（道路与铁道工程专业论文）改良土的工程性质及其在秦沈客运专线路基工程中的应用.pdf

西南交通大学硕士学位论文 第1 页 摘要 ，路基填料工程性质的好坏是保证填土路基质量的重要一环。即将修建的 京泸高速铁路对路基的填筑质量要求很高，为了严格控制高速铁路路基的变 形，使未来的高速铁路具有一个稳固的轨下丛础，适应列车高速运行的要求， 丘r 沪i 每速铁路线桥隧站设计暂行胤定刈如迭铁蹄的丛床底层填料性能抛 出了具体要求，必须使用a 、b 组填料或改良土。但根据已经进行的京沪高 速铁路沿线填料调查结果，京沪线沿线合格的填料很少，如果完全依靠远运 合格填料，不仅是不经济的，实际实施上也是不可能的。惟一可能的途径是 对不合格填料进行改良，使其达到所要求的品质标准。) 7 一 、 本文简单介绍了京沪高速铁路沿线路基填料概况，以及世界各国路基填 料的分类及压实标准。在分析路基填料改良的发展与现状的基础上，从物理 化学方面研究了各改良土强度形成机理及特点，并分析了土的孔隙液成分列 改良土的影1 4 自。进行了水泥i ：、石灰土、石狄粉煤灰土的室内试验研究，包 括击实试验、液塑限试验、强度试验、渗透试验、压缩试验、抗冻融循环试 验等，通过这些试验发现了改良土物理特性的变化，并找出能满足设计标准 的掺入料配合比。最后结合秦沈客运专线的施工，验证了各掺入料配合比的 矿确性、合理性，归纳总结了各改良土的施：j ：工艺、关键工序、质量保证措 施，为今后高速铁路堕鳖丝型的改良积累了一些资料。 关键词高速铁路：路摧；改良土；试验：施工工艺 o 。 v a b s t r a c t i ti s v e r yi m p o r t a n t f o r r a i l w a ys u b g r a d e w h e t h e rt h e e n g i n e e r i n gc h a r a c t e ro f t h ef i l l i n gi sg o o do rn o t i no r d e rt oe n s u r e t h eq u a l i t yo f f i l l i n ga n d t h ec o n s t r u c t i o ns t a b i l i t yo ft h eh i g h - - s p e e d r a i l w a ys u b g r a d e “p r e s c r i p t i o no fd e s i g no fl i n e ，b r i d g e ，t u n n e l a n ds t a t i o no f h i g h - s p e e dr a i l w a y ”r e g u l a t e dt h a tt h ef i l l i n gu s e di n t h eb o t t o mo f h i g h s p e e dr a i l w a ys u b g r a d em u s tb et h et y p eo fa ，b o r i m p r o v e d s o i l b u t a c c o r d i n g t ot h e s u r v e y r e s u l to f f i l l i n g c h a r a c t e r i s t i co ft h ea r e at h a tj i n g - h uh i g h s p e e dr a i l w a yi s g o i n g t o p a s st h r o u g h ，t h ee l i g i b l ef i l l i n g i s v e r yp o o r i t w i l lb e v e r y e x p e n s i v e i ft h ea l l f i l l i n g t h a tu s e di n s u b g r a d e c o n s t r u c t i o n t r a n s p o r t e df o r mo t h e rr e g i o n t h ec h a r a c t e r i s t i ca n d d i s t r i