（岩土工程专业论文）高速铁路路基填料—水泥改良土的工程性质.pdf

摘要 摘要 高速铁路路基必须具有强度高、刚度大、稳定性和耐久性好、不易变形、纵向 变化均匀或变化缓慢的工程性质。然而，在筑路沿线往往缺乏满足高速路堤要求的 填料土。因此，对现有填料进行水泥改良是有效的途径之一，并在铁路工程中得到 广泛的应用，但是因为其施工质量受多种因素影响而难以控制，所以开发方便、快 速、可靠的高速路堤水泥改良土无损检测方法具有重要的意义。针对上述问题，本 文作了以下研究工作： 通过大量室内试验，得到影响水泥改良土的压缩强度与弹性波速的主要因素为 水泥改良土的养护龄期、土料类别、掺灰比和含水量。 进而，分析影响水泥改良土的压缩强度和弹性波速的因素，研究水泥改良土弹 性波速与强度的相关关系，得出水泥改良土的剪切波速和压缩强度的相关性比压缩 波速要好，因此用剪切波速反演水泥改良土的物理力学指标有更高的可靠性；这一 研究成果为无损检测方法提供了理论依据。 将人工神经网络技术引入高速路堤水泥改良土工程无损检测中，建立了水泥改 良土弹性波速、养护时间、土类与压缩强度和灰土比之间的b p 神经网络模型。应 用此模型可以较为准确地预测水泥改良土的工程性质指标。 考虑环境改变对水泥改良土强度的影响，通过试验初步探索产生影响的原因。 结果表明：在水泥改良土土料中加入粗颗粒料，可以在水泥改良土中形成较好的刚 性骨架，减少结构的干缩湿涨变形，从而能够减小环境改变对其力学性能的影响。 关键词：水泥改良土水泥改良土的弹性波速改良土的无损检测 摘要 a b s 仃a c t a tp r e s e n t , d e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dr a i l w a yd e m a n d sas u b g r a d et h a tp o s s e s s e s s u c he n g i n e e r i n gp m p e r t i e sa sh i g h e rs t r e n g t h , g r e a t e rr i g i d i t y , m o r es t a b l ea n dd u r a b l e ， l o w e rs t r a i na n dh o m o g e n o u si n l o n g i t u d i n a l u s u a l l y , s u b g r a d e - f i l l i n gm e e t sa b o v e d e m a n dc a n n o tb ee a s i l yo b t a i n e da l o n gt h er a i l w a y t h e r e f o r e ，i t sa l le f f e c t i v em e t h o do f u s i n gc e m e n t t o i m p r o v et h ei n - p l a c ef i l l i n g a n di th a sb e e na p p l i e di n r a i l w a y c o n s t r u c t i o n ，b u tc o n s t r u c t i o nq u a l i t yo ft h i sk i n do fs u b g r a t ec a n tb ee a s i l yc o n l r o l l e d b e c a u s e o fm a n yf a c t o r s s oi ti si m p o r t a n tt od e v e l o paq u i c k , s i m p l ea n dr e l i a b l e n o n - d e s t r u c t i v em e t h o dt o e x p l o r et h es u b g r a d e t os o l v et h ep r o b l e m ，f o l l o w i n g r e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n e f i r s t , al o to f l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s a r cm a d ea n dt h er e s u l t ss h o wt h a tm a i nf a c t o r s a f f e c t i n gt h ec o m p r e s s i o ns 扛e n g t ha n de l a s t i cw a v ev e l o c i t yo f c e m e n t - s o i la r ec u r i n ga g e ， s o i lt y p e ，r a t i oo f c e m e n tt os o i la n dw a t e rc o n t e n t f u r t h e