒膠結(jié)成整體,硬化后具有較高且穩(wěn)定的強(qiáng)度。同時(shí)水泥與粉細(xì)砂中所含的活性硅、鋁發(fā)生反應(yīng),生成的含水硅鋁酸鹽結(jié)晶對(duì)砂顆粒亦有一定的膠結(jié)作用。

4 影響水泥改良粉細(xì)砂強(qiáng)度的主要因素

根據(jù)以上分析可知,利用水泥對(duì)粉細(xì)砂填料進(jìn)行改良后,在不同階段相繼發(fā)生水化、凝結(jié)和硬化反應(yīng),強(qiáng)度逐漸提高。根據(jù)水泥改良粉細(xì)砂強(qiáng)度的增長(zhǎng)機(jī)理可知,影響其填料強(qiáng)度的主要因素有水泥摻入量、壓實(shí)度、養(yǎng)護(hù)齡期等。

大何線(xiàn)粉細(xì)砂改良中,室內(nèi)試驗(yàn)選取了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)改良土的力學(xué)特性。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中,水泥改良粉細(xì)砂填料試樣采用圓柱體,測(cè)試在無(wú)側(cè)向壓力的條件下,抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度。把通過(guò)前期試驗(yàn)選定的不同摻和比的改良粉細(xì)砂制成的圓柱狀試樣(每組2個(gè)),在三軸儀上加荷試驗(yàn),測(cè)得水泥改良粉細(xì)砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)儀器為英制大型GDS三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)。試樣尺寸H×Φ=12.5×6.18 cm2。試驗(yàn)加荷速率為0.5 mm/min。試驗(yàn)中試樣破壞判定,若出現(xiàn)破裂面,則以產(chǎn)生破裂面作為破壞標(biāo)準(zhǔn),如不出現(xiàn)破裂面,則以試樣軸向應(yīng)變達(dá)15%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)[8]。

剪切強(qiáng)度試驗(yàn)中,將不同摻和比的拌和料制成直徑為3.8 cm,高7.8 cm圓柱狀的試樣(每組3個(gè)),采用不固結(jié)不排水剪,施加的圍壓分別為50、100、200 kPa進(jìn)行試驗(yàn),最后根據(jù)試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)得到抗剪強(qiáng)度指標(biāo)[8]。

4.1 水泥摻入量對(duì)水泥改良粉細(xì)砂強(qiáng)度的影響

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果分析,選取水泥摻量為5%、6%、7%的改良粉細(xì)砂進(jìn)行28 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖2為不同水泥摻量的粉細(xì)砂改良填料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值的柱形圖。由圖2可以看出,水泥改良粉細(xì)砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度由5%水泥摻量時(shí)的0.87 MPa增至7%水泥摻量時(shí)的1.32 MPa,隨水泥摻量的增大而增大,基本呈線(xiàn)性變化(線(xiàn)性擬合相關(guān)系數(shù)為R2=0.9993)。

圖2 不同水泥摻量粉細(xì)砂改良填料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖3為不同水泥摻量的粉細(xì)砂改良填料28 d齡期的黏聚力及內(nèi)摩擦角柱形圖。由圖3可以看出,水泥摻量變大時(shí),改良填料的內(nèi)摩擦角和黏聚力也隨之變大。水泥摻量由5%增至7%,其內(nèi)摩擦角由44.9°增至55.4°,黏聚力相對(duì)由167.8 kPa增至180.7 kPa。

圖3 不同水泥摻量粉細(xì)砂改良填料剪切強(qiáng)度

理論上,在粉細(xì)砂填料的礦物成分及物理力學(xué)性質(zhì)相同的情況下,水泥摻入量不同時(shí)水泥改良粉細(xì)砂的強(qiáng)度也是不同的[5]。但因施工條件有所差異,水泥改良粉細(xì)砂強(qiáng)度的增加值與水泥摻入量百分比不完全一致,但總體上呈上升趨勢(shì)。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,水泥的摻入量對(duì)水泥改良粉細(xì)砂早期強(qiáng)度的影響小于對(duì)后期強(qiáng)度的影響。粉細(xì)砂經(jīng)水泥改良后強(qiáng)度比天然填料提高很多。隨著水泥摻入量的提高,水泥改良粉細(xì)砂的強(qiáng)度也提高,但是水泥摻入量過(guò)高會(huì)提高改良成本,強(qiáng)度方面也會(huì)向脆性材料發(fā)展,因此,工程中水泥改良劑的配比一般控制在一定范圍內(nèi)。將不同齡期水泥改良粉細(xì)砂填料強(qiáng)度與水泥摻入比關(guān)系進(jìn)行回歸分析后得出,fcu,k=A(aw)B。其中,fcu,k為水泥改良粉細(xì)砂k天齡期的立方體抗壓強(qiáng)度；aw為水泥質(zhì)量摻入比；A,B均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)[6]。