b u t i n g o ff i l l i n g a l o n gj i n g h u h i g h s p e e dr a i l w a y a r ei n t r o d u c e d t h es o r ta n ds t a b i l i z e do f s u b g r a d ef i l l i n g a l lo v e rt h ew o r da r ed i s c u s s e d o nt h eb a s eo f a n a l y s e so fd e v e l o p e da n dp r e s e n tf o ri m p r o v e ds o i l ，t h et h e o r ya n d c h a r a c t e ro fe a c h i m p r o v e ds o i l a r es t u d i e df o r m p h y s i c s a n d c h e m i s t r y t h ei n d o o r st e s t s o fc o m p a c t i o n ，l i q u i da n dp l a s t i c l i m i t ，s t r e n g t h ，p e r m e a b i l i t y a n dc o m p r e s s i o na r e d o n e ，i n c l u d i n g c e m e n t i m p r o v e d s o i l ，l i m e i m p r o v e d - s o i l ，l i m e - f l ya s h - i m p r o v e d s o l l t h ec o r r e c t n e s sa n dr a t i o n a l i t yo fm i x i n gp r o p o r t i o ni s p r o v e d a c c o r d i n g t ot h es i t eo fq i n s h e n q u i c k s p e e dr a i l w a y a n d t h e c o n s t r u c t i o nt e c t m i c so fe a c hi m p r o v e ds o l la r es u m m a r i z e d k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dr a i l w a y ；s u b g l a d e ；i m p r o v e ds o i l ；t e s t ； c o n s t r u c t i o nt e c h n i c s _ _ - _ _ - _ _ - _ - _ _ - 。_ - _ h - - 。h - _ - - _ _ - 一- _ h - _ - - - _ _ - _ _ - - - _ * - _ _ 西南交通大学硕士学位论文第1 页 1 1 前言 第1 章绪论 高速铁路的出现给传统铁路的设计、施工和养护维修提出了新的挑战， 在许多方面深化和改变了传统的设计思想。对于有碴轨道。高速线路要为列 车的高速、安全、平稳运行提供一个高平顺的和稳定的轨下基础。而轨下基 础的道床和路基是由散体材料组成的。散体材料容易产生变形，且抵抗振动 的能力弱，因此道床和基床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索之一m 。 路基的变形直接反映到轨面上，它对轨道的影h 向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计 永久下沉( 塑性残余变形) 。过大的或不均匀的变形将导致路基病害，造成 轨道的不平顺，既加剧列车与线路的动力作用，也给高速线路养护维修造成 难以克服的困难。受列车荷载反复作用的部分一一路基基床便成为高速铁路 路基设计的重要内容。因此，京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定要求 基床表层必须使用具有严格级配要求的级配砂砾石和级配碎石，基床底层优 先适用a 、b 组填料或改良土。