1、高速鐵路路基填料的選擇與改良074811257第一章：緒論1.1 引言隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通業(yè)也得到前所未有的快速發(fā)展，普通鐵已經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，高速鐵路的大量建設(shè)已是大勢(shì)所趨。近年來各國(guó)高速鐵路迅速發(fā)展便是明證，法國(guó)的 TGV、的新干線、德國(guó)的 ICE、西班牙的AVE 等均聞名世界；隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，在我國(guó)修建客運(yùn)專線和高速鐵路網(wǎng)是我國(guó)鐵路滿足人民日益增長(zhǎng)的物質(zhì)需要，也是適應(yīng)國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的要求。尤其在近幾年高速鐵路發(fā)展迅猛，客運(yùn)專線也開始大規(guī)模的修建。我國(guó)的廣深準(zhǔn)高速鐵路、客運(yùn)專線的建成和投入運(yùn)行，以及在建的京滬高速鐵路、客運(yùn)專線等，充分顯示出高速鐵路在我國(guó)的

2、蓬勃發(fā)展趨勢(shì)。高速列車以其快捷、舒適、安全、高效而逐漸體現(xiàn)其巨大的優(yōu)勢(shì)，將人類帶入有軌的另一個(gè)全新時(shí)代。由于速度的提高，必然對(duì)基床結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性提出更高的要求，同時(shí)使用者對(duì)行車速度和舒適性的要求也在不斷提高。鐵路基床是鐵路工程中非常重要的一部分，是軌道及其他上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，對(duì)于行駛質(zhì)量、運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性及行車安全等都有設(shè)的重要任務(wù)。的影響，提高路基的承載力性和穩(wěn)定性，是高速鐵路建在列車的重復(fù)作用下，基床要產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性累積下沉，將造成路基的不穩(wěn)定；塑性累積變形隨列車荷載的重復(fù)作用而累積增加，高速鐵路對(duì)路基的承載力和穩(wěn)定性控制有嚴(yán)格的要求，因此，承載特性和變形問題便成為高速鐵路基床設(shè)計(jì)所

3、考慮的重要控制。對(duì)于基床的填料也就有了更高的要求和控制，松軟、軟弱、高壓縮性、膨脹性大的土已經(jīng)不能作為基床填料，必須選擇其具有承載力大、壓縮性小、透水性好、抗剪強(qiáng)度高、荷載作用不易產(chǎn)生液化等的優(yōu)質(zhì)填料。在使用優(yōu)質(zhì)填料的同時(shí)，也必須對(duì)填料的物理力學(xué)性質(zhì)有一定了解，盡量保證填料達(dá)到理想的工程特性。所以對(duì)填料性質(zhì)的研究也就顯得尤為重要。世界第一條高速鐵路正式投入運(yùn)營(yíng)以來，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都建立了各自的高速鐵路體系，其安全可靠性世人注目。路基是軌道的基礎(chǔ)，因此高速鐵路對(duì)路基提出了很高的要求，為了滿足這些要求，路基的設(shè)計(jì)施工中必需采取一系列措施。高速鐵路路基一般是由基床(分表層和底層)、基床以下路基填土和地

4、基等幾部分組成。其中基床及其下部填土是人工填筑部分，對(duì)于填料的品質(zhì)有一定的要求，應(yīng)該使用品質(zhì)優(yōu)良的填料。一般來說鐵路路線均較長(zhǎng)，通過地段的地質(zhì)條件變化復(fù)雜，尤其是在多雨的南方，高塑性、高液限的粘土分布很廣，都使用優(yōu)質(zhì)填料的可能性不大。我國(guó)既有線路使用的填料也大多不能滿足有關(guān)規(guī)范的要求，如滬杭復(fù)線 K221-990 間，就使用了大量塑性指數(shù)大于 12 的C 類土及不應(yīng)使用的D 類土和嚴(yán)禁使用的E 類土，結(jié)果路基病害叢生，嚴(yán)重影響了列車的正常運(yùn)行。要解決優(yōu)質(zhì)填料缺乏這一難題，需擴(kuò)大可用填料的范圍，也就是要將部分 C、D 組填料經(jīng)過改良后使用。近年來，大量的工程實(shí)踐表明，用水泥和石灰對(duì)不符合要求的路