r , t a k ei n t oa c c o u n tt h e s ef a c t o r s ，c o r r e l a t i o nb e t w e e ne l a s t i cw a v ev e l o c i t ya n d s t r e n g t hi si n v e s t i g a t e d r e s u l t ss h o wt h a tc o r r e l a t i o nb e t w e e ns h e a rw a v ev e l o c i t ya n d s t r e n g t hi sb e t t e rt h a nt h eo n eb e t w e e nl o n g i t u d i n a lw a v ev e l o c i t ya n ds t r e n g t l la sar e s u l t , i t sm o r er e l i a b l ei fs h e a rw a v ev e l o c i t yi su s e dt oc a l c u l a t et h es t r e n g t h t h er e s e a r c h f i n d i n gs u p p l i e st h e o r yb a s i sf o rn o n - d e s t r u c t i v em e t h o d b pn e u r a ln e t w o r km o d e lb e t w e e ne l a s t i cw a v ev e l o c i t y , s o i lt y p e ，c u r i n ga g ea n d c o m p r e s s i o ns t r e n g t h , r a t i oo f c e m e n t t os o i lo f c e m e n t - s o i li se s t a b l i s h e d a n dt h i sm o d e l c a ne s t i m a t ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so f c e m e n t - s o i l l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s a r em a d et o i n v e s t i g a t e t h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n t c h a n g i n gt op r o p e r t i e so f c e m e n t - s o i l t h er e s u l t ss h o wt h a ti f s o m el a r g eg r a i n e df i l l i n g s a r ea d d e di n t ot h ec e m e n t - s o i l ，r i g i ds k e l e t o nw i l lf o r mi nt h ec e m e n t - s o b ，w h i c hm a k e s t h ed e f o r m a t i o ni nd r ya n dh u m i de n v i r o n m e n ta n dt h ei n f l u e n c et om e c h a n i c a lp r o p e r t y o f c e m e n t s o i ld e c r e a s e k e yw o r d s ：c e m e n ts o i l ，e l a s t i cw a v ev e l o c i t yo fc e m e n t - s o i l ，n o n d e s l r u c t i v e d e t e c t i o no f i m p r o v i n gs o i l s 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：糍竿 签字日期 2 0 0 5 年1 月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：浮甏毕新妊书 签字日期： 2 0 0 5 年1 月 日签字日期：2 0 0 5 年1 月j 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 世界高速铁路运行以来，其安全可靠为世人瞩目。要使列车高速安全平稳地运 行，线路的稳定与平顺是必不可少的条件。路基是轨道的基础，因此高速铁路要求 路基必需具有强度高、刚度大、稳定性和耐久性好、不易变形、纵向变化均匀或变 化缓慢等工程性质【l “。 高速铁路路基一般由基床( 分表层和底层) 、基床以下路基填土和地基等几部 分组成。