根据业已进行的拟建京沪高速铁路沿线填料 调查结果，a 组的优质填料缺乏，b 组的填料也不多。虽然整条线路中路基 的比重在尽量压缩，但它要占线路总长的5 0 以上是可以肯定的。这样长的 线路必然需要大量土方，为了解决这个问题，显然要扩大填料的可用范幽， 也就是将部分的c 组和d 组填料经改良后使用。因此高速铁路路基填料的 改良优化问题便成为路基设计、施工的重要内容w 。 1 2 本文选题 本论文首先论述了世界各固铁路路基填料的分类及雎实情况，然后从物 理、化学鹏办1 f 【分析了各掺入料改良j ：的加机p u ，针刈c 组( 粉质带o ll ) 填利进行不同掺入料( 石灰、水泥、石灰粉煤狄) 、不同配比改良土的试验， 确定高速铁路路基填料改良的主要技术参数，并进行现场碾压试验，归纳总 结了各改良土的施工工艺。主要内容包括： ( 1 ) 世界各国路基填料的分类及压实标准； ( 2 ) 收集国内外有关铁路路基基床( 公路路魅底基层) 填料改良，特 别是国外高速铁路路基基床底层填料改良的方法及设计参数，确定几种适合 西南交通大学硕士学位论文第2 页 我国国情的高速铁路路基基床底层的改良措施； ( 3 ) 分析研究各掺合料( 石灰、水泥、石灰粉煤灰) 改良加固土机理； ( 4 ) 通过室内试验，确定各掺入料改良土的压缩特性、击实特性、耐 久性、渗透特性及强度特性，并研究各改良上的适埔条件及效采； ( 5 ) 结合秦沈客运专线的施工，进行了改良土施工工艺及效果的现场 试验研究。 _ 一一 西南交通大学硕士学位论文笫3 型 第2 章京沪高速铁路路基填料及压实标准 2 1铁路路基填料分类标准 2 1 1 我国铁路路基填料分类标准 根据铁路路基填料的物理力学性质和适用性，铁路路基设计规范 f t b l 0 0 0 l 一9 9 ) 中，路基填料根据其性质和适用条件分成a 、b 、c 、d 、e 五个组。 a 组优质填料，包括硬块石，级配良好的漂石土、卵石土、砾块石、 砂砾、砾砂、粗砂及中砂。 b 组良好填料，包括不易风化的软块石( 胶结物为硅质或钙质) ， 级配不良的漂石土、卵石土、碎石土、砾石土、砂砾、砾砂、粗砂及中砂， 细粒士含量在1 5 3 0 范嘲的漂石土、卵石土、碎石上、砾石上、及细 砂、粘砂、砂粘土。 c 组可使用的填料，包括软块石( 胶结物为泥质，易风化的) ，细 粒土含量在3 0 以上的漂石土、卵石土、碎石土及粉砂、粉土，粉粘土。 d 组不应使用的填料，包括严重风化的软块石、粉粘土、粘土。 e 组严禁使用的填料，如有机土。 2 1 2 国外铁路路基填料的分类标准 21 2 1 日本铁路路基填料分类标准f i 本国铁于1 9 7 8 年1 1 月9 日制定的铁 路土工结构设计标准中规定，把土质填料和岩质填料按照适用条件分成五 群。 a 群包括：硬石块( 剥离性严重的除外) 。要求其容易确保地基系数k 3 0 1 1 0 m p a m ，且残余下沉量极小；在列车重复荷载作用下，塑性变形量和 弹性变形量小。是一种最适宜作路堤填料的优质填料。 b 群包括：硬石块( 剥离性严重的) 、软石块、脆性石块( d 1 群的除外) 。 要求其容易确保地基系数k 3 0 7 0 m p a m ，且在自重作用下压缩下沉的时间 不长；另外，填料经适当改良处理后，能容易地确保地基系数k 3 0 1 1 0 m p a m 。是一种施工性能良好、适宜作为路堤的填料。 c 群包括：含火山灰质细粒土的砾质土和细粒土，是种低液限的土， 如施工管理得当，能确保地基系数k 3 0 7 0 m p a m ；另外，如填料经适当改 良处理，能确保地基系数k 3 0 1 】0m p a m ；压缩性比b 群差。它是用作路堤 填料的最低限度的普通土。 西南交通大学硕士学位论文 第4 页 d 群包括：脆弱岩石( 粘j 二化的、施工后m 化发胜的、辗压后泥土化的) 。 包括压缩性高，施工性能不良的土质和脆弱岩石。不能用作路堤填料。 v 群包括：v h l 。v h 2 。是火山狄质粘性土，就工程特性来说，重塑后 软化且强度显著降低，施工性能比其他土壤坏；这种粘性土与基床表层邻接 时，容易产生翻浆冒泥，不适合作为路堤填料。 