（岩土工程专业论文）干湿循环对改良土工程性质影响的研究.pdf

摘要 高速铁路路基填料必须具有良好的工程性质，然而，在筑路沿线往往缺乏满 足要求的填料土。因此，对既有填料进行改良是有效的途径之一。实践中发现环 境条件的变化对填料土的力学特性产生影响，并最终导致路基的破坏。针对这些 问题，本文做了以下几方面的工作： 首先，通过室内试验，研究干湿循环对水泥改良土强度特性的影响，结果发 现，随干湿循环次数的增加，改良粉质粘土强度降低的幅度大于改良粉土的强度 降低幅度，强度变化表现为一个由大到小并趋于稳定的过程。通过分析可知，需 改良土中的粘粒含量是影响其强度衰化的主要因素，通过改变需改良土的颗粒级 配，即适当降低需改良土中粘粒的相对含量，可以减少水泥改良土强度衰减的程 度。对此所做的试验验证发现，对于粘粒含量较多的粉质粘土，掺入适当的粗颗 粒，能有效减少改良后土的干缩湿胀变形，以及由此导致的裂纹数量，从而提高 干湿循环后的强度。但存在一个最优掺入量。 进一步，对几种石灰改良土的工程性质进行试验研究，分析了养护龄期、灰 土比、含水量对石灰改良土的剪切波速和压缩强度的影响，以及它们之间的相关 性，阐明与压缩波速相比，剪切波速更能反映石灰改良土压缩强度的变化。 关键词：改良土千湿循环过程改良土的剪切波速改良土的强度 a b s t r a c t t h eh i g h s p e e dr a i l w a ys u b g m d c - f i l l i n gs h o u l dh a v eb e t t e re n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s h o w e v e r ，i ti sd i f f i c u l tt of i n dt h es u b g r a d e f i l l i n gs a t i s f y i n gt h ee n g i n e e r i n gd e m a n d s a 1 0 n gt h er a i l w a y t h ei m p r o v e ds u b g r a d e - f i l l i n gc a nb eu s e df o rt h es u b g r a d e e n g i n e e r i n g i ti sf o u n dt h a tt h ee n v i r o n m e n tc h a n g ew i l lr e s u l tt ot h ed e g r a d a t i o no f t h es u b g r a d e f i l l i n gp r o p e r t i e sa n ds u b g r a d et of a i l u r ef i n a l l y a c c o r d i n gt ot h e s e a n a l y s i s e s ，t h ef o l l o w i n gr e s e a r c h e sh a v e b e e nd o n ei nt h i sp a p e r f i r s t , al o to fe x p e r i m e n t sw e r ed o n et oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fe n v i r o n m e n tc h a n g e s o nt h es t r e n g t ho fc e m e n t s o i l s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e n g t hd e g r a d a t i o no ft h e i m p r o v e dc e m e n ts i l t yc l a yi sh i g h e rt h a nt h a to ft h ei m p r o v e dc e m e n ts i l t ，a n dt h e s t r e n g t hd e g r a d a t i o nt e n dt os t a b i l i t yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro fd r y - w e t c y c l e s t h ec l a yg r a i nc o n t e n ti st h em a i nf a c t o ra f f e c t i n gt h es t f e n g hv a r i a t i o no f c e m e n t - s o i l sb ya n a l y z i n gd e g r a d a t i o nm e c h a n i s m t h e r e f o r e ，t h ec o n c l u s i o nc a nb e d e d u c e d w h i c hi st h es t r e n g t hd e g r a d a