高速铁路路基填料试验

高速铁路路基填料改良的实验

           北京铁路建设集团有限公司     李国琪

    

摘要：在膨胀土中掺入一定数量的熟石灰，生石灰，水泥等形成的改良土，其性能有一定的改善，尤其以生石灰的改良效果最好。加入掺合料的改良土，其塑性指数减小，粘粒含量降低，膨胀性降低，强度提高，尤其是抗水性能有极大的改善。

关键词：高速铁路  路基  填料  改良  试验

1、概述

众所周知，铁路路基长期经受着列车动荷载的作用和水文气候变化的影响，特别是基床土为粘性土时，土质为不良土，极易形成基床病害，后患无穷。因此，在TBJ1—99《铁路路基设计规范》中对粘性土基床的土质规定了明确的标准，即“在年平均降水量大于500mm地区，其塑性指数不得大于12，液限不得大于32%”但是，在我国的不少地区，尤其是多雨地区，上述标准的粘性土常常并不多见，而一些高塑性，高液限的粘性土或膨胀土却分布很广。在此地区修筑铁路路基时，就必须采取适宜的施工方法对基床进行妥善处理，以便减少路基建成后产生的基床病害。

在建中的秦沈高速铁路及拟建中的京沪高速铁路要求比现行的铁路技术更高，特别是对路基的最终沉降量的控制更高，更严。要做到这一点，就必须保证路基填料的质量。而实际上线路所经好多路段的土质都具有弱裂隙土性质，按《铁路路基设计规范》要求属于D级填料，不能直接用于填筑路基，如果沿线砂源缺乏的话，路基填料的选择将十分困难。因此为了不打无把握之仗，为了适应铁路建设的更新改造，我们拟进行了填料改良优化试验，现仅就本次试验的室内方法和改良土的性质变化进行简要介绍。

2．室内试验方法

本次试验选用了熟石灰，生石灰，325#普通硅酸盐水泥作为掺合料，采用了3种配合比，分别为3%、5%、7%，并进行了同一配合比下，不同龄期的强度试验。试验项目为物理性，粒度分析，击实,湿化，无侧限抗压强度（不浸水，饱和），膨胀性等项目。

2. 1  制样的技术要求

2．1．1为了增加拌合效果和适应以上各试验项目的制样要求，扰动样均采用风干后碾碎，过0.5mm筛，再制成各种试件。

2．1．2生石灰在使用前进行洒水分解成粉状，过0.5mm筛后保存备用。

2．1．3配合比的百分数是指掺合料的重量占改良土总重量的百分率。如拟配5%的石灰土，即5（掺合料）：95（干土）重量比。掺合料一般采用烘干样，土宜采用风干状（一般根据所需干土重和风干含水量，计算出应称取的风干土重量）。

2．1．4  无侧限抗压强度试件制备采用压样法。

当掺合料是熟石灰，水泥时，则按以下步骤制样。

①称取一定重量的风干土，平铺于搪瓷盘内。

②根据最佳含水量计算所需加水量，均匀地喷洒在样品上，（如样品数量多，应分层喷洒）在保湿状态下浸润一昼夜。

③将样品充分拌匀，测定浸润后的含水量，若与计算含水量差值超过1%时，适当增减土中水分。

④按比例称取一定重量的掺合料，并于湿土充分拌匀。

⑤根据重塑桶的体积，最大干密度和试样含水量，计算并称取一定量的湿土样。

⑥将称出的湿土全部均匀地分层压入（或锤入）重塑桶内，层与层之间应刮毛，使其连接紧密。去掉重塑筒后，称取重量计算密度。

⑦试样制备的数量应比规定的数量多2个。一组试样的密度，含水量与制备标准之差值应不大与0.03g/cm³和1%，且各试样之间的差值也应满足这一要求。

当掺合料是生石灰时，则应按以下步骤进行。

⑴称取一定重量的风干土并加适量的水湿润，浸润一昼夜。

⑵按比例称取一定重量的生石灰，并与湿土充分拌匀。

⑶根据最佳含水量计算所需增加的水量，均匀地喷洒在样品上，在保湿状态下再浸润一昼夜。

⑷将样品充分拌匀，测定浸润后的含水量，计算含水量差值。

⑸超过1%时应适当增减土中水分。

⑹根据重塑桶的体积，最大干密度和试样含水量，计算并称取一定量的湿土样。

⑺将称出的湿土全部均匀地分层压入（或锤入）重塑筒内，层与层之间应刮毛，使其连接紧密。去掉重塑筒后，称取重量计算密度。

⑻试样制备数量应比规定的数量多2个，同一组试样的密度，含水量与制备标准之差应不大于0.03g/cm3和1%，且各试样之间的差值也应满足这一要求。

2．1．5其他试样的试样制备采用击实法

前四个步骤同无侧限抗压强度法试样制备

⑤采用重型击实法进行击实。

⑥根据各种试验项目的不同要求，在击实样上制取各种试件。

⑦制样的数量和精度要求与无侧限要求相同。

2．1．6计算

①按下式计算干土质量         Ms＝M/(1+W)