2 1 2 2 德国铁路路基填料分类标准德国铁路土工建筑物规范) ) ( d s 8 3 6 ) 中，铁路路基填料的分类标准如下。 1 非粘性土 粗粒土： g e 砾石，颗粒级配紧密 g w 砾石，颗粒级配分散 g i 砾石，颗粒混合级配 s e 砂，颗粒级配紧密 s w 砂，颗粒级配分敞 s i 砂，颗粒混合级配 颗粒混合型土： g u 砾石，流砂性 g t 砾石，粘性。 s u 砂，流砂性 2 粘性土 颗粒混合型土： g u 砾石，流砂性强 7 1 砾石，粘士性强 s u 砂，流砂性强 s r 砂，粘性强 s ，砂，粘性 g 丁砾石，粘性 细粒土： u 流砂 u l 略有塑性的流砂 u m 中性流砂 t _ 一粘土 t u 略有可塑性粘土 - 一 西南交通大学硕士学位论文 第5 页 t m 。卜等塑性粘上 t a 可塑性强的粘土 3 有机土，有动植物残杂的有机物土壤和有机物土 o u 有机混合物流砂和有机流砂 0 t 有机混合物粘土和有机粘土 o h 有腐嫡土混合物的粗粒及混合型土 o k 有石灰石和砾石混合物的粗粒及混合型土 h n 无分解直至有部分分解的泥炭 h z 分解的泥炭 f 淤泥 其中，粗粒土属优质填料，是基床表层的首选材料。除o h 、o k 、h n 、 h z 、f 类土外，其他类土均可作为铁路路基的填料。 铁盟路基填料分类标准表2 1 十质土质级别 1 、松软的有机十； 2 、细粒土( 细粒) 禽越 1 5 的膨胀性，过湿 不易压实的土； 3 、触变性十； q s o 4 、可溶物质的土( 盐渍七、石膏等) ； 5 、有机质与矿物混合物、l ：业污染废料 6 、粒含鲑人于4 0 的十； 7 、严重风化岩：干容巫 1 7k n m 3 及极易破碎 q s l 的白坐、混灰岩、风化页岩； 8 、细粒含颦为15 4 0 的士； 9 、风化岩：干容重 j 7k n m 及弱易碎性的向 坐、未风化的页岩 q s l ( 肯定水文地质条f l ：好时划为q s 2 级) 1 0 、岩：干燥d e v a h 睫度 3 3 1 l 、细粒含量为5 1 5 的士 1 2 、细粒含鼙 5 ，颗粒均匀的砂 1 3 、中等艘岩：6 d e v a l 垭度 6 0 ( 砂砾土) 高度0 0 2 m ：e v 2 1 2 0 德国 0 2 0 7 1 1 1 ： e v 2 8 0 0 7 2 0 m ： e v 2 6 0 高度 一6 0 意火利 0 2 5 m ：e v 4 0 2 3 2 广深准高速铁路路基填料及压实标准 广深准高速铁路对路基填筑质量的控制采用k 3 0 平板载荷试验作为主 要检测手段，压实系数和相对密度作为辅助检测手段。路基压实标准如表 2 3 ( 压实度为标准压实) 。 广深准高速铁路路基填料及压实标准袭2 - 8 部位检验参数细粒：t 、粉砂中、粗粒砂碎石、碎石类块石混合类 k 3 0 ( m p a m ) 1 0 01 2 01 5 0 基床表层k0 9 7 d r0 8 k 3 0 ( m p a m ) 8 01 0 01 2 01 5 0 基床底层k0 ：9 3 d r0 7 5 k 3 0 ( m p a m ) 7 08 01 0 0 路堤下部k0 9 0 d r0 7 0 2 3 3 秦沈客运专线路基填料及压实标准 秦沈客运专线是我国正在修建的第一条开通速度达1 6 0 k m h ，运营速度 达2 0 0 k m h 的快速通道，部分区段预留速度2 5 0 3 0 0 k m h 。秦沈客运专线路 基基床由基床表层和基床底层组成。基床表层厚度o 6 m ，基床底层1 9 m ， 总厚度2 5 m 。路基填料技术标准如表2 4 2 6 所示。 秦沈客运专线路基基床表层填料及压实标准表2 4 压实标准 填料厚度( m ) 适用范围 地基系数k 3 0 ( m p a m )孔隙率r l 级配碎石 o 6 1 9 0 j 5 路堤 级配砂砾石0 61 9 0 1 5 级配碎石o 51 9 0 l5 易风化的软质岩、风 化严重的硬质岩及。卜 中粗砂 0 1 13 0 1 5 质路堑 堕壹奎望查堂堡主耋垡婆壅笙! 