基床及基床以下路基填土是由散体材料组成的，散体材料容易产生变形， 抵抗振动的能力弱，因此基床及基床以下路基填土是线路结构中最薄弱的，也是最 不稳定的环节，仅就路基而言，路基的变形是制约列车高速运行的重要因素之一。 路基的变形直接反映到轨面上，它对轨道的影响主要表现为垂直下沉，除路基自重 产生的压密下沉外，它们在列车多次重复荷载作用下还产生累积永久下沉( 塑性残 余变形) 。过大的不均匀的变形将导致路基病害，造成轨道的不平顺，既加剧列车线 路的动力作用，也给高速线路养护维修造成难以克服的困难。 高速铁路基床及其下部填土是人工填筑部分，填料的工程性质必须满足一定的 要求，一般应该使用品质优良的填料卜”，这样既可以减少工后沉降，又可以有较高 的安全储备以保证路基的稳定，并且不产生病害。实际观测表明1 8 ，采用优质、级 配良好的粗粒料可以大大减少路基的后期沉降，因此路基填料在尽可能的条件下选 择好的填料。 在我国许多地区，尤其是多雨的南方，高塑性、高液限的粘土分布很广，由于 它们的工程i 生状不良，修筑铁路路基时如何选用较优的填料，防止基床痛害，一直 是铁路路基设计施工中一个很重要的课题。我国既有线路使用的填料也大多不能满 足有关规范的要求1 9 ，如沪杭复线k 2 1 1 0 0 问，就使用了大量塑性指数大于1 2 的c 类土及不应使用的d 类土和严禁使用的e 类土，其结果是路基病害丛生，严重的影 响了列车的正常运行，大大制约了铁路运输效能的发挥。 一般铁路线路均较长，通过地段的地质条件复杂，都使用优质填料的可能性不 大，特别是京沪线，业已进行的调查说明，优质填料a 组缺乏，b 、c 组也不多， 第一章绪论 若不采用特别的办法，大量填料就需远运，特别是徐州至南京段，碎石来源较少， 运距较远，造价较莳剐。虽然整条线路中路基的比重在尽量压缩，但仍要占5 0 左 右，这样长的线路需要大量的土石方，为了解决这一难题，需扩大可用填料的范围， 也就是要将部分c 、d 组填料经过改良以后使用。用水泥对不符合要求的路基填料 土进行改良是一种有效的工程措施。了解改良后填料土的工程性质，开发评价改良 土工程性质的标准与相应的方法，对于在路基工程中推广使用改良土是十分重要的。 1 3 水泥改良土的研究现状 水泥改良土是一种性能较好且比较廉价的土工改良材料。它通过机械，使原状 土与水泥充分混合，经过适当的养护期，即成为一种具有一定力学强度和耐久性能 的土工改良材料，可以广泛地应用于水利、交通和建筑等各类土木工程中。水泥改 良土作为一种土工改良材料，虽然在国内应用时间较晚，但是近年来在工程中广泛 应用表明【l o q l ，只要能控制好水泥改良土的施工质量，一般来说就能够获得比较满 意的效果。因而，这种土工改良材料愈来愈引起人们的兴趣和重视。 人们从影响水泥土抗压强度的因素方面对水泥土进行了研究： 1 、土类的影响。有关资料表明【1 2 j 土料的粒径和级配对水泥土抗压强度有很大 的影响，配制水泥土最理想的土料类似于配制混凝土对骨料的要求，应当具有较好 的粒径级配。通过试验证明，增加土中粗粒土含量可提高水泥改良土的强度，反之， 水泥改良土的强度随着粘粒含量的增加而不断降低。杨广庆【1 3 】等进一步分析粘粒含 量增加致使强度降低的原因，认为用水泥改良粘粒含量较高的粉质粘土或粘性土时， c a ( o h ) 2 首先与粘粒作用致使碱性介质不能顺利形成，从而妨碍水泥水化物的正常 硬化，继而强度降低，得到水泥适用于改良不均匀系数c 。 1 0 ，i p 1 2 且w l o 2 5o 2 5 - 0 0 7 50 0 7 5 - 0 0 0 5d事h8舌 一s，邑扫一8墨u冉手矗兰 第二章水泥土的室内试验与分析 图2 - 5 水泥改良土的压缩波速随养护龄期的变化关系 2 4 4 水泥掺入量的影响 从图2 3 一图2 - 5 试验结果已经表明，水泥掺入量对改良土的性能指标有明显影 响。为清楚起见，图2 6 一图2 7 又给出了养护龄期达到6 0 天时，水泥改良土的压 缩强度、弹性波速随水泥掺入比的变化关系曲线，这些结果表明： 1 、水泥改良土的压缩强度、弹性波速随着掺灰土比的增大而增大，同一养护 龄期下，压缩强度与弹性波速的变化趋势是一致的。 2 、分析图2 6 的结果可以发现，在其它试验条件相同的情况下，灰土比对水泥 改良土的压缩强度达到其最终稳定值有很大的影响。这是因为水泥改良土中水泥的 掺入量越大，水泥固结土颗粒的能力就越强，压缩强度就越高，而且水泥改良土压 第二章水泥土的室内试验与分析 缩强度最终稳定值和灰土比大体上成线性关系。 3 、分析图2 7 中的试验结果可以发现，在其它试验条件相同的情况下，灰土比 对水泥改良土的6 0 天弹性波速值有很大的影响，随着灰土比的增加，6 0 天养护龄 期的弹性波速有明显的增长，而且水泥改良土弹性波速6 0 天值和灰土比大体上成线 性关系。 3 0 0 0 言 皂 b n 2 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 3 0 0 0 霄 皂 r 2 0 0 0 1 0 0 0 3 0 0 0 奇 皂 矿 占 2 0 0 0 1 0 0 0 o o w e i g h tp e r c e n t ( c e m e n t ：s o i l ) 图2 - 6 水泥改良土压缩强度随灰土比变化曲线 咖。