重载铁路水泥改良膨胀土工程特性与路用性能

论文作者:匿名 论文来源:https://www.bgsywzz.cn/ 发布时间:2021/01/09

  摘要:为了探究重载铁路水泥改良膨胀土路基填料的工程特性及路用性能,采用室内动三轴试验、微观结构试验、路基原位动力试验相结合的方法,揭示了膨胀土掺入水泥3%~5%改良前后静态指标与动态指标的变化特征,分析了水泥掺量5%和3%改良膨胀土分别用作重载铁路基床底层及以下路堤填料建设期的工作性能,评估了服役期列车动载作用下路基的动力稳定性.研究结果表明:膨胀土掺入3%~5%水泥改良后,强度提高同时胀缩性显著降低,水稳定性提高3~4倍;相比重塑素膨胀土,水泥掺量3%~5%改良膨胀土临界动应力提高5~6倍;检测路基压密程度与强度指标满足规范且有较大富裕,监测路基中线地基沉降在铺轨前处于稳定状态;原位动力测试表明列车动载作用下路基的动应力沿深度逐渐衰减,在基床表层与基床底层范围内最大衰减量分别可达40%和80%以上,动应力影响深度是基床设计厚度的1.4~1.8倍,动应力影响深度范围内路基的动应力值远小于同位置填料的临界动应力,运营期路基动力稳定性满足安全服役要求.研究成果能够为重载铁路水泥改良膨胀土路基精细化建设养修提供理论参考.


  关键词:水泥改良膨胀土;工程特性;路用性能;重载铁路


  相比普通铁路与高速铁路而言,重载铁路运营期路基的振动响应特性更突出[1].基床作为路基结构核心层部分,必须具有足够的强度与刚度满足路基稳定[2],要严格控制路基填料指标.《重载铁路设计规范》(TB10625—2017)[3]对路基填料明确规定:基床底层采用D组填料时应采取土质改良措施.新建蒙华重载铁路三门峡至荆门段,沿线分布大量膨胀土,属铁路工程D组填料,在无优质填料可供替换前提下,需要对膨胀土进行改良使其满足设计要求.目前,工程实践中多采用石灰改良,其效果在高速公路、普通铁路[4]及高速铁路[5]路基工程中得到检验.近年来,水泥改良膨胀土逐渐应用于工程实践,但其用作重载铁路路基填料的案例相对偏少,系统探索其工程特性与路用性能对指导膨胀土区域重载铁路精细化建设养修具有重要意义.


  Petry等[6]在美国土木工程师学会(ASCE)成立150周年时,回顾了欧美国家近60年膨胀土工程处置原理与方法,其中很大篇幅集中于石灰改良膨胀土.近10年,国内外针对改良膨胀土研究领域主要有:(1)掺灰量、含水率、压实度等路基填料指标控制;(2)填筑工艺优化;(3)施工质量评估.结合室内试验,周葆春等[7]分析了石灰改良膨胀土应力-应变-强度相关特征;边加敏等[8]总结了养护时间、初始含水率、掺灰率等与石灰改良膨胀土抗剪强度指标的相关性;汪明武等[9]从宏微观角度探讨石灰改良膨胀土非饱和强度特征;刘泽俊等[10]进一步探索了浸水条件下石灰改良膨胀土工程特性的变化规律.针对水泥改良膨胀,高建伟等[11]对比分析了膨胀土掺入水泥后微观结构与无侧限抗压强度变化规律,在此基础上唐云伟等[12]进一步分析了水泥改良膨胀土无侧限抗压强度与水泥掺量、龄期关系;谭文超等[13]总结干湿循环会降低水泥改良膨胀土的强度及剪切波速,李星等[14]得出干湿循环会加剧水泥改良膨胀土填料动力特性.


