辽宁泥质砂岩膨胀特性及水泥改良试验研究

近年来，中国的高速铁路建造技术通过不断地改进和创新已经走到了世界前列。在高速铁路设计建造中，对于铁路路基的要求较普通铁路也更为严格。TB 10621—2014《高速铁路设计规范》规定，基床底层应采用A,B组填料或改良土。当线路经过膨胀土地区时，在缺乏A,B组填料的情况下往往会考虑对膨胀土进行改良，使其膨胀性满足铁路路基要求，以用作铁路路基的填筑。京沈高速铁路辽西地区侏罗系基岩风化层中存在大量泥质砂岩，存在不同程度的膨胀性，当地符合要求的路基填料较少，影响填料的取用，因此对其开展试验研究。

膨胀土工程特性及改良方面的研究已经取得了许多的成果[1-5]。肖杰等[6]、查甫生等[7]研究了水泥石灰、石灰粉煤灰等复合改良剂对膨胀土的化学改良作用。陈涛等[8]对石灰、水泥和粉煤灰对膨胀土的改良效果进行了对比试验。唐云伟等[9]研究了水泥掺量以及养护龄期对改良膨胀土无侧限抗压强度的影响规律，研究表明无侧限抗压强度主要来自于前14 d 的养护并建议水泥掺量控制在7%左右。李朝辉等[10]通过 1∶1高速铁路路堤模型系列试验，指出利用水泥改良后，路堤的膨胀土的胀缩变形特征能够得到消除，基本隔绝外部水分的入渗，保证了路堤边坡良好的稳定性。颜胜才[11]研究表明水泥掺量对水泥改良土水稳定性的影响及养护龄期对其强度的影响均很显著，检测时间对其地基系数测试结果影响最大，建议高速铁路路基水泥改良土的水泥掺量不小于3%。陈乐求等[12]进行了泥质板岩粗颗粒土静动力试验，并指出改良后的泥质板岩粗粒土的循环动强度、刚度显著提高，黏聚力显著增强，而内摩擦角变化不大。史卫国等[13]研究表明黏性土中掺入 3%～7%水泥改良后，能有效改善其颗粒级配、塑限、液限、压缩性等指标，且其力学强度和水稳性大大提高。Sireesh等[14]研究了用水泥稳定含有有机土的膨胀性土的行为机制。Amu等[15]研究了用水泥和粉煤灰组合稳定膨胀黏土的潜力。

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综上所述，水泥对膨胀土的膨胀性具有显著的抑制作用，是一种良好的膨胀土改良剂。目前对辽西地区泥质砂岩的膨胀性研究成果较少，为了使辽西地区高速铁路沿线膨胀性泥质砂岩能够用于高速铁路路基填筑，本文对泥质砂岩填料的适用性进行研究，研究成果将为高速铁路路基施工提供指导。

1 泥质砂岩的膨胀特性

为了解辽西地区高速铁路沿线泥质砂岩的膨胀特性，对其进行了击实试验、筛析试验和膨胀特性试验。

1.1 击实试验

击实试验主要是为了研究土体在一定击实功率的条件下其含水率与干密度之间的关系。泥质砂岩的击实试验依照TB 10102—2010《铁路工程土工试验规程》采用重型击实，击实筒为大击实筒(筒径为152 mm，筒高166 mm)，分3层击实，每层56击。试验结果及击实曲线分别见表1和图1。

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表1 泥质砂岩击实试验结果

含水率/%质量/kg套筒+土套筒土干密度/(g·cm-3)188.7214.4664.2551.714208.8294.4664.3631.728228.8104.4664.3441.692248.7374.4664.2711.637

图1 泥质砂岩击实曲线

由表1及图1可以得到泥质砂岩的最大干密度为1.728 g/cm3，对应的最优含水率为19.8%。

1.2 颗粒分析试验

在击实试验中通过观察发现，京沈高速铁路辽宁段的泥质砂岩中含有大量的细黏土，具有较强的黏聚性。根据TB 10102—2010采用了水筛法对其进行颗粒分析。由于粒径小于0.075 mm的试样质量超过试样总质量的10%，故需采用密度计法或移液管法测定粒径小于0.075 mm的颗粒组成。试验数据及结果见表2、表3、表4和图2。可知，泥质砂岩绝大部分的颗粒粒径在小于0.075 mm范围内，由此可以得出泥质砂岩颗粒大部分都是由粒径小于0.075 mm的土颗粒黏聚而成，也进一步说明泥质砂岩的黏聚现象十分显著，存在大量的聚集体，这也是泥质砂岩具有膨胀性的重要因素之一。

表2 水筛法颗粒分析试验结果

孔径/mm筛上土质量/g小于该孔径土质量/g小于该粒径颗粒百分比/%2001000100.0101798398.351696796.72.01894994.92.01894994.91.0794294.20.53191191.10.252588688.60.0757980780.7

