（道路与铁道工程专业论文）全风化花岗岩改良土工程特性及其在高速铁路建设中的应用.pdf

s 5 ：王 原创性声明 f i i i ii ii i ii jii ii ii iu i y 1718 4 0 9 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 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，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 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：兰尘年兰月塑日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 嘿盈脾羔月乡日 p。1j，-1， 摘要 摘要 目前，我国高速铁路正处于全面发展的建设时期，为了保证列车 安全、舒适、平稳的运行，高速铁路对路基变形有严格的要求。新建 武广客运专线沿线的相当一段线路穿越全风化花岗岩地段，a 、b 组 填料缺乏，如果完全依靠外运合格填料，则既不经济，又不合理。为 了保证工程能够高效、安全、经济的建设，必须对一些地段的花岗岩 风化物进行改良，使其达到所要求的填料标准。本文在综合分析国内 外全风化花岗岩研究现状基础上，通过理论分析、室内试验、和仿真 数值分析等方法，对全风化花岗岩及其改良土的工程特性进行了研 究，主要的研究内容和结论如下： ( 1 ) 通过大量的试验研究表明，沿线大多数全风化花岗岩的物理 力学性质差，内摩擦角小，吸水能力强，天然含水量大，粘结力小， 结构松散，液塑限高，细颗粒含量较多，粉砂含量较高，风化花岗岩 的强度指标不高，承载力低，如c b r 值较低、回弹模量小等，除此 之外，还有抗变形能力以及长期水稳性差等特征。 ( 2 ) 通过对不同掺加剂掺入量的改良土进行颗粒分析、液塑限、 压缩特性、击实特性、水稳定性、强度特性等一系列试验，表明全风 化花岗岩改良后土的塑性指数降低；颗粒分析曲线左移，颗粒粗化效 果明显；击实曲线变平缓，驼峰变宽，这使得在施工中对含水量的控 制范围变宽，施工质量更易把握；压缩性降低；渗透性下降；水稳定 性提高；强度提高等。对于d k 2 0 9 7 + 5 6 0 工点的黄色全风化花岗岩， 掺加6 生石灰就能满足高速铁路对路基填料的要求；d k 2 l1 6 + 2 0 0 工点的红色全风化花岗岩，不宜采用生石灰改良，掺加6 水泥可以 满足高速铁路对路基填料的要求。 ( 3 ) 运用m a t l a b 软件自身携带的b p 网络工具建立模型对生石 灰改良土无侧限抗压强度进行预测，并对影响因素进行分析。改良土 存在一个最优的掺灰量，无侧限抗压强度随着压实度的增大而提高， 泡水后强度会明显的降低，且强度随着龄期的延长而不断增长。 ( 4 ) 利用a n s y s 软件建立路基仿真模型，研究改良土作为路基 填料时，在不同车速、不同轮重下以及基床表层厚度改变时的动力特 性。动力响应沿深度方向呈衰减的趋势，沿路基横向上，最大值出现 在钢轨下或右线中心线上。在不同车速下，位移、速度、加速度、应 一 。一 摘要 力等物理量的响应并不是随着车速的增大而增大。在不同轮重下，位 移、速度、加速度、应力等物理量的响应与轮重存在着拟线性函数关 系，随着轮重的增加而增大。随着基床表层厚度的增大，移、速度、 加速度、应力等物理量的响应值均有所减小。 关键词：全风化花岗岩，改良土，无侧限抗压强度，动力响应 u 硕七学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，i ti si nt h ec o n s t r a c t i o np e r i o do fh i g h s p e e dr a i l w a yi n c h i n a t oe n s u r et h et r a i ns a f e t y , c o m f o r t a b i l i t y , s m o o t ho p e r a t i o n ，t h e r e a r es t r i c tr e q u i r e m e n t sf o rt h ee m b a n k m e n td e f o r m a t i o no fh i g h s p e e d r a i l w a y w u h a n g u a n g z h o up a s s e n g e rr a i l l i n e p a s s e st h r o u g haw i d e r a n g