  由以往中国铁路工程实践来看,膨胀土地区既有铁路线路基的完好率仅为25%,说明填料除借助室内试验进行工程特性分析外,还要结合更多途径论证其填筑后的长期路用性能,具体可从功能性和适用性两方面进行归纳:功能性主要考虑为轨上振动体系提高足够支撑力与刚度,可通过填料类型、填筑质量(侧重分析填料压密程度与力学强度)等指标控制完成;适用性能主要通过严格控制运营期路基长期动力稳定来保障.路基在静载作用下能保持稳定,但在循环动载作用下其强度会逐渐降低,导致线路使用功能降低甚至出现破坏[15].因此,重载铁路填料路用性能侧重探究路基长期动力稳定,例如:杨果林等[16]结合现场激振试验和室内动三轴试验,分析云桂高速铁路石灰改良膨胀土路基动力稳定性.


  综上可知:循环车辆荷载作用下重载铁路路基振动响应程度显著,对基床核心层路基填料工程特性与路用性能要求更为严格;目前国内缺乏膨胀土地区修建重载铁路的实践与案例,结合重载铁路探究水泥改良膨胀土路基填料工程特性与路用性能研究相对较弱;已有文献研究改良膨胀土路基类型多为石灰改良膨胀土,针对水泥改良膨胀土研究相对较少,且考虑工程背景多为高速公路、普通铁路与高速铁路,相应研究成果不能直接套用到重载铁路中.本文依蒙华重载铁路三荆段水泥改良膨胀土路基工程背景,结合室内土工试验、填筑期检测与监测、现场激振试验等数据,探究了重载铁路水泥改良膨胀土路基填料的工程特性与路用性能,能够为重载铁路水泥改良膨胀土路基建设养修提供理论参考.


  1膨胀土掺水泥后工程特性变化


  1.1静态指标变化


  土样选取蒙华重载铁路三荆段南阳工区邓州大山寨取土场,水泥型号PO.42.5.试样制备按照《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2010)[17]和《土工试验规程》(SL237—1999)[18]执行,重型击实制样压实,养护时间28d,改良前后指标对比结果如表1所示.


  (1)微观结构及粒径.由图1扫描电镜结果(放大2000倍,蒙脱石试样)可知:膨胀土掺入水泥因“团聚”作用,孔隙减少,结构更致密,说明掺水泥对其结构进行了改变.由表1可知:膨胀土掺入水泥后黏粒含量大幅减少,从改良前的44.3%降到改良后的22.0%~27.3%;粉粒含量从改良前的50.3%增到改良后的52.2%~55.8%(增幅较小);砂粒含量从改良前的5.4%增大到改良后的20.1%~22.3%(增幅相对较大).


  (2)胀缩特性.膨胀土掺水泥改良后自由膨胀率减小到改良前的35%~49%,有荷膨胀率显著降低(50kPa时基本降为0),膨胀力降低至14kPa以下,可见水泥改良对减弱膨胀土的膨胀性效果明显;膨胀土掺水泥后收缩系数由0.91降到0.52(降幅42.86%),说明掺水泥不但能消除土膨胀性,对降低工后的收缩变形也是有一定效果;改良前后土缩限无明显变化或略有增大.


  (3)强度指标.膨胀土掺入水泥改良后强度大幅提高;相比天然膨胀土,水泥掺量3%~5%改良膨胀土的黏聚力提高了3.07~5.47倍,内摩擦角提高14.95%~65.89%;测试7d饱和无侧限抗压强度为866~1170kPa,远超出规范(不小于350kPa,冻融循环时不小于600kPa)的要求.


  (4)水稳定性指标.对膨胀土掺入水泥改良前后水稳定性系数进行对比.水泥水稳定系数为


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  式中:qu1、qu2分别为水泥改良膨胀土7d饱和无侧限抗压强度和无侧限抗压强度.


  Kw愈小,浸水后土体强度降低得愈显著.由表1可知:膨胀土未改良时水稳定性系数为0.18~0.25,水稳定性较差;膨胀土掺入3%~5%水泥改良后,水稳定性系数大于0.8,说明水泥改良土具有良好的水稳定性.


  (5)膨胀土掺水泥与石灰改良效果对比.水泥与石灰该两部分指标结果如表2所示.