5、基填料進(jìn)行改良是一種有效的工程措施。1.2 改良土的分類及特點(diǎn)我國(guó)鐵路部門一般定義改良土是通過在土體中摻入石灰、粉煤灰、水泥、固化劑等材料的處理，提高了工程性質(zhì)的土體。改良土根據(jù)所摻入類材料的不同可分為石灰改良土、粉煤灰改良土、水泥改良土、水泥(石灰)粉煤灰改良土和劑改良土等。國(guó)外對(duì)于改良土的分類較細(xì)，以最常用的水泥改良土為例，美國(guó)公路部門按堅(jiān)硬程度將水泥土分為：水泥處理土種了的土和水泥、水的拌和混合物，沒有質(zhì)量要求，僅入土中。學(xué)位第一章緒論表明水泥和水摻水泥土：種了土和水泥、水的混合物，經(jīng)機(jī)械壓實(shí)和養(yǎng)護(hù)后形成的堅(jiān)硬材料，它具有需要的強(qiáng)度和耐久性。水泥改良土：一種了土和水泥、水的不堅(jiān)硬或半堅(jiān)硬

6、混合物。水泥改良土通常只是改善土的物理性質(zhì)，如降低土的塑性指數(shù)，減小體積變形等，因此水泥摻量小于水泥土。按混合物中含水量又可分為：干硬性水泥土：這是在某一壓實(shí)功能下，按適宜含水量與最大干密度確定的摻水量和水泥及久性的水泥土。土的摻量，經(jīng)均勻拌和、壓實(shí)和養(yǎng)護(hù)后，具有一定強(qiáng)度和耐濕塑性水泥土：這是一種摻水量遠(yuǎn)較干硬性水泥土的適宜含水量大的水泥土，具有類似灰漿或砂漿的稠度，但經(jīng)過養(yǎng)護(hù)，也是硬化的水泥土，有一定強(qiáng)度和耐久性。濕塑性水泥土的合理水泥摻量，通常比在適宜含水量條件下壓實(shí)至最大干容重的合理水泥摻量高 4左右，這為的是在干容重較低的情況下，仍能獲得較好的強(qiáng)度。按土料粒徑又可分為：細(xì)粒狀水泥土和粗

7、粒狀水泥土。水泥、石灰和粉煤灰改良土在公路和其他部門已經(jīng)大量使用了多年，積累了十分豐富的經(jīng)驗(yàn)71。經(jīng)石灰、水泥或粉煤灰改良后的改良土料比起改良前的土料，在工程技術(shù)和性能各方面均有不同程度的改善和提高，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：土的力學(xué)性能有所改善，降低土的塑性，增加土顆粒間的凝聚力，增大土的內(nèi)摩擦角，有效地提高了土的抗剪強(qiáng)度，使土的承載力、固結(jié)特性和可壓實(shí)性得到顯著改善；使土的水穩(wěn)性、抗凍性和耐干濕循環(huán)能力等耐久性能有所改善；并且強(qiáng)度和耐久性隨著時(shí)間的延續(xù)不斷增長(zhǎng)；擴(kuò)大了土料的應(yīng)用范圍，使可用土料地區(qū)分布廣泛，原料充足；施工技術(shù)較為成熟，使用成本低。雖然改良土有上述的優(yōu)點(diǎn)，但是水泥、石灰和粉煤灰

8、改良土在穩(wěn)定和粒土?xí)r也具有一些對(duì)工程應(yīng)用不利的特征：細(xì)(1) 干縮系數(shù)和系數(shù)較大，容易產(chǎn)生收縮裂縫，影響改良效果：遇水軟化比較嚴(yán)重，水穩(wěn)性相對(duì)仍較差，易受土料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)和親水性較強(qiáng)的影響，遇水后強(qiáng)度會(huì)有較大幅度的降低；強(qiáng)度和耐久性能不高，難以滿足高速鐵路和高等級(jí)公路的工程要求，而僅靠增加結(jié)合料摻量來改善強(qiáng)度和耐久性，又會(huì)大幅度提高成本；吸水性不強(qiáng)，壓實(shí)度較難達(dá)到要求，處理高含水量的土效果不佳；易受到土中粘粒、有機(jī)質(zhì)和其他化合物含量的影響，對(duì)所改良土料的技術(shù)要求相對(duì)較高；施工質(zhì)量要求較高，無(wú)機(jī)結(jié)合料與土料相互拌和的均勻程度會(huì)對(duì)改良土的強(qiáng)度和耐久性能產(chǎn)生巨大影響；早期強(qiáng)度低，不利于提高施工速度和施工