eo fw e a t h e r e dg r a n i t e ，a n d l a c ko fa 、bg r o u pf i l l i n g s ，i ti s u n e c o n o m i ca n du n r e a s o n a b l ef o rt r a n s p o r t i n gq u a l i f i e df i l l e rc o m p l e t e l y t oe n s u r et h a tt h ep r o j e c tc a nb ee f f i c i e n t 、s a f ea n de c o n o m i ca n dr e a c h t h er e q u i r e ds t a n d a r do ff i l l i n g ，i ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v ew e a t h e r e d g r a n i t ec o m p l e t e l y b a s e do nc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s o fr e s e a r c ho f w e a t h e r e d g r a n i t e a th o m ea n d a b r o a d ，e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s o f w e a t h e r e dg r a n i t ea n di t si m p r o v e m e n tw e r es t u d i e dt h r o u g ht h e o r e t i c a l a n a l y s i s 、l a b o r a t o r y t e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s m a i n c o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf e l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g hal a r g en u m b e ro fe x p e r m i m e n t a ls t u d i e s ，i ti s s h o w n t h a tp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw e a t h e r e dg r a n i t ea r ep o o r ： s m a l l e ri n t e r n a lf r i c t i o na n g l e ，b e t t e ra b s o r p t i o nc a p a c i t y , b i g g e rn a t u r a l m o i s t u r ec o n t e n t ，s m a l l e rf o r c e ，l o o s e l y , h i g h e rl i q u i da n dp l a s t i cl i m i t s ， h i g h e rc o n t e n to ff i n ep a r t i c l e s ，h i g h e rs i l tc o n t e n t ，l o w e rs t r e n g t hi n d e x o fw e a t h e r e dg r a n i t e ，l o w e rc a r r y i n gc a p a c i t y , l o w e rc b rv a l u e ，s m a l l e r m o d u l u s ，d e f o r m a t i o nr e s i s t a n c ea n dl o n g t e r mw a t e rs t a b i l i t ya r ep o o r ( 2 ) t h r o u g he x p e r i m e n t so fi m p r o v e ds o i l w i t hd i f f e r e n ta d d i t i v e ， i n c l u d i n ga n a l y s i so fp a r t i c l e ，l i q u i dl i m i ta n dp l a s t i cl