岔d)oco。： 第二章水泥土的室内试验与分析 童3 0 0 。 雷 1 2 0 0 0 o 1 0 0 0 o 0 o 图2 7 水泥改良土弹性波速随龄期变化 上述分析表明，压缩强度与弹性波速随灰土比的变化关系都是线性的。因此， 由于灰土比的差异而引起的弹性波速变化能够反映压缩强度的变化。 2 4 5 土的颗粒级配对水泥改良土工程性质的影晌 自然界中，不同土颗粒级配差别很大，因而有些土料的粒径和级配并不符合配 置水泥土的要求。配置水泥土的理想土料类似配置混凝土对骨料的要求，应具有较 好的粒径级配。有关资料表明1 1 2 1 ，增加土中粗粒含量可提高水泥土的强度；反之， 水泥土强度随着细粒土( 粒径小于0 1 m m ) 的增加而不断降低。 土料中含有一定数量的粘粒( 粒径小于o 0 0 5 m m ) 是水泥土优越性之所在。在 水泥掺量不多的条件下，粘粒中凝胶与水泥固结形成骨架，而粘粒的胶结能力可以 2 0 0 o o 0 0 o 3 2 童言一m2。d， 咖 ，岔毫茸。弘娄， 第二章水泥土的室内试验与分析 很快体现出来，从而使材料具有一定的初期强度，但水泥土中粘粒含量不能过多。 据有关资料介绍【l “，粘粒含量1 0 - - , 2 5 是级配较好的土料，国内的有关资料也表明 【1 3 】，土料中粘粒含量不超过1 5 ，又不低于7 ，而且粗粒含量较多是级配良好的 水泥改良土土料。由于水泥土强度受多种因素的影响，比如说养护条件、温湿度、 水泥掺入量、制样含水量等等。对于本次试验中水泥掺入4 的水泥改良土，采用 最优含水量制各试样，在标准养护条件下养护，2 8 天养护龄期的压缩强度、弹性 波速随土中粘粒含量的变化见图2 - 8 2 1 0 。通过图示发现，粘粒含量为2 0 左右时 的水泥改良土的压缩强度最大。分析原因，一方面是因为土中粘粒含量很高时，在 现有的拌和工艺条件下拌和不均匀，土和水泥不能够充分接触，另一方面，水泥改 良土在水化反应过程中，大量的钙离子被吸附在粘粒周围，致使碱性介质不能顺利 形成，从而妨碍水泥水化物的正常硬化，继而强度降低。同样，当粘粒含量太少时， 土中的活性物质较少，水泥得不到充分的反应，水泥改良土的压缩强度也很低：分 析图2 - 8 2 1 0 还发现，剪切波速、压缩波速反应出与压缩强度大体相同的变化趋 势，粘粒含量为2 0 左右时弹性波速最高，这进一步说明由于粘粒含量的差异而引 起的弹性波速变化能够间接反映压缩强度的变化。 1 2 0 0 b 1 0 0 0 8 0 0 _。 、 乇 一 f 2 8 天 、 01 02 0 3 0 4 0 01 02 0 3 0 4 0 c l a yc o n t e n t ( )c l a yc o n t e n t ( ) 图2 - 8 粘粒含量与压缩强度的相关关系( 图中2 8 天、6 0 天表示水泥土的养护龄期) 第二章水泥土的室内试验与分析 c l a yc o n t e n t ( )c l a yc o n t e n t ( ) 图2 - 9 粘粒含量与剪切波速的相关关系( 图中2 8 天、6 0 天表示水泥土的养护龄期) c l a yc o n t e n t ( 煳c l a yc o n t e n t ( ) 图2 1 0 粒含量与压缩波速的相关关系( 图中2 8 天、6 0 天表示水泥土的养护龄期) 2 4 7 弹性波速与水泥改良土的相关- 眭 以上分析表明，各种影响因素变化时，水泥改良土剪切波速变化趋势与压缩强 度的变化趋势是一致的，这表明如果在剪切波速与抗压强度之间建立起唯一对应关 系，就可以依据水泥改良土的剪切波速变化评价其压缩强度的变化。为此，图2 1 1 给出了四种水泥改良土的压缩强度随剪切波速的变化关系。从这些图中的直观显示 结果感觉，对同一种改良土，其压缩强度与剪切波速之间具有良好的唯一相关关系， 而且这种关系包含了改良土中水泥含量的多少、养护龄期的长短。也就是说灰土比 与养护龄期的变化均可以在剪切波速与压缩强度这种唯一对应关系中反映出来。为 了进一步定量分析这种相关关系，对图2 1 l 的试验结果进行回归分析，结果见表 2 2 $吕一ji。一。m日暑_la吕& 第二章水泥土的室内试验与分析 2 9 ，表中y 代表静压缩强度，x 代表剪切波速。表2 - 9 的回归分析结果显示出，压 缩强度和剪切波速之间的相关系数接近0 9 5 ，这定量证明了确实可以在水泥改良土 的压缩强度与剪切波速之间建立唯一对应关系。 图2 一1 2 给出了在最优含水量隋况下压缩波速与压缩强度的相关关系，从这些图 中的直观显示结果感觉，对同一种改良土，其压缩强度与压缩波速之间具有唯一相 关关系，但和剪切波速相比，离散性较大，对图2 1 2 的试验结果进行回归分析，结 果见表2 一l o ，表中y 代表静压缩强度，x 代表剪切波速。对比表2 1 0 、表2 - 9 的回 归分析结果，进一步说明剪切波速比压缩波速能更好地反映水泥改良土的强度特征。 