t i o nc a nb ei m p r o v e db yp r o p e r l yr e d u c i n gt h e c l a yc o n t e n ti ns i l t yc l a y s i ti s v e r i f i e du s i n gt e s t sa n dr e s u l t ss h o wt h a tt h e d e f o r m a t i o na n dc r a c k sr e s u l t i n gf r o mt h ed r ys h r i n k a g ea n dt h ew e td i l a t a t i o nc a nb e r e d u c e di fp r o p e rc o a r s eg r a i n sa r ea d d e di n t os i l t yc l a y s a sar e s u l t t h es t r e n g t ho f t h ei m p r o v e dc e m e n ts i l t yc l a yc a nb ei n c r e a s e da f t e rd r y w e tc y c l e s b u tt h eo p t i m a l a d d i n gr a t i oe x i s t sf o r a s i l t yc l a y s e c o n d , t h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i co fl i m ei m p r o v e ds o i l sw e r ef u r t h e rs t u d i e d ， a n de f f e c t so fc u r i n ga g e s ，l i m e - s o i lr a t i o sa n dw a t e rc o n t e n t so nt h ec o m p r e s s i v e s t r e n g t ha n dt h es h e a rw a v ev e l o c i t yw e r er e s e a r c h e d t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ne l a s t i c w a v ev e l o c i t ya n ds t r e n g t hi sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a ts h e a rw a v ev e l o c i t yi sa b e t t e rp a r a m e t e rd e s c r i b i n gs t r e n g t hc h a n g et h a nt h ec o m p r e s s i v ew a v ev e l o c i t y k e yw o r d s ：i m p r o v e d - s o i l ，c y c l i cd r y - w e tp r o c e s s ，s h e a rw a v ev e l o c i t yo f i m p r o v e d s o i l ，s t r e n g t ho fi m p r o v e d s o i l 2 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，也不包含为获得苤盗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：享苫私尽 签字日期： 妒多年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘茔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：高锄务 导师签名； 签字日期： 2 0 0 6 年2 一月月 签字日期： 2 0 0 6 年胛 天津大学硕t 学位 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 世界第一条高速铁路正式投入运营以来，许多发达国家都建立了各自的高速 铁路体系，其安全可靠性世人注目。路基是轨道的基础，因此高速铁路对路基提 出了很高的要求，为了满足这些要求，路基的设计施工中必需采取一系列措施。 高速铁路路基一般是由基床( 分表层和底层) 、基床以下路基填土和地基等几部 分组成。其中基床及其下部填土是人工填筑部分，对于填料的品质有一定的要求， 应该使用品质优良的填料。 一般来说铁路路线均较长，通过地段的地质条件变化复杂，尤其是在多雨的 南方，高塑性、高液限的粘土分布很广，都使用优质填料的可能性不大。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，如沪杭复线k 2 2 1 - - 9 9 0 间， 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，结果路基病害丛生，严重影响了列车的正常运行。