9、效率；受氣候影響大，雨季和高寒往往會(huì)影響施工速度和施工質(zhì)量。因此，水泥、石灰和粉煤灰改良土一般只能用于鐵路路基的基床底層和基床以下、城市快速路和城市主干路的路面底基層，以及其他一些對(duì)強(qiáng)度和耐久性要求不是很高的工程部位。水泥改良土是近年來高速鐵路路基工程中廣泛采用的一種填料。它通過機(jī)械，使原狀土與水泥充分混合，經(jīng)過適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)期，即成為一種具有一定強(qiáng)度和耐久性能的土工改良材料，可以廣泛地應(yīng)用于水利、交通和建筑等各類土木工程中。雖然水泥土材料的應(yīng)用較國(guó)外晚了許多，但對(duì)材料全面性能的研究并不太遲，而且在研究?jī)?nèi)容和方向上還有所發(fā)展。例如，采用浸漬技術(shù)對(duì)預(yù)制水泥土管進(jìn)行處置，不僅顯著提高了管材強(qiáng)度，有效地

10、改善了管材耐久性能，而且工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，為成功地運(yùn)用水泥土材料提供了可靠的技術(shù)保證。近年來在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用也表明，只要能控制好水泥改良土的施工質(zhì)量，一般來說就能夠獲得比較滿意的效果。因而，這種土工改良材料越來越引起人們的和重視。石灰土技術(shù)作為路基土質(zhì)改良方法之一，近年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用。生石灰的摻入，可有效地改變土壤的性質(zhì)，增大粘性土的強(qiáng)度，提供粘性土的抗侵蝕能力，特別是增長(zhǎng)了抗體積脹縮的穩(wěn)定能力。目前針對(duì)石灰土在高速路基工程建設(shè)中的應(yīng)用，已經(jīng)進(jìn)行了許多研究。研究表明，對(duì)于穩(wěn)定性較差的粘性土，摻入 4的石灰所形成的石灰土對(duì)路基土質(zhì)的改善效果較好，達(dá)到了實(shí)際工程的要求；經(jīng)石灰處理

11、的高液限枯土，其膨脹量和膨脹力都得到有效控制，有較好的穩(wěn)定性，強(qiáng)度也顯著提高。石灰土便于就地取材，施工成本低，具有較高的強(qiáng)度，較強(qiáng)的板體性和較好的水穩(wěn)性、抗凍性，因而在實(shí)際工程中被廣泛采用。正因如此，人們對(duì)石灰土的研究越來越多，取得了一些較為成理論。1.3 主要研究?jī)?nèi)容工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，正常條件下的路基，往往在經(jīng)歷一個(gè)或兩個(gè)雨季之后，強(qiáng)度明顯降低，有的地方還會(huì)有跨塌的現(xiàn)象。分析原因可知，環(huán)境條件多變性引起的干濕循環(huán)過程是導(dǎo)致鐵路路基填料土力學(xué)特性、進(jìn)而導(dǎo)致路基破壞的一個(gè)重要原因。具體表現(xiàn)為，路基填料土在干旱季節(jié)失水收縮，雨季又吸水飽和膨脹，這樣往復(fù)的作用將導(dǎo)致填料土體結(jié)構(gòu)的變化，土的強(qiáng)度逐漸降低

12、，最終引起路基的破壞。因此，研究干濕循環(huán)過程導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度降低的機(jī)理，對(duì)于改進(jìn)水泥改良土的工程特性，采取相應(yīng)措施提高其抗干濕循環(huán)的能力是十分重要的。過去人們關(guān)注的是改良后路基填料的基本工程性質(zhì)、改良后改良土的強(qiáng)度及變形與外加劑、含水量和荷載形式等之問的關(guān)系，對(duì)導(dǎo)致改良土工程性質(zhì)變化的原因與機(jī)理及在鐵路運(yùn)行期間如何進(jìn)行無(wú)損質(zhì)量控制還缺乏必要的探討，而這一問題對(duì)于實(shí)際工程是十分重要的。基于以上的分析，確定本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：1、通過試驗(yàn)，研究干濕循環(huán)過程對(duì)水泥改良土強(qiáng)度特性的影響，分析其強(qiáng)度的變化規(guī)律并分析原因；通過改變需改良土的顆粒級(jí)配，即適當(dāng)降低需改良土中粘粒的相對(duì)含量，探討水泥改良土強(qiáng)度

