高速铁路盐渍土路基填料复掺改良试验研究.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202207025开放科学（资源服务）标识码（OSID）高速铁路盐渍土路基填料复掺改良试验研究申 涛（中铁十八局集团第一工程有限公司，河北涿州072750）摘要：利用复掺水泥+S95 级矿粉+煤系偏高岭土（CMK）方式对取自包银铁路的盐渍土进行改良试验，结果表明：掺入 CMK 能明显改善土体结构，增强密实度和稳定性，提高强度和抗渗性能，固结物含量、强度随 CMK 掺量增加呈先增大后减小变化特征，渗透系数随 CMK 掺量增加呈先减小后增大变化特征；随着 CMK 掺量提升，最优含水率逐渐增大，土体内部的孔隙水含量增加，土体的导电性随之增大，电阻率随着 CMK 掺量增加而减小；盐渍土水泥S95 级矿粉CMK=90262 为最佳的路基改良处治方案，其固结物含量最高，强度可提高数倍，抗渗性提升一个数量级以上，电阻率提升 2.83.3 倍。关键词：路基填料；水泥+S95 级矿粉+煤系偏高岭土复掺；改良盐渍土；固结物含量；渗透系数；电阻率中图分类号：TU448文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)04 0032 05 0 引言我国西北干旱、半干旱地区广泛分布着各种类型的盐渍土，盐渍土具有盐胀、溶陷、腐蚀等特性，会造成建筑基础不均匀沉降，导致建筑开裂和破坏，降低建筑物使用寿命。因此，有必要对盐渍土进行改良研究1 3。以往的工程实践遇到盐渍土不良基础时，通常采取换土垫层的方式4 5，需要从工程区域外运输优质填料进行换填，不仅工程量大、成本高、施工周期长，而且换填后的基础仍然存在病害的风险。近年来，针对盐渍土就地固化改良的研究逐渐深入，取得了一定成果。目前应用于盐渍土改良的材料主要包括水泥、粉煤灰、纤维以及一些改性剂等6 10。西北地区盛产煤炭，在煤炭开采、清洗过程中会产生大量的煤矸石废弃物，占用土地的同时，还会造成环境污染，目前对于煤矸石废弃物的再生利用率较低，如果能在工程中得到规模化应用，将产生巨大的工程、社会、环境和经济效益。煤系偏高岭土（CMK）属于煤矸石废弃物的一种，本文基于新建包银高速铁路盐渍土路基，利用水泥、粉煤灰和煤系偏高岭土等作为复掺改良剂对盐渍土进行改良处治，在满足工程要求的同时，探索煤矸石废弃物的资源化利用。1 复掺改良盐渍土机制天然盐渍土呈单粒状，主要依靠颗粒之间的团聚作用黏结在一起，颗粒之间胶结不够紧密，多以点接触为主，接触面积小，因而结构较为松散，在土体中会存在大量的孔隙结构。向盐渍土中掺入水泥等胶凝材料后，会在土颗粒结构中发生水化反应，生成大量的 Aft、Ca(OH)2、C-S-H 等絮状胶凝物质，这些物质附着在土颗粒表面，增加了颗粒之间的接触面积，提高了颗粒之间的黏结力，同时还能起到良好的填充作用；与此同时，矿粉和煤系偏高岭土中的 SiO2、Al2O3等物质会与 Ca(OH)2等发生二次水化反应，继续生成强度和稳定性更好的 C-S-H 物质，而矿粉本身粒径很小，可以起到填充孔隙结构的作用，使土颗粒结构更加致密，从而改善力学性能和耐久性能。2 工程概况 2.1 工程简介新建包头至银川高铁 BYZQ-07 标段全长57.035 km，包含区间路基 42.360 km。沿线主要经过黄河冲积而成的河套平原、山前冲洪积平原、银 收稿日期：2022 12 07作者简介：申涛（1979），男，湖南邵东人。工程师，主要从事铁路工程施工技术管理工作。E-mail：。路基工程 32 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）川冲湖积平原，地势较为平缓，略有起伏，高程1 0001 600 m。标段区间路基填筑宽度 10.8 m，一般填筑厚度 3.8 m，土方开挖约 348.3 万 m3，石方开挖约2 925 m3，路基填料 169.0 万 m3，渗水土处置25.8 万 m3，级配碎石 73.9 万 m3。沿线普遍分布着盐渍土，由于路基填方数量大，为节省工程造价，需就地取盐渍土作为路基填料，但盐渍土具有吸湿、膨胀、溶陷等工程特性，影响路基工程稳定，故需要对盐渍土路基段进行改良处治。2.2 地质条件本线位于中朝准地台（华北地台）之中，经过的地质单元依次为二级构造单元鄂尔多斯台拗中的河套断陷带，二级构造单元鄂尔多斯西缘拗陷中的桌子山-贺兰山褶断束和银川隆陷。沿 线 液 化 层 厚 1.0 12.2 m，抗 液 化 指 数0.490.99。风沙主要分布于临河乌海间，线路走行于乌兰布和沙漠、库布齐沙漠之间的黄河两岸，处于沙漠、河流阶段及其过渡带上。不良地质包括软土及松软土、盐渍土。