要解决优质填料缺乏这一 难题，需扩大可用填料的范围，也就是要将部分c 、d 组填料经过改良后使用。 近年来，大量的工程实践表明，用水泥和石灰对不符合要求的路基填料进行改良 是一种有效的工程措施。 1 2 改良土的分类及特点 我国铁路部门一般定义改良土是通过在土体中掺入石灰、粉煤灰、水泥、固 化剂等材料的处理，提高了工程性质的土体。改良土根据所掺入固化类材料的不 同可分为石灰改良土、粉煤灰改良土、水泥改良土、水泥( 石灰) 粉煤灰改良土 和固化剂改良土等。国外对于改良土的分类较细，以最常用的水泥改良土为例， 美国公路部门按坚硬程度将水泥土分为： 水泥处理土种粉碎了的土和水泥、水的拌和混合物，没有质量要求，仅 天津大学硕士学位第一章绪论 表明水泥和水掺入土中。 水泥土种粉碎了土和水泥、水的混合物，经机械压实和养护后形成的坚 硬材料，它具有需要的强度和耐久性。 水泥改良土一种粉碎了土和水泥、水的不坚硬或半坚硬混合物。水泥改良 土通常只是改善土的物理性质，如降低土的塑性指数，减小体积变形等，因此水 泥掺量小于水泥土。 按混合物中含水量又可分为： 干硬性水泥土一这是在某一压实功能下，按适宜含水量与最大干密度确定的 掺水量和水泥及粉碎土的掺量，经均匀拌和、压实和养护后，具有一定强度和耐 久性的水泥土。 湿塑性水泥土一这是一种掺水量远较干硬性水泥土的适宜含水量大的水泥 土，具有类似灰浆或砂浆的稠度，但经过养护，也是硬化的水泥土，有一定强度 和耐久性。湿塑性水泥土的合理水泥掺量，通常比在适宜含水量条件下压实至最 大干容重的合理水泥掺量高4 左右，这为的是在干容重较低的情况下，仍能获 得较好的强度。 按土料粒径又可分为：细粒状水泥土和粗粒状水泥土。 水泥、石灰和粉煤灰改良土在公路和其他部门已经大量使用了多年，积累了 十分丰富的经验 7 1 。经石灰、水泥或粉煤灰改良后的改良土料比起改良前的土料， 在工程技术和性能各方面均有不同程度的改善和提高，主要表现在以下几个方 面： ( 1 ) 土的力学性能有所改善，降低土的塑性，增加土颗粒间的凝聚力，增 大土的内摩擦角，有效地提高了土的抗剪强度，使土的承载力、固结特性和可压 实性得到显著改善； ( 2 ) 使土的水稳性、抗冻性和耐干湿循环能力等耐久性能有所改善；并且 强度和耐久性随着时间的延续不断增长； ( 3 ) 扩大了土料的应用范围，使可用土料地区分布广泛，原料充足； ( 4 ) 施工技术较为成熟，使用成本低。 虽然改良土有上述的优点，但是水泥、石灰和粉煤灰改良土在稳定和固化细 粒土时也具有一些对工程应用不利的特征： 2 天津大学硕士学位第一章绪论 ( 1 ) 干缩系数和温缩系数较大，容易产生收缩裂缝，影响改良效果： ( 2 ) 遇水软化比较严重，水稳性相对仍较差，易受土料结构不稳和亲水性 较强的影响，遇水后强度会有较大幅度的降低； ( 3 ) 强度和耐久性能不高，难以满足高速铁路和高等级公路的工程要求， 而仅靠增加结合料掺量来改善强度和耐久性，又会大幅度提高成本； ( 4 ) 吸水性不强，压实度较难达到要求，处理高含水量的土效果不佳； ( 5 ) 易受到土中粘粒、有机质和其他化合物含量的影响，对所改良土料的 技术要求相对较高； ( 6 ) 施工质量要求较高，无机结合料与土料相互拌和的均匀程度会对改良 土的强度和耐久性能产生巨大影响； ( 7 ) 早期强度低，不利于提高施工速度和施工效率； ( 8 ) 受气候影响大，雨季和高寒往往会影响施工速度和施工质量。 因此，水泥、石灰和粉煤灰改良土一般只能用于铁路路基的基床底层和基床 以下、城市快速路和城市主干路的路面底基层，以及其他一些对强度和耐久性要 求不是很高的工程部位。 1 3 水泥改良土的研究现状 水泥改良土是近年来高速铁路路基工程中广泛采用的一种填料。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。虽然水泥土材料的应用较国外晚了许多，但对材料全面性能的研究并不太迟， 而且在研究内容和方向上还有所发展。例如，采用浸渍技术对预制水泥土管进行 处置，不仅显著提高了管材强度，有效地改善了管材耐久性能，而且工艺简单， 成本低廉，为成功地运用水泥土材料提供了可靠的技术保证。近年来在实际工程 中的广泛应用也表明，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，这种土工改良材料越来越引起人们的兴趣和重视。 近年来，国内外许多学者对高速铁路路基填料改良土的工程特性进行过一些 研究，取得了一定的科研成果。 要文堂p j 结合秦沈客运专线的工程实际，对c 组的粉粘土实施改良用作高速 3 天律大学硕士学位第一章绪论 铁路路基基床底层，在此基础上进行试验分析，研究水泥改良土的物理、力学性 质。水泥采用的是2 2 5 级矿渣硅酸盐水泥，采用低强度等级的水泥可以保证改 良填料有较好的弹塑性特征，避免填料产生过多裂缝，影响路基稳定性。击实试 验结果表明：掺入料含量的变化对水泥改良土的最大干容重和最佳含水量影响不 大，变化呈摆动状态，没有一定规律。液塑限试验结果说明：土塑性指数的降低 程度既随水泥剂量增加而增大，同时也随时间变化。