13、衰減的機(jī)理。2、對(duì)幾種需改良的土進(jìn)行石灰改良并進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同灰土比、不同含水量條件下的剪切波速、壓縮波速和壓縮強(qiáng)度的變化規(guī)律及其相關(guān)性，闡明剪切波速是否可以作為反映石灰改良土壓縮強(qiáng)度變化的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。第二章 干濕循環(huán)對(duì)水泥改良土強(qiáng)度衰減機(jī)理的研究2.1 引言水泥改良土是近年來高速鐵路路基工程中廣泛采用的一種填料。工程實(shí)踐表明，環(huán)境條件多變性引起的干濕循環(huán)過程是導(dǎo)致鐵路路基填料土力學(xué)特性、進(jìn)而導(dǎo)致路基破壞的一個(gè)重要原因。具體表現(xiàn)為，路基填料土在干旱季節(jié)失水收縮，雨季又吸水飽和膨脹，這樣往復(fù)的作用將導(dǎo)致填料土體結(jié)構(gòu)的變化，土的強(qiáng)度逐漸降低，最終引起路基的破壞。因此，研究干濕循環(huán)

14、導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度降低的機(jī)理，對(duì)于改進(jìn)水泥改良土的工程特性，采取相應(yīng)措施提高其抗干濕循環(huán)的能力是十分重要的。近年來，對(duì)高速鐵路路基填料改良土的工程特性進(jìn)行過一些研究，但已有的研究?jī)?nèi)容表明，過去人們地關(guān)注改良后路基填料的基本工程性質(zhì)，對(duì)導(dǎo)致改良土工程性質(zhì)變化的原因與機(jī)理還缺乏必要的探討，特別是還不能很好理解為什么千濕循環(huán)過程會(huì)導(dǎo)致改良強(qiáng)度、循環(huán)疲勞強(qiáng)度的衰化。而這一問題對(duì)于實(shí)際工程是十分重要的?；谶@樣的分析，本文將通過試驗(yàn)，探討反復(fù)干濕循環(huán)對(duì)水泥改良土強(qiáng)度衰減的機(jī)理，為改進(jìn)水泥改良填料土的工程特性提供基本依據(jù)。2.2 強(qiáng)度衰減隨千濕循環(huán)次數(shù)的變化為了對(duì)于濕循環(huán)導(dǎo)致的水泥改良土強(qiáng)度衰減有一個(gè)定量認(rèn)識(shí)

15、，首先通過室內(nèi)試驗(yàn)分析強(qiáng)度衰減隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化情況。土的分布具有很強(qiáng)的不均勻性，不同地區(qū)之間土的差別很大，土的物性指標(biāo)也具有很強(qiáng)的地區(qū)性，對(duì)需要改良的土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究就顯得非常必要。通常，路基工程中需要改良的土類主要為粉土、粉質(zhì)粘土。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下三點(diǎn)結(jié)論：不管是水泥改良粉土還是水泥改良粉質(zhì)粘土，在經(jīng)歷了干濕循環(huán)后，壓縮強(qiáng)度都會(huì)明顯降低。在經(jīng)歷一次失水飽和后，二者強(qiáng)度將低的幅度較大，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)度降低的幅度逐漸減小并趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為一個(gè)由大到小并逐漸趨于穩(wěn)定的過程。這表明干縮與濕脹導(dǎo)致的改良土體結(jié)構(gòu)變化存在一個(gè)穩(wěn)定值。得出的關(guān)于水泥改良土循環(huán)疲勞強(qiáng)度的結(jié)果是一致的

16、。每一次干濕循環(huán)后，水泥改良粉質(zhì)粘土的強(qiáng)度降低幅度都大于水泥改良粉土的強(qiáng)度降低幅度。這兩種改良土之間的最大差別在于粉質(zhì)粘土中的粘粒與細(xì)顆粒含量遠(yuǎn)大于粉土中的粘粒與細(xì)顆粒含量。(3) 從表 24 和以上的分析說明，對(duì)于水泥改良粉質(zhì)粘土及水泥改良粉土，其剪切波速隨干濕循環(huán)的變化和其壓縮強(qiáng)度隨干濕循環(huán)的變化大致相同。也就是說，水泥改良土失水前后其壓縮強(qiáng)度和其剪切波速的相關(guān)關(guān)系基本一致。所以，鐵路運(yùn)行過程中，可以通過對(duì)路堤填料層剪切波速的監(jiān)測(cè)，達(dá)到對(duì)運(yùn)行過程中填料層力學(xué)強(qiáng)度特性的評(píng)價(jià)。以上這些分析還說明，對(duì)于這里選取的兩種土，千濕循環(huán)過程對(duì)于壓縮強(qiáng)度與剪切波速的影響主要集中兩次。2.3 強(qiáng)度衰減機(jī)理分