表2 - 9 水泥改良土压缩强度与剪切波速的相关关系 土类名称拟合方程相关系数 水泥改良粉质粘土i v = 1 0 0 2 2 9 e o “2 9 1 r 2 = 0 9 5 1 3 水泥改良粉土 y = 1 6 5 6 9 8 e o ”2 “ = 0 9 4 6 5 水泥改良粉质粘士i i v = 6 4 4 5 7 e o ”3 5 1r = 0 9 4 2 2 水泥改良粉质粘土iv ：6 0 7 9 1 e o ”6 z r 。- = 0 9 5 6 5 表2 1 0 水泥改良土压缩强度与纵波波速的相关关系 土类名称拟合方程相关系数 水泥改良粉质粘土i y = 8 2 1 7 e o 0 0 1 9 r z = 0 8 6 9 5 水泥改良粉土 y ：1 4 7 1 口o 0 0 1 5 。 甜卸9 3 6 9 水泥改良粉质粘土i iy ：5 5 2 7 6 e o 0 0 2 1 z 甜= o 8 0 1 9 水泥改良粉质粘土y ：5 15 9 6 e o ”2 2 。r 甸，8 0 1 6 上述结论的工程意义在于，通过确定路基填料层剪切波速的分布，就可以评价 其强度的空间分布，从而达到对路基施工后或运行过程中填料层的力学强度特性的 评价。由于剪切波速是一个现场的无损检测参数，从这个意义上讲，将水泥改良土 的弹性剪切波速作为评价其强度特性的一个现场无损检测参数，就可能对路基填料 的施工质量进行评价。而要做到这一点，只需对需要改良的土通过有限的试验建立 上述关系，这在路基工程实践中是不难做到的。 第二章水泥土的室内试验与分析 s h e a rv a v ev e l o c i t y ( m s ) s h e a rv a v ev e l o c i t y ( m s ) s h e a rv a v ev e l o c i t y ( m s ) 第二章水泥土的室内试验与分析 岔 生 b _ 一 b s h e a rv a v ev e l o c i t y ( m s ) ( 图中2 、4 、6 、8 表示水泥改良土的水泥掺入t k ) 图2 11 水泥改良土缩强度与剪切波速的相关关系 c o m p r e s sw a v ev e l o c i t y ( m s ) 0 0 c o m p r e s sw a v ev e l o c i t y ( m s ) 2 5 第二章水泥土的室内试验与分析 c o m p r e s sw a v ev e l o c i t y ( m s ) 2 5 小结 c o m p r e s sw a v ev e l o c i t y ( m s ) ( 图中2 、4 、6 、8 表示水泥改良土的水泥掺入比) 图2 1 2 水泥改良土缩强度与压缩波速的相关关系 本章通过大量的水泥改良粉质粘土与水泥改良粉土的室内试验，探讨了它们的 弹性波速、压缩强度的基本变化规律极其相关眭。室内实验结果表明，水泥改良土 压缩强度、弹性波速反应出大致相同的变化趋势。水泥改良土的压缩强度、弹性波 速随养护龄期的延长而增长。在养护龄期达到2 8 天前，这两个指标增长较迅速；水 泥改良土土料的粘粒含量对压缩强度、弹性波速影响很大，存在一个最佳粘粒含量 使得其达到最高；在其他试验条件相同的情况下，水泥改良土的压缩强度、弹性波 速最终稳定值和灰土比大体上成线性关系；水泥改良土含水量的变化对其强度、弹 第二章水泥土的室内试验与分析 性波速的影响较大，试样饱和后，两种水泥改良土的压缩强度与剪切波速大约分别 降低3 0 与2 0 左右。在雨季，通过对改良土体剪切波速的监测，时时评价其强度 的变化，对于避免发生溃堤事件是十分必要的。 不同养护龄期、不同灰土配比条件下，水泥改良土的压缩强度与剪切波速之间 有良好的唯一对应关系，其相关系数接近0 9 5 ，且剪切波速比压缩波速更能真实反 映水泥改良土的强度特征；因而，依据水泥改良土的剪切波速评价其强度特性是可 行的。同时也为水泥改良土的无损检测技术奠定了基础。 第三章循环失水后水泥改良土压缩强度的衰化机理分析 第三章循环失水后水泥改良土压缩强度的衰化机理分析 3 1 引言 实际工程中，环境条件的多变主要体现为雨季引起的路堤饱和、旱季引起路堤 失水这一往复循环过程。大量实践表明它是导致路堤填料土力学特性退化，路堤破 坏的重要原因。 王建华等曾就改良土一次失水饱和的动力特性进行了试验研究 3 6 1 ，结果表明改 良土在失水饱和后，改良效果退化，疲劳强度及静强度明显降低。因此在高速铁路 路堤中使用改良土，必须考虑循环失水过程而导致的填料土工程性质的退化问题。 目前，改良土的耐干湿循环能力的定义是指其抵抗自然环境中水分产生破坏的 能力，它是改良土耐久性最重要的指标之一。国内一般参照美国a s t m d 5 5 9 - 4 4 和 a a s h ot1 3 6 - 4 5 “压实水泥土干湿试验标准方法” 3 7 1 , 测定干湿循环造成改良土 的重量损失。a s t m 标准规定，当试样七天标准养护期满后，在室温下放入水中浸 泡5 小时后称重，然后放入7 l 的烘箱中烘4 2 小时取出，用钢丝制成的毛席t j l b t j 掉 试样表面浮粒再称重。这样反复循环1 2 次。然后通过确定改良土的重量损失百分数， 来判断改良土中的固化剂的最小安全用量。 