水泥改良土的龄期越长，其 塑性指数越小。试验结果还表明，原状土在天然状态下压缩性较大，刚度较小， 加入一定量的水泥后压缩性大幅度较小，刚度增加，有利于线路的平稳和高速列 车的安全运行。通过现场试验验证了不同掺入量改良粉粘土的最佳配合比，并总 结各改良土的施工工艺，为今后高速铁路路基填料的改良积累资料。 倪军、王德晓1 1 0 l 等通过对c 组填料土中的一种填料进行不同掺入料、不同 配比改良土的物理力学特性试验。重型击实试验结果得出：水泥土的最大干容重 和最佳含水量随掺入量的变化不大。常用改良土的强度有7 天的强度和2 8 天的 强度两种方法，7 天强度是适应施工质量检测的需要，2 8 天强度是衡量混合料加 固后强度形成的发展趋势。通过强度试验得出：水泥的剂量对水泥土强度的影响 显著，随掺入量的增加而增大。根据室内试验和高速铁路路基基床底层的要求， 给出了该填料改良土配合比( 重量比) 的设计值，并指出；实际施工时应比试验 时提高0 5 1 0 ，一般采用集中厂拌法施工，可只增加0 5 ；采用路拌法 施工时，宜增加1 。 杨广庆、苟国利1 1 】的研究指出高速铁路在许多方面深化和改变了传统铁路的 设计、施工和养护思想，控制线路的变形已经成为高速铁路设计中所考虑的主要 控制因素。尤其是路基，一般地说，在达到强度破坏之前，可能出现了不能容许 的过大变形。以路基对动态特性的要求为基本依据，分析了用于路基填料的水泥 改良土、石灰改良土的特点和使用条件。 周神根f 1 2 】通过对路基设计荷载和土的基本动力特性进行研究，建议了高速铁 路路基基床的设计方法。 赵明龙、王建华l ”】等对多次干湿循环过程引起的水泥改良粉质粘土和水泥改 良粉土循环疲劳强度衰减程度进行研究。结果表明：在动应力作用下，两种改良 土的破坏均为脆性破坏：干湿循环次数对水泥改良土疲劳强度的影响与土类有 4 天津大学硕士学位第一章绪论 关，并且随干湿循环次数增加其疲劳强度将逐渐趋于稳定。 曹新文，蔡英1 1 4 l 的研究指出，路基是线路的基础，不但要承受线路上部结构 的重量，而且还要承受列车荷载的重复作用。前者对路基而言是静压力，其大小 取决于上部结构形式( 如道床厚度、钢轨型号等) ；后者则是随车轮移动而重复 变化的动应力，其大小与轴重、车辆的型号、运行速度及运动方向有关。列车荷 载重复作用下路基表现出的动态特性( 动应力、永久变形、弹性变形等) 是引起 线路运行条件恶化的主要因素之一。 钟辉虹1 1 5 1 等的研究结论是路基填土所承受的动荷载大小与列车的轴重和运 行速度有关，其值随着车速和轴重的增大而增大。循环三轴试验结果表明：路基 填土在列车轮对荷载重复作用下所产生的累积塑性变形大小与路基土的饱和度 有着密切的关系，随着饱和度的增加，土的动强度显著降低，而累积塑性变形将 迅速增长并产生塑性流动，从而导致在雨季产生严重的线路不平顺而影响行车安 全。 卢永贵1 1 6 1 等指出路基基床土在列车动荷载作用下下，会发生疲劳破坏，变形 失稳。基床表层的失效、破坏，其所受动应力较大是主要原因。 已有的这些研究侧重点有所不同，但都是从动静两方面对改良土的基本工程 性质进行的研究，对环境变化对水泥改良土强度的影响还缺乏必要的探讨。 1 4 石灰改良土的研究现状 石灰土技术作为路基土质改良方法之一，近年来得到了越来越广泛的应用。 生石灰的掺入，可有效地改变土壤的性质，增大粘性土的强度，提供粘性土的抗 侵蚀能力，特别是增长了抗体积胀缩的稳定能力。目前针对石灰土在高速路基工 程建设中的应用，已经进行了许多研究。研究表明，对于稳定性较差的粘性土， 掺入4 的石灰所形成的石灰土对路基土质的改善效果较好，达到了实际工程的 要求；经石灰处理的高液限枯土，其膨胀量和膨胀力都得到有效控制，有较好的 稳定性，强度也显著提高。 石灰稳定土是路面基层常用的一种材料，是在粉碎的或原来松散的土( 包括 各种粗、中、细粒土) 中，掺入一定量的石灰和水，经拌和、压实及养生得到的， 其抗压强度符合规定要求的一种混合料。它属于整体半刚性材料，尤其在后期石 天津大学硕士学位第一章绪论 灰土的刚性很大。它利用土与结合料之间发生的离子交换、硬凝等一系列作用结 果，使土的性质发生根本的变化，提高稳定土的强度和水稳性。初期主要表现在 土的结团，塑性降低，最佳含水量的增大和最大密实度的减小等。后期主要表现 在结晶结构的形成，从而提高了板的整体性、强度和稳定性。石灰稳定土强度形 成的好坏，对路面质量有很大的影响。 石灰土便于就地取材，施工成本低，具有较高的强度，较强的板体性和较好 的水稳性、抗冻性，因而在实际工程中被广泛采用。正因如此，人们对石灰土的 研究越来越多，取得了一些较为成熟的理论。 麻绍林【2 3 1 对如何提高石灰稳定土路面基层的强度做了研究，结合石灰稳定土 的特性，从选择石灰等级、石灰剂量和石灰土密实度等方面，提出了使石灰稳定 土基层达到较高强度的措施。石灰等级越高、细度越大、石灰土愈密实，同样剂 量下石灰稳定土的强度愈高；石灰剂量的选取应根据路面结构层位要求的强度、 水稳性、冻稳性，结合土质、石灰质量和气候、水文等因素综合进行选定。实践 中选用的石灰剂量一般在6 一1 8 之间。