i m i t ，c h a r a c t e r i s t i c s o fc o m p r e s s i o n ，c h a r a c t e r i s t i c so fc o m p a c t i o n ，s t a b i l i t yw i t hw a t e r , p r o p e r t i e so fs t r e n g t h ，i ti ss h o w nt h a t ：p l a s t i c i t yi n d e xw a sd e c r e a s e d ； c u r v eo f p a r t i c l ea n s l y s i sw a s t ot h el e f ta n dc o a r s e n i n ge f f e c to fp a r t i c l e w a so b v i o u s ；c u r v eo fc o m p a c t i o nb e c a m eg e n t l yw h i c hm a d et h ec o n t r o l o fw a t e rc o n t e n ti ne a s i e rc o n s t r u c t i o n ；c o m p r e s s i b i l i t ya n dp e r m e a b i l i t y w e r e d e c r e a s e d ；p e r m e a b i l i t yd e c r e a s e d ；s t a b i l i t y w i t hw a t e rw a s i n c r e a s e d ；s t r e n g t hw a si n c r e a s e d f o rd k 2 0 9 7 + 56 0 ，i m p r o v e ds o i lw i t h 6 l i m ew a sa b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t ；b u tn o ts u i t a b l em i x i n gl i m e f o rd k 21 16 + 2 0 0 i m p r o v e ds o i lm i x i n gw i t h6 c e m e n tw a sa b l et o i i i 硕士学位论文 a b s t r a c t m e e tt h er e q u i r e m e n to f h i g h s p e e dr a i l w a y ( 3 ) u n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n g t hw a sp r e d i c t e dw i t hb pm o d e l o fm a t l a bs o f t w a r e a n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o n s t r e n g t hw a sa n a l y z e d t h e r ew a sa no p t i m a li n c o r p o r a t i o nf o ri m p r o v e d s o i lm i x i n gw i t hl i m e u n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n g t hi n c r e a s e dw i t h i n c r e a s eo fd e g r e eo fc o m p a c t i o n ，a n dd e c r e a s e da f t e r s o a k i n g t h e s t r e n g t hw i l lg r o ww i t ha g e ( 4 ) f o r m e de l e m e n ts i m u l a t i o nm o d e lo fe m b a n k m e n tf r o ma n s y s w h e ni m p r o v e ds o i lw a su s e da saf i l l i n g ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sw e r e s t u d i e da td i f f e r e n ts p e e d 、d i f f e r e n tw h e e l l o