17、析對(duì)導(dǎo)致水泥改良土干濕循環(huán)強(qiáng)度衰化的主要原因做如下分析。水泥改良土是一種復(fù)雜的多相分散體系，水泥與土拌和后，水泥礦物與土中的水分發(fā)生水解和水化反應(yīng)，同時(shí)從溶液中分解出Ca(0H)2 并形成其它水化物，有的自行繼續(xù)硬化形成水泥石骨架，有的則與土相互作用：離子交換及團(tuán)粒化作用：在水泥水化后的膠體中，Ca(OH)2 和 Ca2+、OH-共存，而粘土作為分散體，當(dāng)與水結(jié)合時(shí)一般表現(xiàn)為膠體的特征，通常其表面會(huì)帶有Na2+、K+等離子，析出的 Ca2+會(huì)與土中的Na2+、K+進(jìn)行當(dāng)量吸附交換。吸附交換結(jié)果使土顆粒形成較大的土團(tuán)。由于水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2 具有吸附活性，從而使這些土團(tuán)粒進(jìn)一步結(jié)合起來，

18、形成穩(wěn)定的水泥土鏈條狀聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，具有封閉土團(tuán)問孔隙的作用。硬凝反應(yīng)：隨著水泥水化反應(yīng)的深入，溶液中析出大量的 ca2+離子，當(dāng) ca2+離子的數(shù)量超過上述離子交換的需要量后，就在堿性的環(huán)境中與組成粘土礦物的部分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的穩(wěn)定結(jié)晶礦物。這些重新結(jié)合的結(jié)晶化合物，依靠比較強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)合，結(jié)晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了土的強(qiáng)度和水穩(wěn)性。碳酸反應(yīng)：水泥水化物中游離的 Ca(0H)2 不斷地吸收水中的C02，生成 CaC03。這種反應(yīng)能使土結(jié)團(tuán)，起粗?；饔?，提高土的強(qiáng)度；另一方面還可以形成所謂的“晶邊一晶面結(jié)合”的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，而土中的礦物顆粒包覆于蜂窩狀結(jié)構(gòu)中，這就是水泥改良土的結(jié)構(gòu)。對(duì)于鐵路

19、路基工程中使用的水泥改良土，其水泥摻入量一般小于10，改良后的土結(jié)構(gòu)中土顆粒團(tuán)起著主導(dǎo)作用，當(dāng)土顆粒團(tuán)中含有粘粒時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致水泥改良土具有吸水膨脹、失水收縮的特性。因此，水泥改良土經(jīng)歷干濕循環(huán)后，在其將發(fā)生干縮與濕脹變形。由于水泥改良土本身具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，干縮與濕脹變形必然受到水泥改良土自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制。當(dāng)變形產(chǎn)生的應(yīng)力超過水泥改良土自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在土顆粒團(tuán)間相互連接的薄弱環(huán)節(jié)處產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成微裂縫，隨干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加，干縮與濕脹變形也將進(jìn)一步增大，并導(dǎo)致微裂縫不斷擴(kuò)展，造成水泥改良土自身結(jié)構(gòu)的破壞，從宏觀上就會(huì)使土強(qiáng)度逐漸衰化。特別是隨土料中粘粒含量的增加，每一次干濕

20、循環(huán)引起的改良土體的濕脹和干縮變形增大，從而使干濕循環(huán)后土體強(qiáng)度的降低程度隨土中粘粒含量的增加而增大，上述試驗(yàn)結(jié)果在一定程度上證明了這一推論。另一方面，水泥改良土在經(jīng)歷幾次干濕循環(huán)后，其的微裂縫就會(huì)擴(kuò)展到一定程度。如果再經(jīng)歷干濕循環(huán)過程，土體的干縮濕脹變形也就有了一定空間，此變形在水泥土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的應(yīng)力就會(huì)減小，微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展的趨勢(shì)也隨之減弱，從而導(dǎo)致水泥改良土強(qiáng)度衰減程度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸趨于穩(wěn)定。2.4 小結(jié)針對(duì)需改良的粉質(zhì)粘土與粉土，首先通過試驗(yàn)，研究了干濕循環(huán)對(duì)水泥改良土強(qiáng)度的影響。進(jìn)一步，分析了導(dǎo)致水泥改良土強(qiáng)度降低的機(jī)理與內(nèi)在原因，并通過試驗(yàn)對(duì)分析推論進(jìn)行了驗(yàn)證。本文的研