， 徐勇，张婉琴】等对作为铁路路基填料的石灰土进行了研究，结果表明：石 灰的掺入能有效的改善粘性土的力学性能，使其能满足铁路路基填料的要求；当 石灰掺入量为3 8 时，石灰土的最太干密度和最优含水量的变化幅度很小， 因而对实际施工中路基的压实效果的影响不大；但石灰土的养护时间对最大干密 度和最优含水量有一定的影响，随着养护时间的延长，生石灰的一系列化学反映 逐步加强，使得最大干密度和最优含水量均会减少。因此在实际施工中，石灰土 应养护3 天再进行压实；根据无侧限抗压强度试验，石灰土的强度随着石灰的掺 入量的增加而增大，但并不是石灰掺量越多越好。 宗军良，宫全美1 2 5 1 等对石灰改良填料在高速铁路路堤中的应用进行了研究。 试验结果表明，石灰改良土的最优含水量比原填料提高了约0 5 ，但最大干密 度比原填料的有所降低。同时结合现场施工分析了石灰土路基的压实方法，分层 压实的厚度可按3 0 4 0 e m 标准控制。 杨广庆，管振祥i 硐通过室内试验，进行了石灰土、水泥土、石灰粉煤灰土的 物理力学特性研究。各改良土的强度随掺入料剂量的增大而增加。水泥的含量对 水泥土强度影响显著。石灰的含量较低时，石灰主要起稳定作用，会使土的塑性、 6 天津大学硕士学位 第一章绪论 膨胀性降低，初步具有水稳性，密实度和强度得到稳定。随着含量的增大，强度 和稳定性均提高。但石灰的含量超过一定数量后，过多的石灰将沉积在土孔隙中 而不参加反应，将导致石灰土强度降低。因此，对于石灰改良土而言，存在一最 佳石灰含量。石灰土在最佳石灰含量处，其强度存在一最大值。水泥土和二灰土 不存在此现象。由此给出了满足高速铁路要求的各改良土的最佳配合比，通过振 动三轴试验对三种设计比例的改良土进行验证，试验结果表明该设计值是正确 的。 汪文莉，曾宪伟f 刎等对生石灰改良粘性土的作用机理进行了研究。粘性土透 水性差，吸水膨胀失水收缩，具有较大的胀缩变形能力和灵敏度，饱和时强度低， 干燥时十分坚硬，容易出现龟裂；在粘性土加入适量生石灰，可使其塑性降低， 有效改良土颗粒的粘附性，易于控铝8 填土的含水量，便于旃工。石灰土的强度与 石灰质量和含灰量成正比。石灰对土的固化稳定作用主要发生在早期，但随着龄 期的增长，其强度也会逐渐增长。同时，石灰土的强度增长与含水量、压实度和 气温有着密切关系，适当增加石灰士的含水量可以提高石灰的活性，加速反应进 程；提高压实度有利于使灰、土颗粒表面积充分接触和使水均匀再分布，同样可 以促进反应进程。环境温度越高其强度增长越快。 王少君，李红【2 8 】对影响石灰土强度的因素进行研究。主要从土性、石灰等级 和剂量、含水量( 防水和保湿) 、龄期及石灰土的密实度等方面进行分析。 魏瑞芬【2 9 1 对石灰土施工中容易出现的质量问题及处理措施进行研究，理论和 实际相结合阐述了产生这些质量问题的主要原因已经解决的办法。 这些研究侧重面不同，但关注更多的是改良后路基填料的基本工程性质及施 工工艺，对在铁路运行期间如何进行无损监测还缺乏必要的探讨，特别是在雨季 到来时( 即土体最不利应力条件) 的无损监测，这对于避免发生溃堤、坍塌事件 是十分必要的。 1 5 本文主要的研究内容 工程实践中发现，正常条件下的路基，往往在经历一个或两个雨季之后，强 度明显降低，有的地方还会有跨塌的现象。分析原因可知，环境条件多变性引起 的干湿循环过程是导致铁路路基填料土力学特性退化、进而导致路基破坏的一个 7 天津大学硕上学位第一章绪论 重要原因。具体表现为，路基填料土在干旱季节失水收缩，雨季又吸水饱和膨胀， 这样往复的作用将导致填料土体结构的变化，土的强度逐渐降低，最终引起路基 的破坏。因此，研究干湿循环过程导致水泥土强度降低的机理，对于改进水泥改 良土的工程特性，采取相应措施提高其抗干湿循环的能力是十分重要的。 过去人们关注更多的是改良后路基填料的基本工程性质、改良后改良土的强 度及变形与外加剂、含水量和荷载形式等之问的关系，对导致改良土工程性质变 化的原因与机理及在铁路运行期间如何进行无损质量控制还缺乏必要的探讨，而 这一问题对于实际工程是十分重要的。 基于以上的分析，确定本文的主要研究内容如下： 1 、通过试验，研究干湿循环过程对水泥改良土强度特性的影响，分析其强 度的变化规律并分析原因；通过改变需改良土的颗粒级配，即适当降低需改良土 中粘粒的相对含量，探讨水泥改良土强度衰减的机理。 2 、对几种需改良的土进行石灰改良并进行试验，研究不同养护龄期、不同 灰土比、不同含水量条件下的剪切波速、压缩波速和压缩强度的变化规律及其相 关性，阐明剪切波速是否可以作为反映石灰改良土压缩强度变化的一个关键参 数。 8 天津大学硕士学位论文第二章干湿循环对水泥改良土强度衰减机理的研究 第二章干湿循环对水泥改良土强度衰减机理的研究 2 1 引言 水泥改良土是近年来高速铁路路基工程中广泛采用的一种填料。工程实践表 明，环境条件多变性引起的干湿循环过程是导致铁路路基填料土力学特性退化、 进而导致路基破坏的一个重要原因。具体表现为，路基填料土在干旱季节失水收 缩，雨季又吸水饱和膨胀，这样往复的作用将导致填料土体结构的变化，土的强 度逐渐降低，最终引起路基的破坏。因此，研究干湿循环导致水泥土强度降低的 机理，对于改进水泥改良土的工程特性，采取相应措施提高其抗干湿循环的能力 是十分重要的。 