②按下式计算土样制备含水量所需加水量。

Mw=M/(1+W)*(W'-W)

③按下式计算制备试样的所需湿土质量。

M'=(1+W')*ρd * V                        

其中：  Ms_____干土质量（g）

        M _____ 风干土质量（g）

        W _____ 风干土含水量 (%)

        Mw ____ 土样所需加水量（g）

        W' ____ 土样要求的含水量（%）

        M' ____ 制备试样所需湿土质量（g）

        ρd____ 要求的干密度（g/cm³）

        V _____ 击实土样（或压样器容积cm³）

2.2  样品饱和度的技术要求                

根据不同的土性选择合适的饱和方法

2.3  样品养护的技术要求

养护条件，湿度是影响灰土性质的重要因素，特别对其膨胀，收缩，抗水性能有决定的作用。这次养护原则上是维持试样的含水量不发生变化，样品养护前后通过称量计算其含水量，养护后的含水量与养护前相比，变化不大于2%。

具体方法如下：

⑴将锯沫洒上足量的水淋干后备用。

⑵将制好的试样放入保湿器内，注意标识。

⑶将准备好的锯沫放入试件周围，全部复盖。

⑷将保湿器放在阴凉潮湿处，养护至规定天数。

①试验技术要求一般情况下按TBJ102-96《铁路工程土工实验方法》标准执行。

②人工制备样品的各项实验均在最佳含水量，最大干密度确定的标准令期下进行。

③塑限、液限，应在确定的标准令期下进行。

④击实试验采用重型击实法，同时测定加入掺和料之前和之后的含水量。

⑤无侧限抗压强度试验应在标准令期下，养护后，进行饱和然后在试验。

3．改良土的性质变化

3．1塑性及膨胀性的变化

从表1可以看出，加入掺和料后，土的塑性指数及无荷膨胀量都有不同程度的减小，其中加入生石灰减少最多。而加入水泥减少最小。塑性指数的减小主要是由于塑限提高较多，大约提高50%以上 ，而且随着掺和料配合比的增大，塑限也有逐步提高的趋势。另外加入掺和料后无荷膨胀量几乎没有什么变化。由此可见，在膨胀性土中，只要掺和30%的石灰即有明显的改变效果。通过试验我们还发现一昼夜内塑性指数变化较大，一昼夜后则变化不大，说明土灰一昼夜内反应即完成。

        塑性及膨胀性变化表(表1)

掺和料	配合比	令期（天）	液限（%）	塑限（%）	塑限指数（%）	自由膨胀率（%）	无荷膨胀、量（%）
无			34.1	16.8	17.3	26	22
熟 石 灰	3	14	38.8	24.7	14.1	12	0.12
	5	14	42.9	27.9	15.0	13	0.06
	7	14	42.4	28.0	14.4	14	0
生 石 灰	3	14	38.3	24.9	13.4	16	0.03
	5	14	41.5	27.4	14.1	17	0
	7	14	40.3	28.0	12.3	13	0
325#水 泥	3	14	38.2	21.5	16.7	23	0.
	5	14	39.2	22.3	16.9	20	0.86
	7	14	38.9	23.2	15.7	21	0.8

3．2 土颗粒级配的变化

从表2可以看出，加入掺和料后，土发生了颗粒粗化现象，最突出的是粘粒（〈0.005mm）含量明显降低，特别是当熟石灰和生石灰的含量在5%以上，水泥含量在7%以上时，粘粒含量降低60%以上，说明5%的石灰含量是一个转折点，它足够将土中的粘粒大部分粗化为非粘粒，从而使土的物理力学性质有很大的改变。  

级配变化表（表2）

掺和料	配合比	令期（天）	级配%
			0.1~0.05	0.05~0.005	〈0.005
无		14	9.7	55.0	35.3
熟 石 灰	3	14	9.2	68.4	22.4
	5	14	25.1	61.4	13.5
	7	14	26.8	62.6	10.6
生 石 灰	3	14	13.5	66.3	20.2
	5	14	19.0	65.5	15.5
	7	14	25.9	62.8	11.3
325# 水 泥	3	14	7.2	65.3	27.5
	5	14	11.6	66.9	21.5
	7	14	26.0	59.9	14.1