21、究結(jié)果表明，改良土料中的粘粒含量是引起其強(qiáng)度降低的一個(gè)主要。改良土料中粘粒含量越濕循環(huán)導(dǎo)致的改良土干縮與濕脹變形就越大，對(duì)改良土體結(jié)構(gòu)的損壞就越明顯，其強(qiáng)度降低的也就越顯著。因此適當(dāng)降低改良土料中粘粒的相對(duì)含量，可以有效減小干濕循環(huán)導(dǎo)致的改良土干縮與濕脹變形，減少此變形引起的微裂紋數(shù)量，減緩干濕循環(huán)對(duì)改良土體性。結(jié)構(gòu)的破壞程度，提濕循環(huán)后改良土體的強(qiáng)度特這里的研究結(jié)果還表明，前兩次干濕循環(huán)過程是導(dǎo)致水泥改良土強(qiáng)度降低的主要過程。一旦改良土體的微裂縫擴(kuò)展到一定程度，其后再經(jīng)歷干濕循環(huán)，土體的干縮濕脹變形也就有了一定空間，導(dǎo)致微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展的趨勢(shì)也隨之減弱，從而使水泥改良土強(qiáng)度衰減程度隨干濕循環(huán)

22、次數(shù)的增加而逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)于需改良的粉質(zhì)粘土，摻入適當(dāng)?shù)拇诸w粒料，是改善干濕循環(huán)后水泥改良土強(qiáng)度特性的有效工程措施。之后的相同試驗(yàn)結(jié)果又一次證實(shí)了結(jié)論的正確性，同時(shí)也證明了養(yǎng)護(hù)溫度是影響改良土強(qiáng)度的之一：養(yǎng)護(hù)溫度越高改良土的強(qiáng)度也越高。第三章 石灰改良土工程性質(zhì)的室內(nèi)研究3.1 引言石灰改良土的石灰摻量也較少，已有的研究結(jié)果表明，石灰的含量超過一定數(shù)量后，過多的石灰將沉積在土孔隙中而不參加反應(yīng)導(dǎo)致石灰土強(qiáng)度降低。另一方面，受施工機(jī)械的限制，石灰和土很難拌和均勻，而且石灰和土拌和之后將發(fā)生一系列的反應(yīng)：石灰的水化、離子交換、Ca(OH)2 的結(jié)晶及碳酸反應(yīng)及火山灰反應(yīng)，因此，石灰和土拌和之后不

23、能立即進(jìn)行碾壓，一般情況下都要先養(yǎng)護(hù) 3天。因此，改良土路基的施工質(zhì)量能否滿足工程要求是一個(gè)十分重要。以往的現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)受諸多的影響，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果有時(shí)出現(xiàn)較大的離散性；而且，鐵路一旦投入使用，就無(wú)法對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)下的工程質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如果能夠在石灰改良土現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)指標(biāo)(如剪切波速)與其質(zhì)量控制指標(biāo) (抗壓強(qiáng)度)之間建立一種相關(guān)關(guān)系，就有可能利用低應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)對(duì)改良土路基的施工質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。但是，對(duì)于路基填料使用的低灰土比、低摻水量的石灰改良土，在彈性剪切波速、壓縮波速與抗壓強(qiáng)度之間是否存在一種可以利用的相關(guān)關(guān)系，改良土工程性質(zhì)的變化是否可以用彈性波速的變化來反映，目前還有待做大量的研究。基于這

24、樣的分析，下面將針對(duì)需改良的兩種粉質(zhì)粘土與一種粉土，通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究影響石灰改良土強(qiáng)度、彈性波速的相關(guān)以及水泥改良土的彈性波速與其固結(jié)不排水強(qiáng)度之間的相關(guān)關(guān)系，為開發(fā)石灰改良土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)奠定基礎(chǔ)。32 試驗(yàn)土的物性指標(biāo)及改良方法本次試驗(yàn)仍然采用幾種需要改良的土進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)的目的是為了研究石灰改良土的基本工程性質(zhì)，探討石灰改良土強(qiáng)度的形成機(jī)理，分析影響石灰改良土性質(zhì)的各種，建立石灰改良土的靜強(qiáng)度、壓縮波速、剪切波速與石灰摻入比、養(yǎng)護(hù)條件、養(yǎng)護(hù)齡期等各之間的量化關(guān)系，從而為指導(dǎo)工程實(shí)踐，為鐵路路基水泥改良土無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)提供基本試驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。選取三種需改良的土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，表 3

25、1 給出了它們的基本物性指標(biāo)，粉土的顆分曲線見圖 3-1。在下文中，為敘述方便，對(duì)土類進(jìn)行，即粉土，粉質(zhì)粘土 I，粉質(zhì)粘土。由這些土制成的石灰改良土分別稱為石灰改良粉土、石灰改良粉質(zhì)粘土I、石灰改良粉質(zhì)粘土lI。表 3-1 改良用土的物性指標(biāo)33 試樣及試驗(yàn)方法石灰改良土試驗(yàn)土樣的過程和前述的水泥改良土試驗(yàn)土樣的過程不同：對(duì)于石灰改良土，先將石灰與土放入袋內(nèi)并攪拌均勻，然后加水至制樣含水量并攪拌均勻，然后將袋系口放入密封罐內(nèi)靜置 24 小時(shí)后備用。?試樣飽和方法及試驗(yàn)方法和前一章所述相同。本次試驗(yàn)按表 3-2 的試驗(yàn)土樣。條件34 試驗(yàn)結(jié)果與分析文中曾提到過，為了減小誤差每種情況均做了三個(gè)試樣