近年来，对高速铁路路基填料改良土的工程特性进行过一些研究，但已有的 研究内容表明，过去人们更多地关注改良后路基填料的基本工程性质，对导致改 良土工程性质变化的原因与机理还缺乏必要的探讨，特别是还不能很好理解为什 么千湿循环过程会导致改良土静强度、循环疲劳强度的衰化。而这一问题对于实 际工程是十分重要的。基于这样的分析，本文将通过试验，探讨反复干湿循环对 水泥改良土强度衰减的机理，为改进水泥改良填料土的工程特性提供基本依据。 2 2 强度衰减随千湿循环次数的变化 为了对于湿循环导致的水泥改良土强度衰减有一个定量认识，首先通过室 内试验分析强度衰减随干湿循环次数的变化情况。 2 2 1 改良试验用土的物性指标及改良方法 土的分布具有很强的不均匀性，不同地区之间土的构成差别很大，土的物性 指标也具有很强的地区性，对需要改良的土进行室内试验研究就显得非常必要。 通常，路基工程中需要改良的土类主要为粉土、粉质粘土。在铁道第三勘测设计 9 天津大学硕士学位论文第二章干湿循环对水泥改良土强度衰减机理的研究 院的协助下，选用实际工程中需改良的一种粉土和一种粉质粘土进行试验，表 2 - 1 给出了这两种土的基本物理性质，图2 - 1 给出了粉土的颗分曲线。 由于目前水泥改良土的室内试验尚未形成统一的操作规程，我们参考土工与 砂浆混凝土试验规程、利用土工试验仪器进行试验。 表2 - 1 土的物性指标 最大最优 颗粒级配( ) 液限塑限塑性 土类 干密度含水量o 5 加2 5o 2 5 - 0 0 7 5o 0 r 7 5 加0 0 5暑锄口。皇 天津大学硕士学位论文第二章干湿循环对水泥改良土强度衰减机理的研究 n u m b e ro fc y c l e st os a t u r a t i o na n dd r y n e s s 改良粉土 图2 5 置换后水泥改良土压缩强度随干湿循环次数变化的降低率 依据图2 - 4 、图2 5 和表2 - 6 中的分析结果，可以得出： ( 1 ) 虽然经历干湿循环后，掺砂与不掺砂的水泥改良粉质粘土强度同样有 一定程度的降低。但是，与不掺砂的水泥改良粉质粘土相比，置换后水泥改良粉 质粘土的强度降低率明显减少。特别是掺砂率为2 0 时，3 次干湿循环后，与无 置换砂的情况相比，强度降低率提高了5 0 多。这说明，在需改良的土料中加入 适当粗颗粒，降低改良土料中粘粒的相对含量，会使水泥改良粉质粘土在水化反 应过程中形成的团粒减小，从而减小了粘粒团的干缩、湿胀变形，缓解了在干湿 循环过程中产生过大的应力集中，减少了微裂缝的产生，从而有效减少干湿循环 对其强度降低的影响程度。另一方面，置换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，从而提高了水泥改良土循环失水后的强度。这 些结果表明上述关于干湿循环过程对强度影响原因的分析基本是正确的。 ( 2 ) 对水泥改良粉土，只有在掺入比为1 0 时，干湿循环后压缩强度降低 率没有明显变化，其他两种掺入比的水泥改良粉土强度降低率明显增大。导致这 一现象的原因是：粉土本身粘粒含量较少，没有掺入砂时干湿循环后的强度降低 率不是很大，虽然加入适量的砂能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；并且随换砂率增加，水泥改良土中活性物质将会相对减少，水 泥水化后在颗粒间形成的连接相对较弱，从而导致干湿循环后压缩强度降低的程 1 9 天津大学硕士学位论文第二章千湿循环对水泥改良土强度衰减机理的研究 度也随之增加。这进一步说明，土中的粘粒含量是导致其干湿循环强度降低的一 个主要原因。 ( 3 ) 对于掺入砂的水泥改良粉质粘土，一次干湿循环后其压缩强度降低的 幅度相对较大，随干湿循环次数增加，其强度降低的幅度逐渐减小并趋于稳定。 这和未掺入砂时的水泥改良粉质粘土在经历干湿循环后表现出相似的规律性。前 两次干湿循环过程仍然是导致其强度降低的主要过程。 ( 4 ) 对于水泥改良粉质粘土，当掺入量为2 0 时改善效果最明显，当掺入 量大到3 0 时，其压缩强度的降低率已明显增大。显然，其强度的降低率并不是 随砂掺入量的增加而单调减少的，而是存在一个最优掺入量。这说明，为了减少 干湿循环过程导致的水泥改良粉质粘土强度降低程度，掺入适量的粗颗粒料是一 种可行的工程措施。 上述试验结果及分析基本证实了前面的设想：经历干湿循环后，水泥改良土 压缩强度降低的主要原因是在干湿循环过程中由于干缩湿胀形成了损伤裂纹，从 而产生应力集中。对于粘粒含量较多的改良土，掺入适当的粗颗粒，可以有效减 少改良土的干缩湿胀变形量，以及由此导致的裂纹数量，从而提高干湿循环后的 强度。同时，适当粗颗粒的掺入，又会增加改良土土骨架的刚度，进一步提高其 强度。但是当粗颗粒掺入量超过一定范围后，因水泥改良土中活性物质相对减少， 又由于水泥改良土的水泥掺入量较少，水泥与土料中矿物成份反应生成物不能在 土颗粒间形成足够的凝胶体，从而导致颗粒间联结力降低，强度下降。以上对改 良粉土的相关试验，是一个较有力的试验验证。 为进一步验证上述结论的正确性，之后又做了相同试验，试验要求和以上试 验相同，但在养护过程中的室温比原来有所提高。