辽宁泥质砂岩膨胀特性及水泥改良试验研究

2019-07-25张立伟杨果林段君义周胡波

铁道建筑 2019年6期

张立伟，杨果林，刘欢，段君义，周胡波

(1.中国铁路设计集团有限公司，天津 300251；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

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。

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。

表1 泥质砂岩击实试验结果

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

表3 密度计法颗粒分析试验结果

表4 泥质砂岩水筛法级配情况

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。

表5 泥质砂岩自由膨胀率试验结果

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。

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。