26、進(jìn)行試驗(yàn)。從表3-6可以得出，三個(gè)試樣結(jié)果值有的較為接近，有的其中兩個(gè)值較為接近，另一個(gè)值則誤差較大，因?yàn)楦鞣N的影響實(shí)際存在。三種石灰改良土的強(qiáng)度改變系數(shù)大058065之間，也就是說，試樣飽和后三軸固結(jié)不排水壓縮強(qiáng)度大約降低了30左右。三種石灰改良土飽和后的剪切波速降低了20左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，飽和后的石灰改良土其壓縮波速變大。原因是因?yàn)樵嚇涌紫吨械奶畛湮飳?duì)兩種波的速度的影響是不同的：對(duì)于剪切波，試樣孔隙中的填充物不管是水還是空氣，對(duì)它速度的影響都不大；但是對(duì)于壓縮波，由于空氣的壓縮性比石灰土骨架的壓縮性大，試樣孔隙中的填充物如果是空氣，壓縮主要通過石灰土骨架；水的壓縮性比石灰土骨架小，如果

27、孔隙中充滿水，這時(shí)壓縮波不但通過石灰土骨架，同時(shí)還通過孔隙水，其波速受孔隙水的影響較大。試樣飽和后孔隙中充滿了水，試驗(yàn)測(cè)出的壓縮波速明顯增大，因此，石灰改良土的壓縮波速試樣力學(xué)性質(zhì)的變化。因而推斷，可能很難在石灰改良土壓縮強(qiáng)度與壓縮波速之間建立一種相關(guān)關(guān)系，特別是很難利用壓縮波速反映改良土飽和后其強(qiáng)度特性的變化。石灰改良土含水量變化前后，其壓縮強(qiáng)度與剪切波速的變化趨勢(shì)是一致的。從這個(gè)意義上講，依據(jù)剪切波速的改變?cè)u(píng)價(jià)土體含水量變化后其強(qiáng)度的變化可能是可行的。實(shí)際工程中，隨雨季的到來，鐵路路堤逐漸處于飽和狀態(tài)，路堤的強(qiáng)度隨含水量的增加而逐漸降低。對(duì)于沒有足夠強(qiáng)度儲(chǔ)備的且正在運(yùn)行的路堤來說，是非常的

28、。這里的試驗(yàn)結(jié)果表明，如果在鐵路運(yùn)行過程中，對(duì)路堤填料剪切波速的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)可能是一種其強(qiáng)度變化的有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于不同土類、不同灰土比、不同含水量條件下的石灰改良土，其壓縮強(qiáng)度和剪切波速都隨齡期的增大而有明顯提高。中的結(jié)果表明，石灰改良土初期強(qiáng)度較低，但增長(zhǎng)速度比后期快，28天齡期的石灰土強(qiáng)度為14 天齡期強(qiáng)度的117倍左右，60天齡期的石灰土強(qiáng)度為28天齡期的109倍左右。從表2-4可以得出，28天齡期石灰土的剪切波速為14天齡期剪切波速的118倍左右。這些分析結(jié)果表明，剪切波速(彈性波速)隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化與壓縮強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化趨勢(shì)是一致的。有關(guān)研究表明，石灰

29、劑量較低時(shí)，石灰主要起穩(wěn)定作用，使士的塑性、膨脹、吸水量、聚水量減小，土的密度、強(qiáng)度得到提高。但當(dāng)劑量超過一定范圍，過多的石灰將在土顆粒間的空隙中以以及收縮性的增強(qiáng)。灰的形式存在，從而導(dǎo)致石灰士強(qiáng)度的下降同一種土在同一齡期下，改良土的壓縮強(qiáng)度、彈性波速隨灰土比的增大而增大，壓縮強(qiáng)度與彈性波速的變化趨勢(shì)是一致的。以粉質(zhì)粘土I為例具體說明一下， 14天齡期時(shí)，灰土比為6：100的改良土壓縮強(qiáng)度為灰土比是4：100的改良土壓縮強(qiáng)度的124倍，前者的剪切波速是后者的118倍。同樣，灰土比為8：100，10； 100時(shí)壓縮強(qiáng)度和剪切波速成倍增大。因改良土中石灰摻量相對(duì)較少，改良土的壓縮強(qiáng)度和剪切波速還未