3.3   力学性质和水理性质的变化

另外对于饱和无侧限抗压强度，改量土强度的提高更为明显，一般都提高了10倍以上，而5%的配合比仍然是饱和无侧限抗压强度的转折点。从试验结果看，由于膨胀土的原始密度大，强度较高因而改良土强度的提高并不太大，但其水理性质有很大的改善，从表3可以看出饱和无侧限抗压强度提高10倍以上。从湿化试验结果看，原状土在浸水2h左右崩解量既达100%，没有掺和料的人工制备样品，72h崩解量约为50%而所有加了掺和料的人工制备样品，不管掺和料是石灰还是水泥，只要配合比大于3%，在水中均不发生崩解，说明其抗水性能有了较大的改善。

强土变化表（表3）

状态	掺和料	配合比	令期(天)	无侧限抗压强度Kpa	饱和无侧限抗压强度Ｋpa	最佳点前４％含水量抗压强度Ｋpa	最佳点后４％含水量抗压强度Ｋpa
原状				524	48
人工制备	无			263	19
	熟石灰	3	14	490	291	604	184
		5	14	1193	783	656	423
		7	14	1074	840	479	442
	生石灰	3	14	263	217	345	166
		5	14	735	544	385	197
		7	14	530	493	367	226
	325水泥	3	14	490	267	469	336
		5	14	1180	410	492	359
		7	14	958	579	656	624

另外，为了掌握人工制备样品时，含水量对强度大小的影响程度，我们制备了最佳含水量前4%和最佳含水量后4%含水量的二组样品进行对比试验，从表3的对比试验结果可以看出，含水量偏离最佳点时，强度各有所降低，配合比较大,强度降低越明显，最佳点后4%较前最佳前4%的强度降低幅度更大，最大幅度可达最佳点强度的1/3。说明制样时的含水量大小，对改良土强度影响至关重要，不管是室内试验还是现场施工，严格控制改良土的含水量是非常重要的。

从表4强度与令期的关系看，经3天养护的改良土其强度与未改良前并无大区别，养护7天后强度有所提高，直至28天强度逐渐提到一个稳定的理想强度值。这说明了掺和料加入土中后，灰土之间的离子交换等一系列物理化学反应需要一段时间，在这期间土的成分和性质尚不稳定，强度也还不高，正逐渐增长。因此，刚刚填筑完成的改良土需要必要的养护，为土中的各类物理化学反应创造条件。这对确保改良土的效果十分重要，因此养护的时间不应少于7天。

强度与令期的关系(表4)

状态	拌和料	配合比	令期(天)	无侧限抗压强度(KPa)	饱和无侧限抗压强度(Kpa)	备注
原状				524	48
人 工 制 备	无			263	19
	生石灰	7%	3	251	244
			7	344	321
			14	530	493
			21	704	525
			28	1063	588
	325水泥	7%	3	554	471
			7	768	514
			14	958	579
			21	976	682
			28	1034	870

4．结论

4．1在膨胀性土中掺入一定量的熟石灰、生石灰、水泥等形成的改良土，其性能有一定的改善，尤其以生石灰的改良效果最好。

4．2加入掺和料的改良土，塑性指数减小，粘粒含量降低，膨胀性降低，强度提高，尤其是抗水性能有极大的改善。

4．3最优配合比的选择与工程实际情况土质、掺和料的种类及质量有关，在施工之前应进行室内配合比设计，不能冒然行事，据此次试验结果建议使用5%生石灰为宜。

4．4养护条件，湿度均是影响改良土性质的重要因素，不管是室内试验还是现场施工，都要进行必要的洒水保湿养护，切勿任其暴露在大气中自然干燥，以免影响其强度。养护至少不应少于7天。

4．5填筑前对土料的含水量必须严格控制，含水量太小，不但不能压实，而且影响掺和料与土料的理化反应；含水量太大则改良土的强度将大大降低。因此拌合土含水量应以接近最佳含水量为宜。

4．6土料应粉碎过筛，掺和料的拌合要均匀.如果是掺和生石灰，则土料应先加一定量的水浸润一昼夜，掺入生石灰拌匀后再加足适量的水再浸润一昼夜，能使生石灰充分消解，然后再击实，制样。否则，试件在养生过程中易由于生石灰粉膨胀而使土体疏松破坏。工程施工过程中应加以注意！