试验结果如下： 2 0 天津大学硕士学位论文第二章干湿循环对水泥改良土强度衰减机理的研究 改良粉质粘土 改良粉土 图2 - 6 改良土在不同换砂情况下循环失水强度降低程度图 表2 7 置换前后水泥改良土的强度降低程度试验结果 土 干湿 置换率0置换率1 0 置换率2 0 置换率3 0 循环 强度 强度降强度降 强度 强度降强度降 类 低率 强度 低率低率 强度 低率 次数 ( k p a )( k p a )( k p a )( 1 出a ) ( )( )( )( ) 粉 o5 1 7 6 9 8 ， 7 9 1 6 8 6 质 13 3 13 65 6 91 86 8 21 45 2 22 4 粘 22 8 84 45 2 02 56 1 52 24 5 8 3 3 土 32 8 44 5 5 0 72 76 0 8 2 34 4 1 3 5 o4 6 85 5 4 ， 4 4 0|3 8 3 l 粉 14 2 01 05 1 083 8 71 22 9 52 3 土 24 0 21 44 9 81 03 6 21 82 6 43 1 33 9 71 54 9 21 13 5 71 92 5 73 3 2 1 天津大学硕士学位论文第二章干湿循环对水泥改良土强度衰减机理的研究 g 鼋 虿 暑 普 黑 们 n u m b e r o f c y c l e st os a t u r a t i o na n dd r y n e s s 改良粉质粘土 改良粉土 图2 - 7 置换后水泥改良土压缩强度随干湿循环次数变化的降低率 试验结果和以上试验结果有很好的一致性，表现出相同的规律性，因为再次 试验时养护温度有所提高，使得改良土的绝对压缩强度提高。试验结果再次验证 了结论的正确性。 2 6 小结 针对需改良的粉质粘土与粉土，首先通过试验，研究了干湿循环对水泥改良 土强度的影响。进一步，分析了导致水泥改良土强度降低的机理与内在原因，并 通过试验对分析推论进行了验证。本文的研究结果表明，改良土料中的粘粒含量 是引起其强度降低的一个主要因素。改良土料中粘粒含量越高，干湿循环导致的 天津大学硕士学位论文第二章干湿循环对水泥改良士强度衰减机理的研究 改良土内部干缩与湿胀变形就越大，对改良土体结构的损坏就越明显，其强度降 低的也就越显著。因此适当降低改良土料中粘粒的相对含量，可以有效减小干湿 循环导致的改良土内部干缩与湿胀变形，减少此变形引起的内部微裂纹数量，减 缓干湿循环对改良土体内部结构的破坏程度，提高干湿循环后改良土体的强度特 性。 这里的研究结果还表明，前两次干湿循环过程是导致水泥改良土强度降低的 主要过程。一旦改良土体内部的微裂缝扩展到一定程度，其后再经历干湿循环， 土体内部的干缩湿胀变形也就有了一定空间，导致微裂缝进一步扩展的趋势也随 之减弱，从而使水泥改良土强度衰减程度随干湿循环次数的增加而逐渐趋于稳 定。对于需改良的粉质粘土，掺入适当的粗颗粒料，是改善干湿循环后水泥改良 土强度特性的有效工程措施。 之后的相同试验结果又一次证实了结论的正确性，同时也证明了养护温度是 影响改良土强度的因素之一：养护温度越高改良土的强度也越高。 天律大学硕士学位论文第三章石灰改良七工程性质的室内研究 3 1 引言 第三章石灰改良土工程性质的室内研究 石灰改良土的石灰掺量也较少，已有的研究结果表明，石灰的含量超过一定 数量后，过多的石灰将沉积在土孔隙中而不参加反应导致石灰土强度降低。另一 方面，受施工机械的限制，石灰和土很难拌和均匀，而且石灰和土拌和之后将发 生一系列的反应：石灰的水化、离子交换、c a ( o h ) 2 的结晶及碳酸反应及火山 灰反应，因此，石灰和土拌和之后不能立即进行碾压，一般情况下都要先养护3 天。因此，改良土路基的施工质量能否满足工程要求是一个十分重要的问题。以 往的现场质量检测受诸多因素的影响，导致检测结果有时出现较大的离散性；而 且，铁路一旦投入使用，就无法对其运行状态下的工程质量进行监测。 如果能够在石灰改良土现场无损检测指标( 如剪切波速) 与其质量控制指标 ( 抗压强度) 之间建立一种相关关系，就有可能利用低应变检测技术对改良土路 基的施工质量进行评价。但是，对于路基填料使用的低灰土比、低掺水量的石灰 改良土，在弹性剪切波速、压缩波速与抗压强度之间是否存在一种可以利用的相 关关系，改良土工程性质的变化是否可以用弹性波速的变化来反映，目前还有待 做大量的研究。基于这样的分析，下面将针对需改良的两种粉质粘土与一种粉土， 通过室内试验，研究影响石灰改良土强度、弹性波速的相关因素以及水泥改良土 的弹性波速与其固结不排水强度之间的相关关系，为开发石灰改良土无损检测技 术奠定基础。 3 2 试验土的物性指标及改良方法 本次试验仍然采用几种需要改良的土进行试验研究。试验的目的是为了研究 石灰改良土的基本工程性质，探讨石灰改良土强度的形成机理，分析影响石灰改 良土性质的各种因素，建立石灰改良土的静强度、压缩波速、剪切波速与石灰掺 天津大学硕士学位论文第三章石灰改良土工程性质的室内研究 入比、养护条件、养护龄期等各因素之间的量化关系，从而为指导工程实践，为 铁路路基水泥改良土无损检测标准提供基本试验依据和理论基础。 选取三种需改良的土进行室内试验研究，表3 1 给出了它们的基本物性指标， 粉土的颗分曲线见图3 - 1 。