30、曾現(xiàn)降低的趨勢(shì)。自然界中，不同土類的土顆粒級(jí)配差別很大，因而有些土料的粒徑和級(jí)配并不符合配置石灰土的要求。實(shí)驗(yàn)表明石灰土的強(qiáng)度隨土塑性指數(shù)增大而增大，在粘性土中加入適量的石灰，可以使其塑性降低，有效改良土壤顆粒的粘附性，進(jìn)而提高石灰改良土的強(qiáng)度，但土的塑性指數(shù)不是越大越好。實(shí)踐表明，粉質(zhì)粘土作穩(wěn)定土的效果最好。另一方面，石灰加入土中后，在水的參與下發(fā)生離解，離子交換作用后粘土膠體顆粒發(fā)生凝聚團(tuán)粒化，土粒比表面積減小，結(jié)合力增大。由于離解產(chǎn)生的離子結(jié)合水膜較薄，因而由粘土顆粒結(jié)合而成的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)也具有較薄的結(jié)合水膜，從而使土的分散性、坍塌性、親水性、粘塑性和膨脹性降低，土微粒團(tuán)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性得

31、以提高。在選擇石灰土的土料時(shí)還應(yīng)注意：土料中是否含有對(duì)石灰土起不良作用的成分，如果有則不宜直接采用。雖然試驗(yàn)用粉土的最大干密度比粉質(zhì)粘土的高，但相同配合比、同一齡期下石灰改良粉質(zhì)粘土的壓縮強(qiáng)度要高于石灰改良粉土的壓縮強(qiáng)度；剪切波速也有相同的變化趨勢(shì)。這說明，由于土類不同引起的剪切波速變化能夠間接反映壓縮強(qiáng)度的變化。以上分析表明，各種影響變化時(shí)，石灰改良土剪切波速的變化趨勢(shì)與壓縮強(qiáng)度的變化趨勢(shì)是一致的，這表明如果在剪切波速與抗壓強(qiáng)度之間建立起唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以依據(jù)石灰改良土的剪切波速變化來評(píng)價(jià)其壓縮強(qiáng)度的變化。為此，圖32給出了三種石灰改良土在同一齡期下壓縮強(qiáng)度隨剪切波速的變化關(guān)系 (包括最優(yōu)

32、含水量和飽和含水量?jī)煞N情況)從這些圖中可以直觀地看出，對(duì)于同一種改良土，在同一齡期下其壓縮強(qiáng)度與剪切波速之間具有良好的相關(guān)關(guān)系。圖 3.3給出了在最優(yōu)含水量情況下壓縮波速與壓縮強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系。從這些圖中也可以直接看出，對(duì)同一種改良土，在同一齡期下其壓縮強(qiáng)度與壓縮波速之間同樣具有唯一相關(guān)關(guān)系，但和剪切波速相比，離散性較大。本節(jié)通過對(duì)兩種粉質(zhì)粘土與一種粉土進(jìn)行石灰改良試驗(yàn)，探討了養(yǎng)護(hù)齡期、石灰摻量、含水量對(duì)其剪切波速、壓縮強(qiáng)度的影響、基本變化規(guī)律及其相關(guān)性。試驗(yàn)結(jié)果表明，石灰改良土壓縮強(qiáng)度、剪切波速反映出大致相同的變化趨勢(shì)。石灰改良土的壓縮強(qiáng)度、剪切波速隨摻灰量、養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大。石灰改良土含水量的變化對(duì)其壓縮強(qiáng)度、剪切波速的影響較大，試樣飽和后，三種石灰改良土的壓縮強(qiáng)度與剪切波速大約分別降低30與20左右，因此，在雨季，通過對(duì)改良土體剪切波速的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)其強(qiáng)度的變化，對(duì)于避免發(fā)生潰堤事件是十分必要的，具有重要的工程意義。不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同灰土配合比條件下，石灰改良土的壓縮強(qiáng)度與剪切波速之間有良好的唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)基本上不低于097，且剪切波速比壓縮波速更能真實(shí)反映石灰改良土的強(qiáng)度特征：因而，依據(jù)水泥改良土的剪切波速評(píng)價(jià)其強(qiáng)度特性是可行的。同時(shí)也為石灰改良土的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。第四章結(jié)論與建議本文通過大量的室內(nèi)靜三軸試驗(yàn)，對(duì)改良土