盐渍土以粉土、细砂为主，层厚 0.51.0 m，盐渍土类型为亚硫酸盐渍土、亚氯盐渍土及氯盐渍土，大部地段地表以下 1.0 m 深度内的土层，易溶盐平均含量 0.05%2.75%，盐渍化程度弱-中等。2.3 气象条件沿线多年平均降雨量 140.2305.4 mm，多年平均蒸发量 945.92 731.8 mm，多年平均温度7.414.9，沿线土壤最大冻结深度 99154 cm。3 现场试验方案 3.1 试验原材料 3.1.1 盐渍土盐渍土取自工程现场，天然含水率 21.30%，密度 2.05 g/cm3，经过击实试验的最优含水率为14.05%，最大干密度 2.20 g/cm3。根据现场岩土工程勘测报告显示，盐渍土的硫酸根离子含量11 933 mg/kg，氯离子含量 3 088 mg/kg，易溶盐总量约占 1.79%，属中等硫酸盐盐渍土，该段场地属于级溶陷性场地。天然原状盐渍土级配曲线，见 图 1。根 据 筛 分 试 验 结 果，土 颗 粒 粒 径210 mm 的占比 50%，粒径小于 0.075 mm 的颗粒占比仅 10%，属于粗粒土，各粒径占比，见表 1。计算得到盐渍土不均匀系数 Cu=4，曲率系数Cc=0.56，属于级配不良土。01020304050607080901000.010.1110筛余量/%粒径/mm图1天然原状盐渍土级配曲线 表1原状土各粒径占比小于某粒径/mm1020.50.250.0750.0375颗粒占比/%10050201091 3.1.2 水泥、矿粉、CMK 及水选用 PO42.5 普通硅酸盐水泥，主要化学成分为 CaO 和 SiO2，比表面积 361 m2/kg，平均烧失量 1.5%，初凝和终凝时间分别为 75、265 分钟，28 天抗折和抗压强度分别为 7.4、47.8 MPa。S95 级矿粉密度 2 g/cm3，平均烧失量 0.4%，粒度 600 目，主要化学成分为 CaO、SiO2和 Al2O3。煤系偏高岭土（CMK）：主要化学成分为SiO2和 Al2O3，密度 2.55 g/cm3，硬度 2.4，pH=6。试验采用自来水，pH=7.2，可溶物和不溶物含量分别为 64.0、1.8 mg/L，硫酸根含量和氯离子含量分别为 4.2、0.2 mg/L，总碱度 1.2 mg/L。3.2 试验方案复合改良剂的配方为水泥+S95 级矿粉+煤系偏高岭土（CMK），盐渍土与改良剂的掺配比保持 91 不变，水泥的用量保持不变，为试样总质量的 2%，S95 级矿粉+煤系偏高岭土的质量为总质量的 8%，两者的配比为 S95 级矿粉煤系偏高岭土=80、71、62、53、44 五种，同时制作一组天然盐渍土试样作为对照试验组。试验配合比及最优含水率，见表 2。表2试验配合比及最优含水率编号盐渍土/%水泥/%S95矿粉/%CMK/%最优含水率/%110000011.3329028013.8739027114.0049026214.0959025314.2069024414.33 3.3 试件制备首先将现场取回的盐渍土碾碎后过 2 mm 的筛子，将筛选后的盐渍土放入 105 的烘箱中烘干申 涛：高速铁路盐渍土路基填料复掺改良试验研究 33 备用。按照各试验配合比方案配制改良盐渍土，再按照土工试验方法标准（GB/T 501232019）中标准，采用重型击实试验方法测试各配合比方案下的最优含水率，并按照最优含水率制备试样，试样为直径和高度均为 50 mm 的圆柱体，最后将制作好的试样放到标准养护箱中养护 7、28、90 天，取出试样进行相关力学试验。3.4 试验项目、方法及设备无侧限抗压强度：采用 YHS-229WJ 型微机控 制 电 子 万 能 试 验 机 进 行 试 验，加 载 速 率1 mm/min。固结物含量：收集强度试验后的试样碎块（粒径小于 1 cm），称其质量 m1后放到 0.315 mm的砂石筛上，然后用流动水洗的方式进行清洗，直至 不 再 产 生 浑 浊 液 体 为 止，再 将 碎 块 放 入105 的烘箱中烘干，测量碎块质量 m2，固结物含量=（m2/m1）100%。渗透性测试：采用 PN3230M 型环境岩土柔性壁渗透仪进行渗透试验，上、下反压 200 kPa，围压2 500 kPa，先将试样至于渗透仪中使试样充分饱和，然后在 100、200、300 kPa 的渗透压下，测试 90 天龄期下试样的渗透速率。电阻率测试：将养护好的试样表面檫干，在表面均匀涂抹一层石墨，选用 TH2828A 型号 LCR数字电桥对其进行电阻率测试，测试前，将仪器先预热 20 分钟，然后在 50 Hz 交流电频率下测试试样的电阻率。4 试验结果分析 4.1 无侧限抗压强度不同养护龄期下盐渍土无侧限抗压强度，见图 2。