a da n dd i f f e r e n tt h i c k n e s so f s u r f a c e b a s e db e d d y a m i cr e s p o n s er e d u c e dw i t hi n c r e a s eo ft h ed e p t h m a x i m u ma p p e a r e du n d e rt h er a i lo rt h ec e n t e rl i n eo ft h e r i g h tl i n e d y n a m i cr e s p o n s ed i dn o ti n c r e a s ew i t hi n c r e a s eo fs p e e d t h e r ew a sa l i n e a rf u n c t i o nb e t w e e nd y n a m i cr e s p o n s ea n dw h e e l l o a d r e s p o n s e i n c r e a s e dw i t hw h e e l l o a d d y n a m i cr e s p o s er e d u c e dw i t ht h i c k n e s so f s u r f a c e b a s e db e din c r e a s e d k e yw o r d s ：w e a t h e r e d u n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h ， g r a n i t ec o m p l e t e l y , i m p r o v e ds o i l ， d y n a m i cr e s p o n s e 硕十学位论文 目录 目录 摘要l a b s t r a c t i i l 目j 录1 _ 第一章绪论：。1 1 1高速铁路的发展及对路基、填料的要求1 1 1 1 世界高速铁路发展概况1 1 1 2 我国高速铁路的发展规划2 1 1 3 高速铁路路基技术特点2 1 1 4 高速铁路对路基填料的要求4 1 2 路基填料的改良4 1 2 1国外路基填料改良的发展5 1 2 2 我国路基填料改良的发展5 1 2 - 3 填料改良原理7 1 3 本文研究内容9 第二章全风化花岗岩路用性能调查1 1 2 1 风化花岗岩成因及性质1 1 2 1 1 风化花岗岩成因1 1 2 1 2 花岗岩残积土工程特性研究1 1 2 2 全风化花岗岩路基工程病害1 3 2 2 1 边坡工程1 3 2 2 2 路基填料和基床的问题1 5 2 3 全风化花岗岩改良土填筑施工工艺1 5 2 4 小结1 8 第三章全风化花岗岩及其改良土的工程性质1 9 3 1 前言1 9 3 2 全风化花岗岩的工程性质1 9 3 2 1 取样地点及土性特征1 9 3 2 2 颗粒分析与级配2 1 v 硕十学位论文 目录 3 2 3 基本性质2 1 3 2 4 结构特点2 2 3 2 5 压实特性2 3 3 2 6 花岗岩全风化层力学指标2 3 3 2 7 云母含量影响2 9 3 3 全风化花岗岩改良土工程性质。3 0 3 3 1 改良土液塑限3 0 3 3 2 改良土颗粒分析3 2 3 3 3改良土击实3 4 3 3 4 压缩特性3 7 3 3 5收缩特性3 7 3 3 6 渗透特性3 8 3 3 7 水稳定性3 8 3 3 8 干湿循环强度衰减特性3 9 3 3 9 抗剪强度4 0 3 3 1 0 静强度特性4 1 3 3 1 1c b r 强度与膨胀量4 5 3 4 小结4 5 第四章石灰改良土静强度的影响因素分析及预测4 8 4 1 前言4 8 4 2 人工神经网络4 8 4 2 1 人工神经网络概念及结构模型4 8 4 2 2 神经网络的模式及特征5 0 4 3b p 网络理论5 1 4 3 1b p 网络结构5 1 4 3 2b p 网络学习算法5 1 4 3 3b p 网络设计5 2 4 3 4b p 网络的局限及改进5 4 4 4 预测值与实测值的对比分析5 4 4 5 无重复双因素方差对无侧限抗压强度与各影响因素的分析5 8 4 6 小结5 9 第五章改良土路堤动力特性仿真分析6 0 v i 硕士学位论文 1 3 录 5 1 前言6 0 5 2 高速铁路列车荷载作用特点6 1 5 2 1 无碴轨道模型6 1 5 2 1 无碴轨道竖向振动方程6 1 5 2 2 竖向列车荷载的传递6 3 5 3 仿真模型的建立6 4 5 3 1 土的本构模型6 4 5 3 2 单元简介6 7 5 3 3 各单元间的连接7 2 5 3 4 边界条件7 4 5 3 5 模型参数7 5 5 4 仿真结果分析7 6 5 4 1 匀速恒力7 6 5 4 2 不同速度的影响8 2 5 4 3 不同轴重的影响8 4 5 4 4 基床厚度的影响8 4 5 5 小结8 5 第六章结论与展望o 。