表3 密度计法颗粒分析试验结果

下沉时间t/min悬液温度T/℃密度计读数Rm温度校正系数mt分散剂校正值CD刻度及弯月面校正n水的动力黏滞系数η/(10-6kPa·s)T℃时水的相对密度土粒沉降落距L/cm粒径计算系数K土粒直径d/mm小于对应孔径的总土质量百分数/%0.516.537.0-0.91.32.061.1010.998810.230.10890.063658.4116.531.0-0.91.32.061.1010.998811.090.10890.046848.9516.523.8-0.91.32.061.1010.998812.120.10890.021937.51516.518.2-0.91.32.061.1010.998812.910.10890.013128.63016.515.3-0.91.32.061.1010.998813.330.10890.009424.06016.513.0-0.91.32.061.1010.998813.660.10890.006720.412016.511.0-0.91.32.061.1010.998813.940.10890.004817.2144016.56.3-0.91.32.061.1010.998814.610.10890.00149.8

表4 泥质砂岩水筛法级配情况

有效粒径d10/mm粒径级配曲线上纵坐标为30%所对应的粒径d30/mm限定粒径d60/mm不均匀系数Cu曲率系数Cc级配情况0.00140.01340.0645.42.0级配良好

图2 泥质砂岩水筛法级配曲线

1.3 膨胀特性试验

泥质砂岩膨胀特性先通过自由膨胀率试验初步对其膨胀性进行判断，称取100 g风干试样，碾碎并剔除石子结核之后过0.5 mm筛，在105～110 ℃的温度下烘干8 h。通过量土杯量取试样倒入量筒搅拌，最终得到50 mL悬液。待悬液澄清之后每隔2 h记1次土面读数，直至2次读数差值小于0.2 mL停止读数。试验结果见表5。可以看到泥质砂岩的自由膨胀率为51.0%，具有较强膨胀性。

在自由膨胀基础上又进行了有侧限条件下泥质砂岩的无荷膨胀率试验。分2组试验，每组2个试样。2组试验压实度分别为95%和90%，试验结果取每组的平均值，见图3。

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表5 泥质砂岩自由膨胀率试验结果

初始值/mm稳定值/mm均值/mm自由膨胀率/%15.810.015.215.1051.015.0

图3 不同压实度泥质砂岩膨胀率

由图3可知，在压实度95%和90%的压实条件下泥质砂岩稳定后膨胀率分别维持在16.183%和15.349%;而且泥质砂岩的膨胀在前期短时间内陡增，对水敏感性强烈。这说明泥质砂岩具有较强的膨胀性，不宜用于对变形要求严格的高速铁路无砟轨道路基填料，需要进行改良。

2 泥质砂岩的水泥改良

2.1 水泥改良土膨胀性试验

通过查阅相关文献资料[6-15]，总结众多水泥改良土的最佳掺量，在确定泥质砂岩最优掺量时设置了4个比例，即2%，4%，6%，8%。水泥改良土膨胀性试验结果见图4。可知，随着水泥掺量的增加，泥质砂岩改良土的膨胀率明显降低。在水泥掺量为6%附近时膨胀率最小，掺量达到8%时膨胀率反而增加，说明以膨胀率控制时泥质砂岩中水泥的最优掺量在6%左右。

1954 年国际标准化组织提出《舒适热环境条件——表明热舒适程度的PMV和PPD指标》(BS EN ISO 7730)，对PMV及PPD推荐取值为：PPD ≤10%， 即允许有10%的人感到不满意，此时对应的 PMV 在-0.5～+0.5之间.从图7可以看出，该办公区域PMV值在-0.5～+0.5之间，介于微凉和微暖，热感觉适中，符合相关规定，能够为办公人员提供一个合理、舒适的办公环境.

图4 水泥改良土膨胀率与时间关系曲线

2.2 水泥改良土直剪试验

图5 不同压实度时水泥改良土直剪曲线

在直剪试验中，按照0%，6%，9%，12%的水泥掺量进行试验。图5为2种压实度下改良土不同水泥掺量的直剪试验结果。可知，水泥的掺入能够在一定程度上提高改良土的抗剪强度，且随着水泥掺量的增加，改良土强度也随之增加。这可能是由于随着水泥掺量的增加，其在土体内的凝结硬化作用越明显，土体的强度也越高。此外，压实度较大时，水泥掺量变化对改良土的强度影响变小。

2.3 最佳掺灰比击实试验

依据水泥改良土的膨胀性试验和强度试验，推荐水泥改良土的最佳掺量为6%。对水泥掺量6%的改良土进行击实试验，其击实曲线见图6。可知，其最佳含水率21.2%，最大干密度1.673 g/cm3。相比于原状土，最佳含水率增加而最大干密度降低。

图6 水泥掺量6%的改良土击实曲线

3 结论

1)泥质砂岩大部分由颗粒粒径小于0.075 mm的黏土颗粒组成，对水的作用极为敏感，具有较强的膨胀性，故其不能满足高速铁路路基的变形要求。

2)在对泥质砂岩掺入水泥进行改良之后取得了良好的改良效果。当水泥掺量为6%时膨胀率达到最低，低于0.3%，故认为泥质砂岩最佳水泥掺量为6%。

3)水泥有效地改善了泥质砂岩的力学变形特性，使其具有较高的强度和较好的水稳定性。经过改良之后的泥质砂岩在A,B组填料不足的情况下可以应用于高速铁路路基基床底层及以下区域的填筑，节约修建成本。

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参考文献

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