4.2 壓實(shí)度對(duì)水泥改良粉細(xì)砂強(qiáng)度的影響

粉細(xì)砂與水泥進(jìn)行拌和后,水泥與粉細(xì)砂骨料之間的膠結(jié)程度受改良填料壓實(shí)度的直接影響。圖4為水泥改良粉細(xì)砂在壓實(shí)度分別為0.91、0.93、0.95時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度柱形圖。

圖4 不同壓實(shí)度的水泥改良粉細(xì)砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖4可以看出,壓實(shí)度為0.91時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值明顯小于壓實(shí)度為0.93和0.95時(shí)的值,差值分別為0.09 MPa和0.10 MPa。而壓實(shí)度為0.93和0.95時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度無(wú)多大變化,差值僅為0.01 MPa。

總體看來(lái),水泥改良粉細(xì)砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度逐漸變化的特性不太明顯,主要原因?yàn)楫?dāng)壓實(shí)度達(dá)到一定程度后,改良粉細(xì)砂的壓實(shí)度變化不再顯著,所引起的強(qiáng)度變化亦不明顯。

4.3 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥改良粉細(xì)砂強(qiáng)度的影響

水泥改良粉細(xì)砂的強(qiáng)度增長(zhǎng)需要一定時(shí)間,硬凝反應(yīng)過(guò)程一般需3個(gè)月才能完成。本次試驗(yàn)通過(guò)對(duì)水泥改良粉細(xì)砂試樣在0～28 d、28～60 d和60～90 d 3個(gè)時(shí)間段內(nèi)的強(qiáng)度增長(zhǎng)結(jié)果分析得出,在0～28 d之間的強(qiáng)度增長(zhǎng)最為顯著,起初增長(zhǎng)較快,以后隨著時(shí)間的增長(zhǎng)強(qiáng)度提高逐漸減緩[7]。

圖5 不同齡期的水泥改良粉細(xì)砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖5為水泥改良粉細(xì)砂填料分別在7、14、28 d養(yǎng)護(hù)齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度柱形圖。從圖中可以看出,水泥改良粉細(xì)砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)隨其養(yǎng)護(hù)齡期的變化較為明顯。14 d養(yǎng)護(hù)齡期較7 d養(yǎng)護(hù)齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大0.34 MPa,28 d養(yǎng)護(hù)齡期較14 d養(yǎng)護(hù)齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大0.18 MPa,其增長(zhǎng)幅度逐漸減小。

圖6為水泥改良粉細(xì)砂填料分別在0、7、14、28 d養(yǎng)護(hù)齡期下的內(nèi)摩擦角與黏聚力的柱形圖。從圖中可以看出,水泥改良粉細(xì)砂的內(nèi)摩擦角的增長(zhǎng)幅度隨其養(yǎng)護(hù)齡期的變化不明顯,其黏聚力在水泥初凝后有明顯增強(qiáng),后期增幅較為緩慢。

圖6 不同齡期的水泥改良粉細(xì)砂剪切強(qiáng)度

無(wú)論從無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度還是三軸剪切試驗(yàn)都能看出養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥改良粉細(xì)砂強(qiáng)度的影響較大,呈現(xiàn)出隨齡期逐漸增長(zhǎng)的特性,并且在0～7 d齡期內(nèi)強(qiáng)度增長(zhǎng)比較明顯,以后其強(qiáng)度增幅逐漸減小。

5 結(jié)論

(1)大何線(xiàn)沿線(xiàn)分布的第四系全新統(tǒng)風(fēng)積粉細(xì)砂顆粒粒徑0.5～0.25 mm的顆粒質(zhì)量占試樣質(zhì)量的17%,粒徑0.25～0.075 mm的顆粒質(zhì)量占試樣質(zhì)量的83%,不均勻系數(shù)為2.11,曲率系數(shù)為0.79,為級(jí)配不良填料。

(2)水泥及水泥與粉細(xì)砂中所含礦物質(zhì)的水化、碳酸化、凝結(jié)和硬化等反應(yīng)是水泥改良粉細(xì)砂填料強(qiáng)度形成的主要來(lái)源。

(3)影響水泥改良粉細(xì)砂填料強(qiáng)度的因素主要有水泥摻入量、壓實(shí)度、養(yǎng)護(hù)齡期等。

水泥改良粉細(xì)砂的強(qiáng)度,隨水泥摻入量的增加而逐漸提高,但水泥摻入量過(guò)高會(huì)提高改良成本,強(qiáng)度方面也會(huì)向脆性材料發(fā)展,大何線(xiàn)路基工程中改良土的水泥摻量建議值為5%。

水泥改良粉細(xì)砂填料的強(qiáng)度隨壓實(shí)度的增加而增大,但當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到0.93、0.95時(shí)強(qiáng)度變化較小,大何線(xiàn)改良土路基壓實(shí)度建議取值為0.93。

水泥改良粉細(xì)砂的強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)幅度在0～7 d之間較快,7～28 d之間逐漸減緩,工程建設(shè)中要根據(jù)實(shí)際承載力的設(shè)計(jì)要求合理選擇養(yǎng)護(hù)齡期。

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