8 7 6 1 主要研究结论8 7 6 2 有待进一步研究的问题8 8 参考文献。8 9 致谢9 4 攻读硕士期间论文发表及参与科研情况h 9 s v i l 硕 学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 高速铁路的发展及对路基、填料的要求 国际上对高速铁路有不同的定义标准。日本自东海新干线投入运营后，常将 最高运营速度超过2 0 0 k m h 的铁路称为高速铁路；1 9 8 5 年联合国欧洲经济委员 会国际铁路干线协议中将新建高速客运专线的最高速度规定为3 0 0 k m h 及以上， 新建客货混运线最高速度规定为2 5 0 k m h 及以上；国际铁路联盟( u i c ) 贝j j 将新建 专线最高速度至少达到2 5 0 k m h 、既有线改造最高速度达到2 0 0 k m h 及以上的线 路称为高速铁路。作为快速、安全、高效和优质的交通方式，高速铁路已成为许 多国家旅客运输发展的共同趋势i i j 。 1 1 1世界高速铁路发展概况 世界高速铁路发展经过了三次浪潮。 ( 1 ) 第一次浪潮：1 9 6 4 年1 9 9 0 年 1 9 5 9 年4 月5 日，世界上第一条真正意义上的高速铁路东海道新干线在日 本破土动工，经过5 年建设，于1 9 6 4 年3 月全线完成铺轨，同年7 月竣工，1 9 6 4 年1 0 月1 日正式通车。东海道新干线从东京起始，途经名古屋，京都等地终至( 新) 大阪，全长5 1 5 4 公罩，运营速度高达2 1 0 公里d , 时，它的建成通车标志着世界 高速铁路新纪元的到来。随后法国、意大利、德国纷纷修建高速铁路。1 9 7 2 年 继东海道新干线之后，日本又修建了山阳、东北和上越新干线；法国修建了东南 t g v 线、大两洋t g v 线；意大利修建了罗马至佛罗伦萨高速铁路。以r 本为首 的第一代高速铁路的建成，大大地推动了沿线地区经济的均衡发展，促进了房地 产、工业机械、钢铁等相关产业的发展，降低了交通运输对环境的影响程度，铁 路市场份额大幅度回升，企业经济效益明显好转。 ( 2 ) 第二次浪潮：1 9 9 0 年至9 0 年代中期 法国、德国、意大利、西班牙、比利时、荷兰、瑞典、英国等欧洲大部分国 家，大规模修建本国或跨国界高速铁路，逐步形成了欧洲高速铁路网络。这次高 速铁路的建设高潮，不仅仅是铁路提高内部企业效益的需要，更多的是国家能源、 环境、交通政策的需要。 ( 3 ) 第三次浪潮：从9 0 年代中期至今。 在亚洲( 韩国、中国台北、中国) 、北美洲( 美国) 、澳洲( 澳大利亚) 世 界范围内掀起了建设高速铁路的热潮。主要体现在：一是修建高速铁路得到了各 国政府的大力支持，一般都有了全国性的整体修建规划，并按照规划逐步实施； 硕士学位论文 第一章绪论 二是修建高速铁路的企业经济效益和社会效益，得到了更广层面的共识，特别是 修建高速铁路能够节约能源、减少土地使用面积、减少环境污染、交通安全等方 面的社会效益显著，以及能够促进沿线地区经济发展、加快产业结构的调整等等。 1 1 2 我国高速铁路的发展规划 我国铁路运输作为交通运输骨干，在国民经济中占据重要的地位。为了发展 高速铁路技术，我国于1 9 9 9 年开工修建全长4 0 4 k m 的秦沈客运专线，2 0 0 3 年 1 0 月正式丌通运营。秦沈客运专线为我国第一条开通速度为1 6 0 k m h 以上的双 线电气化铁路，其中6 6 8 k m 的线路可作为3 0 0 k m h 的高速试验线。 2 0 0 4 年1 月国务院审议并原则通过了中长期铁路网规划。根据中长期铁路 网规划，我国铁路主要通道将建设客运专线1 2 万k m 以上，客车速度目标值达 到2 0 0 k m h 及以上。环渤海地区、长三角洲地区、珠江三角洲地区将建设城际客 运系统，同时既有线提速改造达2 万k m ，到2 0 2 0 年形成铁路“四纵四横”快速 1 1 3 高速铁路路基技术特点 图l - 1 中长期铁路网规划图 路基作为轨道基础，其强度、刚度、稳定性以及在运营条件下使线路轨道参 数保持在允许的标准范围之内，是确保列车高速、安全、舒适平顺运行的前提条 件。高速铁路的出现向传统铁路的设计、施工和养护维修都提出了新的挑战，在 许多方面深化和改变了传统的设计概念。就路基工程而言，高速铁路表现出以下 2 硕十学位论文第一章绪论 技术特点。 ( 1 ) 强化路基的刚度 高速铁路由于速度高、安全系数大，要求路基承受着较大的动荷载。基床表 层是路基直接承受列车荷载的结构层，也是路基中最重要的部分。它给轨道提供 了一个坚实的基础。因此高速铁路的路基基床表层不仅要有足够的强度和刚度， 还要有稳定性和耐久性，需要强化基床表层，使其具有合理的刚度。刚度4 , n 会 影h 向高速行车的速度、平稳和安全；刚度大，则轨道、车辆系统振动加剧。同时， 基床表层的材料，必须有良好的力学性能，充分压实后在长期动力作用下能保持 稳定，并具有很好的水稳定性和较小的渗透性。 ( 2 ) 控制路基的沉降变形 列车的高速运行需要高度平顺和稳定的轨下基础，控制变形是高速路基设 计的关键。控制路基变形应从路堤层的变形、列车荷载作用下的变形及地基下沉 三个方面进行。设计、施工中只要满足基床和路堤本体填筑的材质要求和压实标 准，路堤层的变形和列车荷载作用下的变形可以得到控制。因此，控制路基的沉 降变形特别是工后沉降值，关键在于控制支承路堤的地基的沉降。 我国高速铁路对路基的工后沉降有严格的标准，如速度为2 0 0 2 5 0 k m h 的 客运专线，有砟轨道路基一般地段工后沉降分别要求小于1 5 1 0 c m ，路桥过渡 段工后沉降分别小于8 - - 5 c m ；而对于无碴轨道，由于其基础一旦出现变形或破 坏，其整治和修复较困难，资金和人力投入很大，维修耗时长，所以对无碴轨道 的变形控制较有砟轨道更为严格。我国对无碴轨道的路基工后沉降要求一般不应 超过扣件允许的沉降调高量1 5 m m ；路桥或路隧交界处的差异沉降不应大于 5 m m ，过渡段沉降造成的路基与桥梁或隧道的折角不应大于1 1 0 0 0 。可以说，对 路基工后沉降的高标准，是高速铁路区别于传统铁路路基的一个最大的特点。 ( 3 ) 纵向刚度变化的均匀性 铁路线路是由不同特点的结构物( 桥、隧、路基等) 和轨道结构构成的，这些 结构在强度、刚度、变形等方面都有很大的差异，在路桥、路涵、路堤与路堑等 相连的地段，纵向轨下基础刚度的变化必然影响路基一轨道一车辆系统刚度的均 匀性，导致高速铁路系统振动的加剧，也加大了对轨下基础的动力作用，影响高 速行车的平稳和安全。因此，在上述地段，必须设置一定长度范围的过渡结构， 从而确保不同结构物问的平稳过渡，提高列车的安全性和乘客的舒适度。 ( 4 ) 良好的耐久性 列车运营时路基不仅承受着轨道结构和附属构筑物的静荷载，还要承受列车 荷载的长期反复作用。同时，由于路基直接暴露在自然条件下，需要经受气温变 化、雨雪风霜、地震破坏等不良因素的影响。路基工程必须在这些条件的长期作 硕士学位论文 第一章绪论 用下，其强度不会降低、弹性不会改变、变形不会加大。真正做到长寿命，少维 修。只有这样，才能保证高速行车，减少维修费用，并增加运行的安全性【2 1 。 1 1 4 高速铁路对路基填料的要求 国外高速铁路发展较早，对路基填料的研究也早于我国。其对可用作高速铁 路路基填料的基本要求是： ( 1 ) 在列车和路基自重荷载下能保持长期稳定。 ( 2 ) 压缩沉降能很快的完成。 ( 3 ) 其力学特性不易受其他因素( 如水、温度、地震等) 的影响而发生不利于 路基稳定的变化。 现在主要拥有高速铁路的国家都对高速铁路中禁用的路基填料做了规定。 德国铁路禁用富含动植物残留物的有机土( o h 、o k l 、泥炭土( h n 、h z ) 和淤 泥( f ) 。 日本铁路则强化基床底层对a 组、b 组和处理的c 组、v 组和d l 组填料作 出了要求，禁用d 2 组土，它包括：含有机质的砂性土( s o ) 、有机质粘性_ - l ( o l ) 、 有机质火山灰土( o r ) 、纤维质高有机土( p t ) 、淤泥( m k ) 。路堤下部填料除d 2 组土及下述原则上不能使用外，其它则可经过改良后可以使用： ( 1 ) 膨润土、高岭土、温泉变质土等膨胀性土、岩； ( 2 ) 会吸水膨胀风化严重的蛇纹岩、泥岩； ( 3 ) 含大量有机质的高压缩性土； ( 4 ) 冻土。 法国高速铁路禁用q s o 级，它包括：有机土、淤泥占1 5 以上的疏松潮 湿土质、触变性土、含可溶物质( 如岩哉、石膏) 类土、有害于环境的物体( 如工 业垃圾) 、矿物和有机质土的混合物【3 4 1 。 我国普通铁路路基的填料分为a 、b 、c 、d 、e 五类，a 类为优质填料，b 类 为良好填料，c 类为可用填料，d 类为不应使用的填料，e 类为严禁使用的填料。高 速铁路的路基必须具有稳定性、耐久性以及足够的强度和刚度，并且沿线路纵向 的变化要均匀，过大或不均匀的变形将导致路基病害，造成轨道的不平顺，加剧 列车和线路的动力作用，也给高速线路的养护维修造成难以克服的困难。而路基 填料工程性质的好坏则与路基工程的质量直接相关。