  由表2可知:水泥膨胀土的自由膨胀率减小到改良前的35%~49%,石灰膨胀土的自由膨胀率减小到改良前的32%~41%,说明膨胀土掺入石灰更有利于降低土的膨胀率;掺量3%水泥改良膨胀土饱和无限抗压强度、黏聚力与内摩擦角,分别是同掺量石灰改良膨胀土2.81、2.13、1.49倍,说明膨胀土掺入水泥改良更有利于提高膨胀土的7d饱和无侧限抗压强度.


  1.2动态指标变化


  对水泥改良膨胀土开展不同动应力幅值、围压和频率等工况动三轴试验.试样为直径39.1mm、高80mm圆柱体,在最优含水率(15%)下重型击实制成(压实度95%,养护28d).选取固结围压σ3为15、30、60kPa进行试验,分别模拟路径表面以下0.6~3.0m深度的路基填料侧压力环境,采用单幅振动正弦波加载模拟列车荷载.试验采用不排水条件,试样破坏标准为应变之和ε=5%.试验主要内容如表3所示.


  在掺量3%,频率为1Hz,σ3分别为15、30kPa时,对加载不同动应力σd条件下试验,绘制试样累积应变εp随振动次数N的变化关系如图2所示.可知:水泥改良土累积应变随振次发展趋势可分为稳定型、临界型和破坏型3种.介于稳定型与破坏型之间曲线对应的应力幅值范围为“临界动应力”.结合试验结果,统计不同试验条件下水泥改良膨胀土临界动应力如表4所示.


  由表4可知:重塑素膨胀土临界动应力21.60~34.90kPa,水泥掺量3%和5%改良膨胀土路基填料的临界动应力分别为148.80~233.10kPa和145.60~249.70kPa,其平均值分别是重塑素膨胀土6.8倍和7.0倍,即膨胀土掺入水泥改良后临界动应力相应提高了约5.2~6.1倍.


  2水泥改良膨胀土路用工作性能


  膨胀土水泥改良后胀缩性明显改善,力学强度与水稳特性大幅提高,基床底层及以下路堤分布采用5%和3%水泥改良膨胀土进行填筑,建设期测试数据分析如下.


  2.1填筑期质量检测与变形监测


  路基填筑期主要检测压实系数K、地基系数K30和无侧限抗压强度qu(如图3所示),检测数据分析参考文献[3].建设期路基变形主要借助路基中心地基埋设沉降板进行监测分析.


  现场检测与监测数据如图4所示,图中:厚度1为5.86m,是水泥掺量3%改良膨胀土(路基本体);厚度2为1.900m,是水泥掺量5%改良膨胀土(基床底层);厚度3为0.60m,是A组粗颗粒填料(基床表层).由图4(a)可知:基床底层及基床底层以下路堤本体的压实系数分别为0.955~0.985和0.948~0.981,基床底层压实系数大于0.950(规范最低限制要求);基床底层地基系数为134~155MPa/m,超出规范B组填料最低限制130MPa/m要求;基床底层以下路堤本体地基系数为132~148MPa/m,超出规范B组填料最低限制110MPa/m要求.


  由图4(b)可知:现场取样测试基床底层7d无侧限抗压强度1600~1800kPa,基床底层以下路堤无侧限抗压强度1200~1450kPa,远超出规范(不小于350kPa,冻融循环时不小于600kPa)的要求.


  由图4(c)可知:DK948+275断面路基中心地基沉降曲线随填筑高度(荷载)增加呈“快速-缓慢-稳定”三阶段特征;到达稳定阶段,累计沉降值40.91mm,沉降速率仅为0.03mm/d,说明铺轨前水泥改良膨胀土路基沉降处于稳定控制状态.