旦l 一 填料厚度( m ) 压实标准细粒土 粗粒土 碎石土 a 、b 组填 地基系数k s o ( m p a m ) 1 1 01 3 0 1 5 0 料或改良 1 9压实系数k 0 9 5 土 孔隙率n ( ) 2 0 2 0 填料压实标准 细粒土 粗粒土碎石土 a 、b 、c 组填 地基系数k 3 0 ( m p a m ) 9 01 1 0 1 3 0 孔隙率n ( ) 2 5 1 0m m 。砂要有良好的级配，一般选用粗砂 或中砂。对粒径小于0 ，5m m 颗粒的含量和塑性指数要求严格控制。为防止下 卧土层颗粒进入基床表层，要求d 。 4 d 。( 路基填土) 。如果不能满足这一 要求，可在基床表层的底面加铺一层土工合成材料，以提高其反滤能力。 根据上述各项要求，级配砂砾石采用我国公路路面基层材料采用级配砂 砾石时所规定的级配要求，见袭2 7 。压实标准见表2 8 “。 京沪高速铁路级配砂砾石的级配范围表2 7 级配通过筛孔质量百分比( )液限 塑性 编号( )指数 5 04 03 02 01 052o 50 0 7 4 11 0 09 0 1 0 06 5 8 54 5 7 03 0 5 s1 5 3 51 0 2 04 1 0 2 86 2l o9 0 1 0 07 5 9 55 0 7 03 0 5 ：； 1 5 3 5l o 2 04 l o 2 86 31 0 08 5 1 0 06 0 8 03 0 5 ( 1 5 3 0l o 2 02 8 2 86 京沪高速铁路级配砂砾石基床表层的压实标准 表2 8 压实标准 填料厚度( i t i ) 地基系数k 3 0 ( m p m m ) 孔隙率n压实系数k 级配砂砾石 o 7 1 9 0 l s 大小不同的粗、细碎石集料和石屑各占一定比例的混合料，并且其颗粒组成 符合密实级配要求。级配碎石可由未筛分碎石和石屑组配成。未筛分碎石是 指控制最大粒径( 仅过一个规定筛孔的筛) 后，由碎石机车l $ 1 j 的未经筛分的碎 石料。它的理论粒径组成0 5 0 m m ，并且具有较好的级配，可直接用作高 速铁路基床表层填料。石屑是指碎石场经孔径为5 m m 的筛余料，其实际颗粒 组成常为0 1 0 m m ，并具有良好的级配。 碎石的级配范围及压实标准如表2 9 、2 1 0 所示。 级配碎石与下部填土之间应满足d i 。 2 4 5 ，吸水量3 o 。 京沪离逮铁路级配碎石的级配范围 表2 9 级配 通过筛孔质量百分比( ) 塑性 编号 指数 5 04 03 02 5 2 0l552 5o 50 0 7 4 l1 0 09 0 1 0 06 0 9 03 0 6 52 0 s 01 0 - 3 02 - 1 0 4 21 0 09 5 1 0 06 0 9 03 0 6 52 0 5 01 0 3 02 l o 4 31 0 09 5 1 0 05 5 8 5 3 0 6 52 0 5 01 0 3 02 - 1 0 4 京沪高速铁路级配碎石基床表层的压实标准表2 1 0 压实标准 填料厚度( m )适用范围 地基系数k s o ( m p a m ) 孔隙率r l 级配碎石0 7 1 9 0 1 5 路堤 级配碎石0 s s1 9 0 1 5 易风化的软质岩、风化严 中粗砂 o 1 51 9 0 l5 重的硬质岩及土质路堑 注：压实系数采用重型击实标准 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 2 3 4 2 基床底层基床底层填料应严格按现行规范执行，只能使用a 组、b 组填料及改良土。不能使用力学性质较差的c 组填料，禁止使用d 组填料和有 机土。京沪高速铁路基床底层填料的压实标准如表2 1 l 。 京沪高速铁路基床底层的压实标准表2 1 1 填料厚度( m )压实标准细粒土粗粒土碎石土 地基系数k 3 0 ( m p a m ) 1 1 01301 5 0 a 、b 组 相对密度d r0 8 填料或 2 3 改良土 压实系数ko 9 5 孔隙率n ( ) 2 0 2 0 2 3 4 3 路基下部路基下部填料应满足下列三个基本要求： ( 1 ) 在列车和路堤自重荷载作用下，路堤能保持长期稳定； ( 2 ) 路堤本体的压缩沉降能很快完成： ( 3 ) 其力学特性不会受其他因素( 水、温度、地震) 影响而发生不利于路 堤稳定的变化。