因此京沪高速铁路设计暂 行规定要求基床底层必须使用a 、b 组填料或改良土f5 1 。 1 2 路基填料的改良 4 硕上学位论文第一章绪论 1 2 1 国外路基填料改良的发展| 6 l 改良土在国外的研究和应用，从2 0 世纪初就己经开始。由于兴建道路工程 的需要，1 9 0 6 年美国进行改良稳定土的初次尝试，开展了采用水泥、沥青及一 些化学制品改良稳定土的系列研究。在第二次世界大战期间，由于修建机场跑道 和许多次要道路的需要，水泥改良稳定土得到了进一步发展。在本世纪四十年代， 改良土技术得到普遍的认同并在五十到六十年代以后广泛用于机场和道路工程 中。根据土的不同类型，并经多年实践应用的检验，国外目前采用的改良土添加 剂主要有水泥、石灰、粉煤灰、沥青、焦油、有机阳离子化合物以及氯化钠、氯 化钙等。另外，由于环境保护意识的逐渐提高，结合各种工业矿渣和工业废弃物 的处理，许多新型的改良土材料大量涌现，促进了改良填料在道路和土建工程中 的进一步发展和应用 7 1 国外高速铁路国家在高速铁路路基设计和施工中也都曾遇到改良土问题。日 本的建造物设计标准解说( 土构造物) 1 8 】要求采用加入水泥或石灰改良剂改 良遍布于全国的火山灰质粘土；德国的德国铁路工程设计规范汇编( d s 8 3 6 ) p j 要求在高速铁路路基填料中采用水泥、石灰粉或石灰浆等改良剂。日本、美国及 西欧一些国家一直在开展这方面的研究工作。在印度这样的发展中国家，改良土 材料的应用也很广泛，不仅用于筑路、防渗、护坡，还用于修建民房。非洲一些 国家，如赞比哑、安哥拉、肯尼亚等国也大量使用水泥改良土作为基层和底基层 修筑了上千公里的沥青面层公路。可见，世界上无论是发达国家还是发展中国家， 都十分重视改良土这种价廉质优的地方材料。改良土作为一种稳定固化土的措 施，由于相对较好的承载力和抗剪能力，所以主要用于承受抗弯作用的道路和机 场跑道的基层和底基层，以及建筑物的地基处理。相对而言，由于铁路工程对材 料的要求较高，所以改良土在这方面的应用不多。近些年来，随着研究的不断深 入，欧美和日本等国家也逐渐将改良土推广到铁路路基填料等领域，并取得了一 些成功的经验。 1 2 2 我国路基填料改良的发展 我国在上个世纪五十年代丌始进行改良土的综合利用和研究，其中粉煤灰的 研究和应用占主导地位。六十年代，改良填料开始在柔性路面基层中应用。2 0 世纪末，我国公路部门在填料改良领域进行了大量的研究，对石灰土、水泥土、 二灰土的强度发展规律和物理力学性质，工业废料的应用方面都有了重大的发 展，近几年来，由于高速铁路的兴建，进一步推动了改良土的发展。 我国在利用改良土作路基填料方面做了不少探索性的工作。改良土材料在我 硕十学位论文 第一章绪论 国铁路部门的研究和应用起步较晚，大量使用和推广的工程实例不多，它大致经 历了三个阶段1 1 0 1 ( 1 ) 既有线路土质不良地段路基病害整治的改良土研究应用。长期以来，我 国铁路线路经常发生路基变形、下沉、边坡塌滑、道碴陷槽等病害，严重威胁到 铁路的运输安全。为此各有关铁路局先后采取了不少措施进行整治，其中最有效 的方法之一就是改良基床土的工程性质。例如将石灰改良土广泛应用于整治膨胀 土和粉质粘土等基床病害和边坡变形，均取得了很好的效果。近些年来有关部门 进行了许多现场应用和室内试验研究，都表明改良土在整治铁路基床病害方面的 实用性和经济性是传统方法很难比拟的。 ( 2 ) 在新建铁路路基修筑中，对不良土质地段进行土质改良的研究和应用。 运营铁路路基技术状态不佳、强度低、稳定性差，己经成为铁路工程的薄弱环节。 随着国民经济的发展，运量不断增长，路基超负荷工作状态一直没有缓解，以至 时常发生严重的路基病害，因而人们开始注意在新建铁路中提高路基质量，防范 于未然。增加单位土石方造价、提高路堤压实标准和加强检测手段等都是为保证 铁路路基施工质量所采取的必要措施，但对铁路所经过的膨胀土和软粘土等不良 土质地段采取可行的改良措施，则是最经济、效果最佳的方法。正鉴于此，在京 九铁路修建过程中，铁四院等单位对南得复线网状高塑性粘土基床采用掺入石灰 的方法改良土质，他们进行了各种灰土配比的系列室内试验和试验段现场试验， 取得了许多较为重要的成果。 ( 3 ) 为满足铁路干线提速和高速铁路建设的需要，对石灰和水泥及其它改良 土进行静力和动力特性，特别是循环荷载下强度和变形特性的研究。高速铁路己 经成为铁路发展的必然趋势，但其对传统铁路的设计、施工和养护维修提出了新 的挑战，而高速铁路路基在冲击和循环荷载作用下的强度和变形特性就是其中急 需解决的问题之一。近些年来，在一些铁路专线的设计施工规范中，如京沪高 速铁路线桥隧站设计暂行规定，时速2 0 0 公里新建铁路线桥隧站设计暂行规 定和秦沈客运专线铁路路基施工技术细则( 试行) ，京沪高速铁路设计暂行 规定等均涉及到改良土的有关内容。