目前的改良土的耐干湿循环能力试验主要从耐久性的角度考虑改良土的性能 指标，而不是评价改良土强度的变化，人们曾对水泥改良土干湿循环后的无侧限抗 压强度做过一些试验【3 8 1 ，试验结果表明，水泥改良土在经过3 次干湿循环试验后， 其无侧限抗压强度不但比干湿循环前( 7 天) 有大幅度的增长，而且比同龄期( 1 3 天) 未进行干湿循环的对比试样还要高出很多，主要原因是由于干湿循环过程中高 温高湿的环境大大促进了改良土中固化剂的水化反应。从这个意义上讲，传统的改 良土的耐干湿循环能力的试验不能用于考虑循环失水饱和过程对水泥改良土强度的 影响。因此，为了更好的模拟实际工程中的环境条件，循环失水过程应该在常温下， 自然状态中进行。 然而，为什么循环失水过程会导致水泥改良土土力学特性的退化呢? 以下将通 过试验对这一问题进行分析。 第三章循环失水后水泥改良土压缩强度的衰化机理分析 3 2 循环失水对水泥改良土强度的影响 3 2 1 循环失水试验 为了对循环失水导致水泥改良土压缩强度退化的机理做进一步的比较分析，进 行如下试验。 选用粉质粘土i 和粉士进行循环失水试验。按灰土比为4 ：1 0 0 制备试验土样。 以2 8 天的养护期为基准( 养护条件：湿度大于9 0 ，温度1 5 3 0 c ) ，按3 0 失水 率控制其失水状态。然后分别按照前述的试验方法测定一次失水饱和、两次失水饱 和与三次失水饱和后，其压缩强度与剪切波速。采用如下方法对土样施行循环失水 饱和。对养护好的土样，将其放置在自然环境中进行失水处理。按制备土样含水量 减小3 0 控制其失水量。当土样达到失水含水量后，对其再进行饱和。如果需要进 行第2 次失水饱和，将第1 次失水饱和后的土样在自然环境中再进行失水处理，然 后进行第2 次饱和。对于需要进行第3 次失水饱和处理的土样，只需重复第2 次失 水饱和过程即可。 3 2 2 试验结果及分析 表3 1 、表3 - 2 与图3 1 给出了两种水泥改良土的循环失水试验结果( 由于此次 试样养护温度低于标准养护温度，压缩强度、剪切波速比试验2 2 中相同水泥掺入 比的同类水泥改良土要低) 。这些结果表明，不管是水泥改良粉土还是水泥改良粉质 粘土i ，试样在经历1 次失水饱和后，强度降低幅度比较大。随着循环失水次数的 增加，强度降低幅度逐渐减小并趋于平缓。以不失水的压缩强度为基准，定量分析 两种水泥改良土强度的退化特性，发现水泥改良粉质粘土i 在经历一次失水后，强 度降低3 6 ，剪切波速降低2 3 ；两次失水之后，强度降低了4 4 ，剪切波速降低 了2 7 三次失水之后，强度降低了4 5 ，剪切波速降低了3 0 。水泥改良粉土在 经历一次失水后，强度刚氏l o ，剪切波速降低9 ；两次失水之后，强度降低了 1 4 ，剪切波速降低了1 4 ；三次失水之后，强度降低了1 5 ，剪切波速刚氐了1 7 。 以上定量分析说明，对于这里选取的两种土，循环失水饱和过程对于压缩强度 与弹性波速的影响主要集中在前两次。 从图3 - 2 可以看出，水泥改良粉质粘土i 、水泥改良粉土三次循环失水所测的压 缩强度与剪切波速满足2 4 7 ( 图2 、1 1 ) 中剪切波速与压缩强度的相关关系，也就是 0 第三章循环失水后水泥改良土压缩强度的衰化机理分析 说水泥改良土失水前和失水后的压缩强度与剪切波速的相关关系基本一致。这说明， 铁路运行后，可以通过对路堤填料层剪切波速的监测，达到对路基运行过程中填料 层的力学强度特性的评价。 表3 1 水泥改良土循环失水压缩强度试验结果 塑渡凹a )不失水 一次强度 两次 强度 三次 强度 土八循环失水降低率c )循环失水降低数峋循环失水刚氐率( 哟 水泥改良 4 5 14 0 51 03 8 71 43 8 51 5 粉土 水泥改良 4 9 83 1 73 62 7 84 42 7 04 5 粉质粘土i 表3 - 2 水泥改良土循环失水剪切波速试验结果 、剪切婆速( m s ) 不失一次剪切波速两次剪切波速三次剪切波速 土美 水循环失水 降低率( ，曲循环失水刚氐率( )循环失水降低率c 呦 水泥改良 4 9 04 4 594 2 11 44 0 91 7 粉土 水泥改良 5 5 04 2 02 34 0 02 73 8 53 0 粉质粘土i 氐 l l + s i l t c e m e n t s i l t 7c l a y c e m e rt o234 n 图3 - 1 水泥改良土压缩强度随循环失水次数变化曲线 0 0 o o o o o 柏 加 佃 舍d)1)bb 第三章循环失水后水泥改良土压缩强度的衰化机理分析 s h e a rv a v ev e l o c i t y ( m s ) s h e a rv a v ev e l o c i t y ( m s ) + 表示水泥改良土三次循环失水后的剪切波速、压缩强度结果 表示2 2 试验中水泥改良土剪切波速、压缩强度结果，曲线表示二者的 拟和关系( 图2 - 1 1 ) 图3 2 水泥改良土循环失水压缩强度与剪切波速相关关系 3 2 3 循环失水饱和后压缩强度的退化机理 水泥改良土是一种复杂的多项分散系，土在水泥改良土中起骨架作用，水泥起 胶结作用，水泥改良土的结构是凝胶体、纤维状结晶和部分土颗粒一起形成骨架， 包裹着大量土颗粒团。