因此，只要土质经过处理后能满足上述要求，是可以充当填 料的。 但是，对于高速铁路，使用的填料应该是最好的。这样既可以减少后期 沉降，又可以有较高的安全储备以保证路堤的稳定，并保证不产生病害。因 此，首先应该采用目前路基规范中所要求的优质填料类型。实际观测表明， 采用优质级配良好的粗颗粒可以大大减小路基的后期沉降。因此，在可能的 条件下，路堤填料应优先选择a 组、b 组填料。 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，否则就需要远运。虽然整条线路中路基的比重在尽量压缩，但它要占线 路总长的5 0 以上是不会有疑义的。这样长的线路必然需要大量土方。为了 解决这一难题，显然要扩大可用填料范围，也就是要将部分c 组填料和d 组填 料经过改良以后使用。 其实，缺乏优质填料不仅在我国，世界各国都存在这个问题。因此，各 国都在满足基本要求的前提下，努力使可用作填料的范围扩大。法国就曾在 东南线的高路堤中试验使用含水量较高的粘士，其直接的目的是为了降低造 价。 西南交通大学硕士学位论文第1 3 页 京沪高速铁路路基下部填料压实标准表2 1 2 填料压实标准细粒_ ：糨粒士碎扩i 土 地基系数k 3 09 0 l i 01 3 0 a 、b 、c 组填 料或改良土 孔隙率n 4 氧化镁含量( ) 3 2 1 3 影响石灰土强度的因素 ( 1 ) 灰质对石灰土强度的影响 石狄质量应符合m 级以上，并要尽量缩短石灰的存放时间。在同等石灰 剂量下，质量好的石灰，改良效果好。实践证明，应用磨细的生石灰改良土 效果好于熟石灰。这是因为生石灰在土中消解过程中放出大量的水化热，促 进了石灰与土之间各种反应的进行。另外，刚刚消解的石灰具有较高的活性， 有利于与土反应。 ( 2 ) 石灰剂量对石狄土强度的影响 石灰的剂量对石灰土强度影响显著，石灰的含量较低时，石灰主要其稳 定作用，使土的塑性、膨胀性降低，初步具有水稳性，密实度和强度得到稳 定。随着剂量的增加，强度和稳定性均提高。但石灰的含量超过一定数量后， 过多的石狄将沉积在土中孔隙而不参加反应，会导致孔隙比增加、石灰土强 亘塑窒婆查堂堡圭兰焦笙塞 一箜型坠一 度降低。因此，对于石灰改良土，存在最佳；5 狄剂量。 ( 3 ) 含水景对石灰土强度的影响 水是石灰土的重要组成部分。它促使石狄土发生物理化学变化，形成强 度。施- rh , - t 有水方便于土的粉碎拌和和压实，并且有利于养生不同土质的 石狄土各有其自己的最佳含水量。通过击实试验，来控制施工中的含水量。 所用水应是干净的可饮用水。 ( 4 ) 密实度对石灰土强度的影响 石灰土的强度随密实度的增加而增长。实践证明，石灰土的密实度每增 减1 ，强度约增减4 左右。而且密实的灰土，其抗冻性、水稳性也好， 缩裂现象也少，所以提高石灰土的密实度具有重要意义。 ( 5 ) 养生条件对石狄土强度的影响 石狄土的强度是在一系列复杂的物理、化学反应过程中逐渐形成的，而 这些反应过程需要一定的温度和湿度条件。 养生的影响包括养生条件和龄期两个方面。试验证明，高温和一定的湿 度对石灰土强度的形成很重要。空气养生过程中，石灰土试件的水分逐渐损 失，因此其强度最低。恒温恒湿条件下养生，试件的强度最高。因为温度高 可使反应过程加快，一定的湿度为c a ( o h ) 2 结晶和火山灰反应提供了必要的 结晶水。 实践证明，暖和气候是石狄土养生的良好条件。在夏季高温天气，石灰 土的强度随龄期增长很快。在秋末初冬低温天气，石灰土的强度随龄期很少 增长。在冬季负温度的反复作用下，石灰土的强度还可能显著降低。 石灰土的强度随龄期的增长较水泥土慢的多。到2 8 天龄期时，水泥土 可达强度的7 0 左右，而石灰土只能达到3 0 左右的强度。石灰土的强度 增长期很长，可达8 1 0 年。 ( 6 ) 土的种类和成分对石灰土强度的影响 石狄土的强度随土中粘粒含量的增多和塑性指数的增大而增大。土中粘 土矿物增加或塑性指数的增大，使得土的化学活动性增强，有利于石灰与土 的相互作用进行。 石灰土的强度随土中有机质含量的增多而减少。有机质般呈酸性反 应，使土的p h 值降低，再者有机质本身的水稳性差，遇水激烈膨胀，致使 1 ：体的强度降低。 石狄土的强度随土的p h 值增大而增大。