但它们主要是规定了改良土的施工方法及 地基系数、压实系数和孔隙率。等几个常规的技术指标，比起交通部门和国外的 有关标准还有一定的差距。 总的来说，我国铁路路基改良土的大量研究是伴随着铁路标准的提高对于路 基要求的不断提高而进行的，大量系统研究是从秦皇岛至沈阳客运专线和京沪高 速铁路开始，做了大量的科研和试验研究工作。但是普遍表现为取样少，很难体 现改良土性质的共性，对于普遍性的规律研究还比较少，还需大量深入的现场或 室内试验研究。 6 硕上学位论文第一章绪论 1 2 3 填料改良原理i m l a l 关于填料改良的原理已有一些专著，这里仅就本文所涉及到的生石灰、水泥 改良土强度的形成机理做个简单的综述。 ( 1 ) 生石灰改良原理 石灰是以c a c 0 3 为主的原料经过煅烧分解后的产物，其主要成分为c a o 和 m g o 。由于石灰既可在空气中硬化又可在水中硬化，因而是一种胶结材料，其 胶结能力的大小取决于活性c a o 和m g o 含量的高低。石灰加入土中后，石灰与 土发生相互作用，使土的性质得到了改善。在初期，主要表现在土的结团，塑性 降低，最佳含水量的增加和最大干密度的减少等。在后期，由于结晶结构的形成， 提高了整体性、强度和耐久性。石灰改良花岗岩风化物的过程是物理反应和化学 反应的结合。其反应有： 离子交换反应 石灰在水的参与下理解成成c a 2 + 和o h 。离子，c a 2 + 离子与土中的低价k + 、 n a + 等阳离子进行交换反应。使胶体吸附层减薄，颗粒发生凝聚，降低土的分散 性和粘塑性，提高了土微粒团的结构强度和稳定性。这个反应过程是随着c a 2 + 在土中的扩散而逐渐地进行的，并在初期进展迅速，这是石灰改良土初期性质得 到改善的主要原因。 火山灰反应 石灰加入土中后，氢氧化钙与土中活性氧化硅和氧化铝起化学反应，生成硅 酸钙和铝酸钙等硅酸盐产物，此种反应称为火山灰反应。其反应式为： 活性s i 0 2 + xc a ( o h ) 2 + m h 2 0 - - + xc a o s i 0 2 nh 2 0 活性a 1 2 0 3 + xc a ( o h ) 2 + mh 2 0 xc a o a 1 2 0 3 nh 2 0 生成的新的化合物能够逐渐结晶硬化，是一种水稳性良好的结合料。火山 灰反应是在不断吸收水分的情况下逐渐发生的，因而具有水硬性的性质。火山灰 反应是构成石灰土强度的主要原因。 氢氧化钙的结晶反应 石灰加入土中后，氢氧化钙溶解于水，形成c a ( o h ) 2 的饱和溶液。随着水分 的蒸发和反应的进行，特别是石灰掺入量较高时，有可能会引起土中溶液某种程 度的过饱和。c a ( o h ) 2 晶体即从过饱和溶液中析出，从而产生c a ( o h ) 2 的结晶反 应。其反应可用下式表达： c a ( o h ) 2 + nh 2 0 - - - c a ( o h ) 2 n h 2 0 此种反应使c a ( o h ) 2 由胶体逐渐成为结晶体。这种晶体相互结合，并与土粒 结合起来形成共晶体，把土粒胶结成整体。晶体的c a ( o h ) 2 与无定形的c a ( o h ) 2 7 硕十学位论文第一章绪论 相比，溶解度几乎减小一半，因而促使石灰改良土强度和水稳性有所提高。 氢氧化钙碳酸化反应 氢氧化钙吸收水分和二氧化碳可以生成不溶解的碳酸钙，其化学反应式为： c a ( o h ) 2 + c 0 2 + nh 2 0 - - c a c 0 3 + ( n + 1 ) h 2 0 碳酸钙具有较高的强度和水稳定性，是坚硬的晶体，可以把土粒胶结起来， 提高强度与稳定性。由于c 0 2 从混合料的孔隙渗入或随雨水渗入，在石灰土的 表层碳酸化后则形成一层硬壳，从而阻碍c 0 2 的进一步渗入。因此，c a ( o h ) 2 的碳化是个相当长的反应过程，只能是提供石灰土后期强度。 综上所述，石灰改良土强度提高的主要原因是石灰土中离子交换反应以及石 灰与土发生化学反应的结果。其中离子交换反应引起土的性质初期变化，使土具 有初步的水稳性；火山狄反应是构成石灰土强度的主要原因；氢氧化钙的结晶与 碳酸化反应能增加石灰改良土后期强度。 ( 2 ) 水泥改良原理 利用水泥来改良土的过程中，水泥、土和水之间发生了一系列的复杂反应， 主要是水泥自身的凝结硬化作用和水泥水化产物如c a ( o h ) 2 与土之间的物理化 学作用从而使土的性能发生了明显变化。 1 ) 水泥自身的凝结硬化作用 硅酸三钙( 3 c a 0 s i 0 2 ) 在水泥中含量最高( 4 0 - - 4 5 ) ，是决定强度的主要 因素。 2 ( 3 c a