水泥改良土中水泥的掺入量很小，土结构中土颗粒团占据着 1 1 第三章循环失水后水泥改良土压缩强度的衰化机理分析 主导作用，小土颗粒团中粘粒含量很高，必然表现出和粘性土相近的物理性质。微 塑性和塑性土颗粒吸水膨胀、失水收缩的特性，可能是导致水泥改良土循环失水后 软化，力学性能退化的一个原因。 工程实践中，人们发现路面水泥改良土的收缩裂缝是不可避免的，路面平均裂 缝宽度为3 - - , 6 r a m ，间距3 , - - 6 m 。一般，水泥改良土粘粒含量越多，收缩裂缝的间距 就越小。改良土结构内部产生裂缝可能是其在失水饱和过程中力学退化的又一原因。 已有的实验结果表明，水泥改良土失水干缩变形很大。干缩变形速率，与龄期 关系非常密切，初期变化急剧，后期变化缓慢，一定龄期后变形趋于稳定。 水泥改良土的干缩率随水泥掺量的降低而加大，并随土料粘粒含量的增加而加 大。土料种类不同，对水泥改良土干缩率的影响也不同。土料塑性大，水分散失后， 干缩值就越大。已有研究表明水泥改良粉质粘土2 8 天龄期的干缩率为水泥改良粉砂 的缸7 倍“2 1 。 有关资料表n a t l 2 1 ，除水泥掺入量外，土料平均粒径的大小对水泥土的干缩也有 一定影响。粗粒水泥土的干缩率随着水泥掺量的增加( 在一定范围内) 和平均粒径 的增大而减小。同时，在细土料的条件下，水泥掺量不变，干缩率随水灰比加大而 显著的增大，也就是说，水泥改良土的成型含水量越大，干缩变形也越大。 综合已有资料1 1 2 1 ，对水泥改良土干缩规律作以下几点归纳： ( 1 ) 水泥改良土的干缩率一般小于1 ： ( 2 ) 影响水泥改良土干缩量的最主要因素是土料的种类。无论水泥粗粒土或 水泥细粒土，大部分收缩量不是在湿养期间产生，而是在随后的干燥其间。 ( 3 ) 在干燥前，干缩量与养护龄期之间似乎并不存在固定关系。 ( 4 ) 当水泥掺量超过某一数值后( 这个数值可能小于配置水泥土时所要求的 水泥掺量) ，水泥改良土的干缩量就会增加。水泥水化作用会消耗细粒土中粘粒吸附 水，圆而形成自行干燥作用并造成收缩。粗粒水泥改良土的情况与混凝土相似，增 加水泥掺量就意味着加大水化水泥浆含量和增加收缩量。 水泥改良土的湿胀变形主要是由水泥改良土的土料中粘粒的含量所决定的，山 东省水利科学研究所曾用龄期1 2 0 天的干缩试验试件做湿胀试验，观测历时六天的 累积变形。结果表明【1 2 1 ，1 2 0 天龄期、具有一定强度的水泥土试件，浸泡饱和后， 粘性土的湿胀变形要比相同水泥掺入量的粉砂大4 0 倍，粉砂水泥土的湿胀变形率为 0 0 3 5 - - 0 0 5 5 ，仅是它2 8 天累计干缩率的三分之一左右；而粉质粘土的湿胀变形 率则为2 8 天干缩率的二倍。 3 2 第三章循环失水后水泥改良土压缩强度的衰化机理分析 根据以上分析，对干湿循环后的水泥改良土力学性能退化的原因做以下分析 定：干湿循环过程中，水泥改良必然发生干缩与湿胀变形。水泥改良土本身又具有 一定的结构强度，干缩与湿胀变形必然受到水泥改良土自身结构强度的限制。当变 形产生的应力超过了水泥改良土自身的结构强度时，首先就会在土颗粒团间相互连 接的薄弱环节产生应力集中，形成微裂缝，当干湿循环不断进行，变形进一步增加， 微裂缝就会不断扩展，造成了水泥改良土自身结构的破坏，从而导致土强度的降低。 当土料中粘粒含量增加时，改良后土的湿胀和干缩变形将会随粘粒的增加而增 加，土中相应的微裂纹也会增多。所以水泥改良土循环失水后的压缩强度也会随粘 粒的增加而降低。在试验3 2 中水泥改良粉质粘土i 的强度降低趋势大于水泥改良 粉土的强渡降低趋势，恐怕就是这个原因。 当水泥改良土在经历一次、两次失水饱和后，水泥改良土内部的微裂缝开展到 一定程度，水泥改良土的干缩湿胀变形有了一定空间，变形在水泥改良土结构中产 生的应力就会减小，微裂缝扩展趋势会逐渐减小，循环失水后压缩强度降低量趋于 稳定。这可能是水泥改良土压缩强度降低主要集中在循环失水过程的前两次的原因。 3 3 试验验证 为了验证上述分析是否正确，以下在原有改良土中加入粗颗粒料，使其级配结 构发生改变，进而探讨循环失水后强度与弹性波速的变化。 3 3 1 试验安排 试验验证选用粉质粘土i 和粉土，粗颗粒料选用级配良好的中砂( 不均系数 c 。- 2 0 ) ，其颗分曲线见图3 3 。按土料重量的1 0 ，2 0 ，3 0 ( 砂重：土重) 对其 进行换土。 第三章循环失水后水泥改良土压缩强度的衰化机理分析 、 1l 1 、 l 、 、 l 、 、 l ol0 10 0 10 0 0 1 g r a i ns i z e ( m m ) 图3 - 3 中砂的颗分曲线 由于时间限制，这里只对换土后的试样分别进行不失水、循环失水一次后的压 缩强度与弹性波速试验。为比较，试验土样的灰土比仍然取4 ：1 0 0 ，养护龄期为2 8 天，养护条件、失水饱和过程同上。每一组土样制各3 个。 