土中溶液的碱性较大时，有 利于土中硅铝矿物两性氧化物等的解离，从而促进石灰与土之间的火山灰反 西南交通大学硕士学位论文第2 2 页 应以及其他化学反应的进行。 3 2 1 4 石灰土的优缺点 国内外都在广泛使用石灰改良士，这是因为石灰土具有一些主要的优 点： ( 1 ) 石狄改良土只有较高的抗压强度。强度形成好的石狄土是一种整 体性材料，具有板体作用，并且其具有较好的水稳性。 ( 2 ) 石灰特别适宜予其他掺入料不宜改良的塑性指数高的粘性土。 ( 3 ) 石灰土是一种缓凝慢硬材料，从加水拌和到完成压实的延迟时间 ( 2 - 3 天) 对其压实度和强度没有明显影响，便于施工。既可以用路拌法施 工，也可以用集中拌和法施工，甚至用人工拌和。 虽然石灰土具有以上优点。但相对于其他掺入料的改良土，也具有一些 缺点： ( 1 ) 就一般的土而言，石灰改良土的强度有一定限制，强度的可调节 范围不大。 ( 2 ) 对于塑性指数较小的土，既使用很大比例的石灰进行改良，也达 不到很高的强度，并且对特定的石灰土存在一最佳含灰率，当含灰率大于最 佳台灰率时，强度反而随含灰率的增加而降低。 ( 3 ) 石灰土的收缩系数大，? 在相同条件下，石灰土较水泥土、二灰土 的收缩裂缝严重。且石灰土遇水易软化。 ( 4 ) 石灰土的施工工期短予水泥土。主要是石灰土的早期强度低，在 温度较低时，其强度随龄期增长缓慢。 ( 5 ) 石狄土的水稳性和冻稳性较水泥土、二狄土要差。 3 2 2 水泥土 3 2 2 1 水泥土强度形成机理水泥与土拌和后，由于土的影响，水化反应 进行较缓慢。水泥的矿物成分在土中先与水进行强烈的水解和水化反应，同 时在溶液中分解出氢氧化钙并形成其他水化物。当各种水化物生成后，有的 自身继续硬化形成水泥骨架具有强度：有的则同有活性的土进行反应，归纳 起来有如下几种形式： ( 1 ) 离子交换及团粒化反应 在水泥水化后的胶体中c a ( o h ) 2 和c a 2 + + 2 ( 0 h ) 一共存。而构成粘土的矿 物是s i 0 2 为骨架，合成的板状、针状的结晶，其表面带有n a + 和k + 等粒子 进行当量吸附交换： e 堡_ n a + r 或k + ) + c a ”一匡 c a 2 + + n a 十( 或k + ) 一 西南交通大学硕士学位论文第2 3 页 其结果使大量的土颗粒形成较大的土团。由于水化物具有强烈的吸附活 性，使较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土的链条状结构，并封闭各 土团阃的孔隙，形成坚固的联结，这是水泥一t = 具有强度的主要原因。 ( 2 ) 硬凝反应 随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量c a 2 + ，当c a 2 + 的数量超过 上述离子交换的需要量后则在碱性的环境中使组成粘土矿物的s i 0 2 和 a 1 2 0 3 的一部分或大部分同c a 2 进行化学反应，生成不浴于水的稳定的结晶 矿物( c a o a 1 2 0 3 一h 2 0 系列铝酸石狄水化物和c a o s i 0 2 一h 2 0 系列硅 酸石狄水化物) 。由于生成了这种重新结合的化合物而增大了土的强度。 ( 3 ) 碳酸化反应 水泥水化物的游离c a ( o h ) 2 不断吸收水中的h c 0 3 一和空气中的c 0 2 作 用，生成碳酸钙： c a ( o h ) 2 + c 0 2 c a c o , + h 2 0 这种反应能使土固结，提高强度，但比硬凝反应的作用差一些。 由于水化反应不断深入，水化产物与有活性的土同时进行物理化学作 用，并继续发展。因此，使水泥土不但具有较高的强度，而且强度随龄期逐 渐增加。 水泥土强度增长的基本原理是基于水泥与土之间的物理化学反应，不仅 存在水泥的水化硬化，而且伴随着土体与水泥水化物的相互作用，水泥土的 强度构成主要有4 个层次：土的固有结构，物理改良，水泥硬化，硬凝反应。 其中水泥硬化时强度的贡献最大。 土样中影响水泥土强度发展的因素很多，如容重、含水量、孔隙比、塑 性指数、塑限、粒径、有机质种类及含量、土样的阳离子交换容量、土中可 溶盐的种类及含量、土样p h 值、粘土矿物种类和非晶质含量，以及非品质 的铝硅比等。