在水泥掺量为 2.0%下，随着煤系偏高岭土（CMK）掺量的增加（S95 级矿粉掺量减小），改良盐渍土的无侧限抗压强度呈先增大后减小的变化特征，当 CMK 掺量为 2.0%、S95 级矿粉掺量为 6.0%时，改良盐渍土的无侧限抗压强度达到最大值；天然盐渍土在 7、28、90 天的无侧限抗压强度分别为 0.7、1.6、2.0 MPa；当只掺入水泥和 S95级矿粉时，7、28、90 天的无侧限抗压强度分别为3.3、5.6、5.9 MPa；当掺入 2.0%的 CMK 后，7、28、90 天的无侧限抗压强度分别达到了 4.5、6.2、6.7 MPa，相比天然盐渍土分别提升了 543.0%、288.0%和 235.0%，相比只掺入水泥和 S95 级矿粉试验组分别提升了 36.4%、10.7%和 13.6%，当 CMK 掺量继续增大至 4.0%时，盐渍土的无侧限抗压强度有所降低，7、28、90 天的无侧限抗压强度分别为 2.2、3.6、3.8 MPa，虽然相比天然盐渍土分别提升了 214.0%、125.0%和 90.0%，但相比只掺入水泥和 S95 级矿粉试验组分别降低了33.3%、35.7%和 35.6%，这说明适量掺入煤系偏高岭土（CMK），可对改良盐渍土的无侧限抗压强度有一定的提升作用，但掺量不宜过高。023571468135642无侧限抗压强度/MPa试验组编号7 d28 d90 d图2不同养护龄期下盐渍土无侧限抗压强度 煤系偏高岭土（CMK）对盐渍土的改良作用主要得益于其含有大量 SiO2和 Al2O3，可在水泥水化反应产生的 Ca(OH)2碱溶液中进行二次水化反应，生成水化硅酸钙 C-S-H、水化铝酸盐等晶体产物，C-S-H 的网状结构可促使土颗粒胶结更加紧密，结构更加稳定，同时矿粉和煤系偏高岭土（CMK）的粒径较小，可起到填充孔隙结构的作用，盐渍土土体孔隙结构得到很好的填充效果，形成骨架密实型级配结构，故而强度提升；但是，当 CMK 掺量增大，S95 级矿粉掺量降低时，会导致改良盐渍土中溶出的钙离子含量降低，从而导致二次水化反应时生成的 C-S-H 晶体物质减少，结构的稳定性降低，强度自然就会减小。4.2 固结物含量不同龄期下盐渍土固结物含量，见图 3。随着煤系偏高岭土（CMK）掺量的增加（S95 级矿粉掺量减小），盐渍土的固结物含量呈先增大后减小的变化特征，当CMK 掺量为2%、S95 级矿粉为6%时，固结物含量最高，28 天龄期下的固结物含量相比 7 天龄期下的固结物含量有较大幅度增加，但 90 天龄期和 28 天龄期下的固结物含量基本相等，相差不大，说明水化反应主要集中在 28 天内完成；掺入适量的 CMK，可促进水化反应固结物的产生，一是因为 CMK 中含有大量 SiO2和 Al2O3，二是因为其粒径较小，与更细小的矿粉一同对改良土土体颗粒骨架空隙起到填充作用，使结构更加稳定，但是当继续掺入 CMK 后，可能会导致二次水化 反 应 时 C-S-H 胶 结 物 生 成 量 不 足，因 此，CMK 的掺量不宜超过 2%。路基工程 34 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）020804060100135642固结物含量/%试验组编号7 d28 d90 d图3不同龄期下盐渍土固结物含量 4.3 抗渗性不同渗透压差下盐渍土渗透系数，见图 4。随着煤系偏高岭土（CMK）掺量的增加（S95 级矿粉掺量减小），90 天龄期盐渍土的渗透系数呈先减小后增大的变化特征且差异性不大，100、200、300 kPa 渗透压差下，2%煤系偏高岭土（CMK）掺量下的渗透系数分别仅为 8.0107、10.5107、11.0107 cm/s；渗透压差越大，渗透系数越大。100 kPa 渗透压差下，天然盐渍土的渗透系数是改良盐渍土的 410 倍，200 kPa 渗透压差下，天然盐渍土的渗透系数是改良盐渍土的 3.411.1 倍，300 kPa 渗透压差下，天然盐渍土的渗透系数是改良盐渍土的 4.313.6 倍，可见，在掺入适量的CMK 后，盐渍土的抗渗性相比天然状况提升一个数量级以上，这主要是因为 CMK 粒径较小，与更细小的矿粉对土壤颗粒之间的孔隙起到很好的填充作用，同时生成更多的针状交织的C-S-H 凝胶物形成网状结构可以固定盐渍土的骨架，稳定性更好，使之能够承受更大的渗透压差。100 kPa200 kPa300 kPa015050100200135642渗透系数/（107 cms1）试验组编号图4不同渗透压差下盐渍土渗透系数 4.4 电阻率不同龄期下盐渍土电阻率，见图 5。