3 3 2 试验结果及分析 表3 3 改变颗粒级配后改良土的压缩强度试验结果 改良土类水泥改良粉质粘土i水泥改良粉土 掺砂率c ) 0 i 1 0 l 2 0 i 3 00 l1 02 03 0 不失水强度( k p a ) 4 9 8 i 6 1 2 i 6 3 9 l 4 3 24 5 1 l 5 0 24 0 63 1 1 一次循环失水强度a ) 3 1 7l5 7 6i5 8 6l3 3 64 0 5l4 7 63 6 42 3 4 强度降低率( ) 3 6 l 5 i 8 j 2 21 0 l 51 02 5 表3 _ 4 改变颗粒级配后改良土的剪切波速试验结果 改良土类水泥改良粉质粘土i水泥改良粉土 掺砂率c ， 01 02 0 3 0 0 1 02 03 0 不失水波速( 心a ) 5 5 06 4 76 9 05 3 44 9 05 6 24 6 73 7 0 一次循环失水波速0 a a ) 4 2 05 8 56 0 24 3 24 4 55 3 03 9 62 9 8 强度降f 氐率( ) 2 41 01 31 9751 52 0 表3 3 与表3 - 4 给出了改变颗粒级配后的压缩强度与剪切波速试验结果。把没 有掺入中砂的试验结果与掺入中砂的试验结果在相同的循环失水条件下进行比较发 如舳加如如如加m o 摹_)菪20口眦启西山 第三章循环失水后水泥改良土压缩强度的衰化机理分析 现，两种水泥改良土在掺入1 0 的中砂时，一次失水后的压缩强度、剪切波速降低 幅度均有改善。水泥改良粉质粘土i 压缩强度刚氐率减小了3 1 ，剪切波速降低率 减小了1 4 ；水泥改良粉土压缩强度降低幅度减小了5 ，剪切波速降低率减小了 2 。可见掺入中砂后，水泥改良粉质粘土i 的强度降低率有明显改善。 对水泥改良粉质粘土i 来讲，三种掺入比条件下，一次循环失水后的强度降低 率均比没掺入中砂时的强度、剪切波速降低率有明显提高。这表明，掺入中砂后， 中砂颗粒分散在土中，使水泥改良粉质粘土i 在水化反应过程中形成的团粒减小， 循环失水后，粘粒团的干缩、湿胀变形比较平均、分散，不至于在水泥改良土内部 某一部位产生过大的应力集中；另一方面，土中的中砂就类似于混凝土中的粗骨料， 在水泥改良土中与水泥水化反应物一起形成刚性骨架，使水泥改良土强度增加，当 水泥改良土发生干缩湿胀变形时，水泥改良土抵抗变形的能力增加，限制变形的发 展，减少了微裂缝的产生及延伸宽度，从而提高了循环失水后的强度。 尽管对三种中砂掺入比讲，循环失水后的强度、剪切波速都明显提高，但是掺 入量为1 0 的效果最明显。显然，循环失水后压缩强度、剪切波速减小的相对变化 量不是随掺入量的增加而线性增加的，当掺入量达到3 0 时，其相对变化量已经增 加很小，中砂的掺入量存在一个最佳数值。分析原因，在水泥改良土土料中掺入3 0 中砂后，不仅改变了土料的颗粒级配，也改变了土料原有的物性指标，粘粒含量由 原来的2 2 ，下降为1 5 4 ，粉粒含量也有很大降低，水泥改良粉质粘土的水化产 物随着掺砂量的增加逐渐过渡到类似于水泥改良粉土的水化产物，土料中滑l 生物质 相对减少，水泥水化生成物较少，在颗粒间形成的连接相对减弱，抵抗干缩湿胀的 变形能力减弱，因而循环失水后压缩强度、剪切波速减小的相对变化量并不是随中 砂的掺入量而线性增加。 对水泥改良粉土来讲，只有在掺入比为1 0 的条件下，一次循环失水后的强度、 剪切波速降低率比没掺入中砂时的强度降低率有所提高，但是不明显。分析其原因， 粉土本身粘粒含量较少，大部分颗粒粒径都集中在o 0 7 5 m m 以上。没有掺入中砂时， 一次循环失水后的强度降低也不是十分明显。因此，加入适量的中砂，虽然能够稍 微改变它的颗粒级配，但效果并不明显，压缩强度增加不大，而且加入的中砂较多 时，水泥改良土中活性物质相对减少，土料与水泥水化反应类似于水泥砂浆，当水 泥水化生成物较少时，在颗粒问形成的连接相对较弱，水泥改良土强度降低，抵抗 变形能力相应降低，因而循环失水后的强度降低率有较大的增加。 另一方面，加入中砂后的水泥改良粉质粘土i 的压缩强度、剪切波速有明显提 3 5 第三章循环失水后水泥改良土压缩强度的衰化机理分析 高。从表3 - 3 的数据可以看出水泥改良粉质粘土i 中加入2 0 的中砂强度提高的最 明显，与不加中砂时的强度相比增加了2 8 ，剪切波速增加了2 5 。水泥改良粉土 加入1 0 的中砂时，其压缩强度比不加中砂时增加1 1 ，剪切波速增加了1 5 。当 掺砂率大于2 0 时水泥改良粉土的强度开始降低，且降低率不断加大。总的来说， 在粉土中掺入中砂对其强度的改善是不明显的。分析原因，一方面，在改良粉质粘 土i 中加入适当的中砂，改变了土料的颗粒级配，使其塑性减小，土料和灰便于拌 和均匀，同时土料中的粘粒含量仍旧保持在最佳含量附近；另一方面，土中的中砂 就类似于混凝土中的粗骨料，在水泥改良土中与水泥水化反应物一起形成刚性骨架， 使水泥改良土强度增加，所以水泥改良粉质粘土i 在加入适量的中砂后压缩强度明 显提高。对于粉土来说，加入少量中砂就类似于在混凝土中加入少量粗骨料，同时 也使其颗粒级配变好，使压缩强度有所增加，当掺入量加大时，水泥改良粉土就逐 渐向掺灰量很少的水泥砂浆过渡，水泥水化生成物较少，在颗粒间形成的连接相对 较弱，强度降低。 上述试验结果及分析基本证实了前面的设想：循环失水后强度降低的主要原因 是干缩湿