土样各因素的影响过程是复杂的，水泥土强度的一个构成层次 可能受到土样几种不同因素的影响；土样一个因素又可能对几个强度构成层 次产生影响。因此，不仅要研究土样的物理力学性质对水泥土强度的影响， 还应研究土样化学性因素的影响；不仅要从土质学角度研究对水泥土强度影 响最大的水泥土的硬化过程，还应从水泥化学角度进行研究。才可能全面的 认识水泥土强度增长机理，才可能正确地描述士样因素与水泥土强度的关 系。 下面从化学分析的角度解释为什么对不同土质、采用相同的水泥用量和 处理工艺，所得到的水泥土强度相差甚远”“。 西南交通大学硕士学位论文第2 4 页 水泥和湿土拌合后，水化产生c a ( o h ) 2 ，c a ( o h ) 2 也可以c a ”，o h 和 c a o 的形式存在。水泥，生成的水化物中，c i ( o i - i ) ：约占2 0 一3 0 。研究表 明，出于土颗粒对c a o 的物理吸附，土样在与c a o 拌合后的几分钟至几小 时内，便可吸收约为土重3 的c a o 。在通常条件下，水泥水化产生的c a ( o h ) 2 难以满足土样对c a o 如此大的吸收量，因而水泥土的孔隙水就可能处于 c a ( o h ) 2 不饱和状态。同时，土质胶体部分所吸附的h + ，a l ”等阳离子也会 将与c a 2 十，o h 一进行离子交换和中和反应，进一步降低水泥土中的c a ”， o h 一粒子的浓度。此外，在相当长的时间里，土中活性物质与c a o 进行硬 凝反应，将进一步消耗大量的c a o 。土质的粒径、矿物种类、有机质含最等 因素均影响土质对c a o 的消耗量。 在水泥水化物中，对强度贡献最大的是具有胶结作用的水化硅酸钙 ( c s h ) 。水泥化学的有关研究表明：在液相中生成的水化硅酸钙( c s h ) 有大致一定的c a s i 比，约为1 ，2 。c s h 生成的热力学平衡式可以写作 6 c a 2 + + 5 h s i o 一+ 7 0 h - 营6 c a o 5 s i 0 2 6 h 2 0 ( c s h ) 液相原始c “s i ，o h 一s i 的比值影响水化产物的种类，当液相原始c a s i ， o h 一s i 比较小时，在水化产物中，无胶结作用的硅酸凝胶占有较大比例。 随着溶液原始c a j s i ，o h 一s i 比值的增加，聪化产物中的c s h 比例增加。 从热力学平衡式得知：液相c a ”，o h j 勺减少必然使c s h 的生成量减 少。在水泥土孔隙水c a ( o h ) 2 不饱和的情况下，为达到饱和吸附，土质必将 大量吸收生成c s h 所必需的c a “，o h 一，致使c s h 的生成量降低。在水泥 土形成过程中，土质对c a ”，c a o ，o h 一的吸收与水泥水化释放c a ( o h ) 2 的 过程是同时进行的。早期土质对c a 2 + ，c a o ，o h 一的大量吸收可能导致水泥 土孔隙水原始c a s i ，o h s i 比值过低，使水泥水化生成物中无胶结能力的 硅酸凝胶量增加，这进一步消耗了c a 2 + ，o h 一，更加降低了c s h 的生成量。 土质对c a 2 + ，c a o ，o h 一的吸收量越高，水泥土孔隙水中c a 2 + ，o h 一浓度就 降低，在水泥土中水泥水化产生c s h 的就趔少。 因此，当土质对c d + ，c a o ，o h 的吸收量较大，使得水泥土孔隙水中 c a ( o l - i ) 2 不饱和时，土质对c a 2 + ，o h 一的进步吸收将使c s h 等水泥水化物 生成量减少。由于c s h 等水泥水化物的胶结作用是构成水泥土强度的主要 因素，因此，土质对c a ”，c a o ，o h 一吸收量的不同使得水泥土中c s h 等水 化物的生成量不同，进而导致水泥土强度产生差异。只有当水泥土孔隙水仍 处于c a ( o h ) 2 过饱和状态时，土质对c a 2 + ，c a o ，o h 一的吸收才不会影响c s h 的生成量，而仅影j 恂水泥土中c a ( o h ) 2 的量。 i 西南交通大学硕士学位论文第2 5 页 因此水泥土硬化反应模式如图3 1 所示 3 5 】。水泥与粘土拌