  2.2运营期路基的长期动力稳定


  文中主要借助临界动应力法对路基长期动力稳定性进行评估,填料临界动应力前文已结合动三轴试验进行了分析,现结合激振试验分析重载铁路水泥改良膨胀土路基动应力水平.选用同济大学研制的ZBS60型变频、变矩式振动机,德国IMC数据采集系统,元件为JMYJ-1503m电阻式动土压力盒与CA-YD-117压电式加速度传感器.测试断面元件布置方案及元件的埋设保护等过程,如图5所示.


  测试动应力沿路基深度变化及衰减曲线如图6所示.由图6可知:轴重21t客车时速120、170、200km运行路基面动应力幅值依次为81.61、93.89、99.16kPa,速度每增加1km/h,对应路基面动应力提高0.22kPa;速度120km/h轴重25、27、30t货车的运行时,路基面动应力幅值依次为98.92、105.89、118.46kPa,轴重每提高1t,对应路基面动应力幅值提高3.91kPa,说明货车相比客车动力响应更突出.动应力沿路基深度衰减,主要发生在基床范围内,到达基床表层底面时衰减系数约0.6,说明动应力在基床表层范围内衰减可到40%以上;动应力到达基床底层底面衰减系数略小于0.2,说明动应力在基床范围内衰减可达80%以上.


  测试断面动土压力盒量程0.2MPa,路基面最大动应力(118.46kPa)约为组件量程59.23%,可以确保测试过程中组件一直处于良好工作状态.


  动力影响深度是铁路设计重要指标,通常认为同一位置动应力与静应力之比大于0.2范围为动力影响深度.如表5所示:时速120km轴重21t客车运行时,路基深度2.5m处动静应力比大于0.2,路基深度3.5m处动静应力之比小于0.2,则动力影响深度为2.5~3.5m;时速120km轴重25~30t货车运行时,路基深度3.5m处动静应力比大于0.2,路基深度4.5m处动静应力比小于0.2,则动力影响深度为3.5~4.5m.可见蒙华铁路运营,动力影响深度超过基床设计厚度值2.5m,尤其是货车运行影响深度达到基床设计值的1.4~1.8倍.因此,需要对重载铁路水泥改良膨胀土填筑后路基的长期动力稳定进行评估.


  借助路基动应力测试结果与填料临界动应力数值,对重载铁路水泥改良膨胀土路基长期动力稳定进行评估,如表6所示,基床表层A组粗颗粒填料临界动应力参考文献[19]选取,车速为120km/h.


  3结论


  依托蒙华三荆段改良膨胀土路基背景,结合室内试验、现场测试等方法,探究了水泥改良膨胀土工程特性及路用性能,主要结论如下:


  (1)膨胀土掺入水泥改良后静态与动态指标均存在不同程度变化;膨胀土掺入水泥改良后细颗粒含量降低,粗颗粒含量增加,强度与水稳定性显著提高,胀缩性得到明显改善,临界动应力提高5~6倍,说明改良方案合理;对比水泥与石灰改良部分指标知,水泥改良在降低土的胀缩性方面与石灰改良功效相当,但在提高土的强度方面水泥表现更好,更适合在重载铁路路基工程中推广应用.


  (2)填筑期检测基床底层及以下路堤压实系数大于0.950,地基系数分别为134~155MPa/m和132~148MPa/m,7d无侧限抗压强度1200~1800kPa(规范值≥300kPa),监测路基中心地基沉降在建设期基本完成;检测与监测数据验证水泥掺量5%和3%改良膨胀土分别用作重载铁路基床与底层路堤本体填料时,填筑质量与变形状态控制良好,建设期路基工作稳定.(3)动力测试表明,轴重21t时速120~200km客车运行路基面动应力幅值81.61~99.16kPa,时速120km轴重25~30t货车运行路基面动应力幅值98.92~118.46kPa;测试动应力沿路基深度方向逐渐衰减,到达基床范围衰减达到80%,动力影响深度约为基床设计厚度(2.5m)的1.4~1.8倍;借助临界动应力法评估知,路基不同深度动应力远小于同位置填料临界动应力,说明水泥掺量3%~5%改良膨胀土用作重载铁路基床底层及以下路基填料长期动力稳定满足要求.

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