在下文中，为叙述方便，对土类进行编号，即粉土， 粉质粘土i ，粉质粘土。由这些土制成的石灰改良土分别称为石灰改良粉土、 石灰改良粉质粘土i 、石灰改良粉质粘土l i 。 表3 - 1 改良用土的物性指标 试验土类 最大 最优 塑限液限 塑性 粒径分布( ) 干密度含水量 0 2 5o 2 5 - 0 盯7 50 0 7 5 0 0 0 5 0 0 ( ) 5 ( 编号) ( )( )指数 ( k n m 3 ) ( )( n l m )( m m )( r a m )( r a m ) 粉土1 9 0 61 1 31 5 0 2 1 86 81 - 24 47 1 8 2 2 6 粉质粘土i1 8 6 31 5 91 9 4 3 3 8 1 4 42 34 05 6 23 7 5 粉质粘土h 1 7 7 61 4 7 1 9 o3 2 51 3 5 1 1 o 87 4 32 3 9 二：烈k 佃u 瞠f | | | | 1 n i | i 1 i 。 _ - - - - ? 身? 岔l j 与_ i i j l i l “髓 天津大学硕士学位论文第三章石灰改良土工程性质的室内研究 活性和溶解度均较高，能保证石灰与土中胶粒更好的作用。但是，生石灰磨细工 作量大，对人体健康危害大。 石灰等级越高( 即c a o q - m g o 的含量越高) ，在同样剂量下能起作用的量也 较多，因而稳定效果越好。石灰细度越大，石灰和土的接触面积越大，在同样剂 量下与土粒作用越充分，因而效果越好。实验证明石灰等级达到三级以上标准就 能达到很好的效果。综合考虑多种因素，本次试验选用三级以上的消石灰。 掺合料配比的确定方法和前一章所述相同，按重量比计，即掺合料与干土的 重量比。试验中选用的灰土比为：石灰：干土- - - - 4 ：1 0 0 ，6 ：1 0 0 ，8 ：1 0 0 ，1 0 ：1 0 0 。 3 3 试样制备及试验方法 石灰改良土试验土样的制备过程和前述的水泥改良土试验土样的制备过程 不同：对于石灰改良土，先将石灰与土放入塑料袋内并搅拌均匀，然后加水至制 样含水量并搅拌均匀，然后将塑料袋系口放入密封罐内静置2 4 小时后备用。? 试样饱和方法及试验方法和前一章所述相同。本次试验按表3 - 2 的制备条件 制备试验土样。 表3 - 2 试验土样的制备条件 4 ：1 0 0 6 ：1 0 0 8 ：1 0 01 0 ：1 0 0 石灰：土 制样干 制样 制样干 制样 制样干 制样制样 ( 干重) 含水含水含水 制样干 密度 量 密度 密度 量 密度 含水 删砷( 】n 硒 量 ( k n m 3 )o c n m 3 ) 量 ( )( )( )( ) 粉土 1 7 1 51 1 3 21 7 0 6 1 1 3 4 1 7 0 21 1 3 71 6 9 41 1 4 粉质粘土i 1 6 6 31 5 9 31 6 5 41 5 9 51 6 51 5 9 81 6 4 21 6 0 粉质粘土i i1 5 9 31 4 81 5 8 31 51 5 81 5 31 5 7 21 5 5 3 4 试验结果与分析 表3 3 给出了三种土在不同掺灰率下的三轴固结不排水压缩强度测试结果。 表3 4 与表3 5 分别给出剪切波速与压缩波速的测试结果。 天津大学硕士学位论文第三章石灰改良土工程性质的室内研究 表3 3 石灰改良土的三轴固结不排水压缩强度测试结果 压缩强度( k p a ) 养护 粉质枯土i粉土粉质粘土i i 灰土比 龄期 最优 平均 饱和最优饱和最优饱和 平均 ( 天) 含水 值 含水 平均 含水 平均 含水 平均 含水 平均 含水 值值值值值 量量量量量量 4 1 62 5 83 7 02 3 33 6 82 5 7 1 44 0 94 0 82 4 72 4 43 4 93 4 72 2 02 2 23 5 93 6 42 3 32 4 5 3 9 82 2 83 2 22 1 23 2 22 1 5 4 9 33 1 64 4 02 8 54 6 02 9 0 4 ：1 0 0 2 8 4 5 94 7 83 0 53 0 14 2 94 2 22 7 52 6 84 1 64 2 52 6 22 6 5 4 8 12 8 33 9 72 4 33 9 82 4 4 5 3 83 4 14 8 63 0 85 0 33 1 4 6 0 5 0 1 5 2 l 3 3 0 3 2 64 7 44 6 6 2 9 8 2 9 0 4 5 5 4 6 52 8 42 8 8 5 2 53 0 64 3 82 6 34 3 62 6 5 5 2 13 2 44 5 0 2 7 5 4 4 72 8 6 1 45 1 4 5 0 73 0 1 3 0 4 4 4 5 4 4 3 2 7 22 “4 2 64 2 82 7 32 7 1 4 8 72 8 84 3 42 4 44 1 22 5 4 6 1 0 3 9 4 5 2 33 6 25 4 23 4 7 6 ：1 0 0 2 8 5 7 75 9 43 7 9 3 8 0 5 1 2 5 0 8 3 3 53 5 15 2 5 5 2 6 3 3 1 3 2 9 5 9 53 6 64 8 83 5 65 1 1