电阻率的大小可反映盐渍土的内部结构组成和孔隙水含量情况，改良盐渍土的电阻率相比天然盐渍土均有不同程度的提高，表明掺入改良剂之后可以改善盐渍土的内部结构，使其导电能力降低，这主要是因为掺入改良剂后会产生大量的 Ca(OH)2吸附在土颗粒周围，减小土颗粒之间的接触面积，因而导电性能降低；但是，随着 CMK 掺量的增大，盐渍土的电阻率逐渐减小，这主要是因为掺入 CMK 后，虽然改变了内部结构，但水化反应生成的凝胶化合物中离子和结晶水含量（最佳含水率逐渐增大）的提升导致导电性能增强，故而电阻率减小，也再次说明CMK 对于盐渍土结构有改善作用，但掺量不宜过大，否则会降低力学性能。7 d28 d90 d020406080100120140160135642电阻率/（m）试验组编号图5不同龄期下盐渍土电阻率 5 结语通过掺入水泥、S95 级矿粉和煤系偏高岭土（CMK），对取自包银铁路的盐渍土进行改良。（1）利用水泥+S95 级矿粉+CMK 的复掺方式对盐渍土进行改良，可促进二次水化反应，提升固结物含量，同时填充效果显著，可明显改善土体结构，增强盐渍土的结构稳定性和密实度，提升无侧限抗压强度和抗渗性。（2）随着 CMK 掺量的增加，改良盐渍土的无侧限抗压强度、固结物含量、抗渗性呈先增加后减小的变化特征，当 CMK 掺量为 2%、S95 级矿粉掺量为 6%（4 号试验组）时，改良盐渍土的固结物含量最高，无侧限抗压强度相比天然盐渍土可提高数倍、抗渗性相比天然盐渍土提升一个数量级以上。（3）改良盐渍土的电阻率相比天然盐渍土有所增大，随着 CMK 掺量增加，改良盐渍土的电阻率逐渐减小，当仅掺入水泥+S95 级矿粉时，电阻率最大。（4）盐渍土水泥S95 级矿粉CMK=90262 为最佳的改良处治方案。西北地区属于季节性冻土地区，对于改良盐渍土，还需要进一步研究其抗冻性。参考文献(References)：1 杨金龙,刘浩,邓彩军,等.滨海区盐渍土击实试验及溶陷特性改良研究 J.路基工程,2022（3）:52 56.DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202112094.YANG J L,LIU H,DENG C J,et al.Study on compaction test andcollapsibility improvement of saline soil 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impermeability,and the content andstrength of the consolidates increase first and then decrease with the increase of the content of CMK.Thepermeability coefficient decreases first and then increases with the increase of CMK content,With the increase ofCMK content,the optimal water content gradually increases,the pore water content in the soil increases,and theconductivity of the soil increases.The resistivity decreases with the increase of CMK content.Salinesoilcementgrade S95 mineral powderCMK=90262 is the best treatment plan for subgradeimprovement,the content of consolidated matter is the highest,the strength can be increased several times,theimpermeability increases by more than one order of magnitude,and the resistivity is 2.8 3.3 times higher.Key words:subgrade filler；cement +S95 grade mineral powder +coal-measure kaolin；improved salinesoil；consolidated content；permeability coefficient；resistivity路基工程 36 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）