水泥改良黄土力学特性试验研究

２０１１年９月　第３３卷第５期　地下水　Ｇｒｏｕｎｄ　ｗａｔｅｒ　Ｓｅｐ．，２０１１　ＶｏＬ　３３　Ｎ０．５　

水泥改良黄土力学特性试验研究　

刘潇敏，何小亮　（西北大学地质学系／大陆动力学国家重点试验室，陕西西安７１００６９）　

［摘　要］　利用多种室内试验手段对重塑黄土和不同配合比（４％、５％、６％、７％）水泥改良黄土的物理力学性　

质进行了研究，试验结果表明：未经改良的黄土的力学性质不能满足高速铁路路基的设计要求，不能直接作为路基　填料使用；水泥改良黄土的工程性质较重塑黄土有大幅度的提高；配合比达到５％及以上的水泥改良黄土的力学控　

制指标均能达到高速铁路对路基填料的要求；建议改良黄土路基填料的水泥配合比为５％～６％。　［关键词］　高速铁路；水泥改良黄土填料；强度特性　

［中图分类号］Ｐ６４２．１３　１　［文献标识码］　Ａ　［文章编号］　１００４—１　１８４（２０１１）０５—０１４７一Ｏ３　

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｃｅｍｅｎｔ　Ｌｏｅｓｓ　

ＬＩＵ　Ｘｉａｏ—ｍｉｎ．ＨＥ　Ｘｉａｏ—ｌｉａｎｇ　

（Ｎｏａｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｅｏｌｏｇｙ　Ｄｅｐ．，Ｍａｉｎｌａｎｄ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｏｆ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｋｅｙ　Ｌａｂ．，Ｘｉ＇ａｎ　７１００６９，Ｓｈａａｎｘｉ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｍｏｌｄｅｄ　ｌｏｅｓｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｅｍｅｎｔ　ｍａｘｔｕｒｅ　ｒａｔｉｏ（４％，　

５％，６％，７％）ｌｏｅｓｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｏｎ　ｌｏｅｓｓ，ａｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｒｄｉｎａｒｙ　ｆｉｌｌｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｃｏｕｌｄ　ｎｏｔ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｓｕｂ—ｇｒａｄｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃ－　ｔｉｏｎ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｐｏｏｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｃｏｍｐ￣ｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｍｏｌｄｅｄ　ｌｏｅｓｓ，ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｅｍｅｎｔ　ｌｏｅｓｓ　ｈａｓ　

ｂｅｅｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｇｒｅａｄｙ，ａｎｄ　ａｌｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎｄｉｃｅｓ　ｏｆ　ｃｅｍｅｎｔ　ｌｏｅｓｓ　ｃｏｕｌｄ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｒａｉｌｗａｙ　ｓｕｂ—　ｇｒａｄｅ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｃｅｍｅｎｔ　ｍａｘｔｕｒｅ　ｒａｔｉｏ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　５％．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ．ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｕｍ　ｃｅｍｅｎｔ　ｍａｘｔｕｒｅ　ｒａｔｉｏ　ｉｓ　５％～６％．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ；Ｆｉｌｌｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｏｆ　ｃｅｍｅｎｔ　ｌｏｅｓｓ　ａｎｄ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　

一个多世纪以来，铁路作为一种重要的运输方式得到了　长足发展，尤其是铁路高速客运列车的出现，使铁路成为航　空和公路等交通运输手段强有力的竞争者。随着我国西部　

大开发战略的深入推进和中长期铁路规划网的逐步实施，我　国在黄土地区相继开展了高速铁路、重载铁路、客运专线以　及其它铁路工程的建设项目。高速铁路对轨道平顺性的要　求非常严格，控制路基工后沉降、不均匀沉降已成为路基工　程的核心内容。《高速铁路设计规范》（ＴＢ　１０６２１—２００９）…　

规定，从路基竣工验收算起，无砟轨道路基的工后总沉降不　宜超过１５　ｍｍ，同时要求严格控制差异沉降。而由于黄土属　

于Ｃ组填料，并属于特殊性岩土，不符合高速铁路路基填料　的设计要求。在缺乏优质填料的情况下，为使路基工程达到　质量要求，保证后续运营的安全稳定，如何选择合适的路基　填料显得尤为重要。为此，本文开展了不同配合比水泥改良　

黄土的物理力学试验，研究水泥改良黄土的工程性质，验证　其是否满足高速铁路路基填料的要求。　

１　试验内容　

１．１试验材料　试验土样取自某客运专线沿线取土场，取样土层为黄土　状粉土层（Ｑ　）：褐黄色，稍湿，稍密，土体大孔发育，少量针　孔，土质较均匀，摇震反应一般，无光泽，韧性低，含植物根系　及零星蜗牛壳碎片。基本物性指标见表１。试验所用水泥是　

秦岭水泥场生产的硅酸盐水泥，水泥标号Ｐ．０３２．５。　

表１　试验黄土的基本物性指标　１．２试验方法　此次黄土的改良主要采用化学方法，即向重塑黄土中分　别掺入４％、５％、６％、７％配合比的水泥来改变黄土的工程性　质，通过多项室内物理力学试验，判断改良后黄土作为高速　铁路路基填料使用的适用性，并从中选出室内最佳水泥改良　

配合比。试验严格按照《铁路工程土工试验规程》（ＴＢ　１０１０２　

—２００４）　、《公路工程无机结合料稳定土试验规程》　（ＪＴＪ０５７—９４）‘进行。　１．２．１　液塑限试验　采用液塑限联合测定仪对掺入水泥的扰动黄土分别进　行液塑限试验，通过试验测定不同水泥配合比改良黄土的液　限、塑限、塑性指数的变化情况，判定改良黄土与水的结合程　度及其在不同含水率条件下的稳定性，从而间接的判定改良　黄土的工程性质。　１．２．２击实试验　土体的密实度和含水率是影响路基填料压实效果的两　个重要因素，同时也是控制路基填筑质量的重要条件。高速　铁路对路基填筑质量要求非常严格，只有当土体处于最大干　密度及最优含水率时，才能达到最好的压实效果。因此，本　次击实试验的目的是求得黄土的最大干密度及最优含水率，　

作为后续黄土填料研究工作的依据。根据实测塑限含水率，　

［收稿日期］２０１１—０５—１０　［作者简介］　刘潇敏（１９８６一），女，陕西延安人，在读硕士研究生，主攻方向：第四纪地质研究。　

１４７　３３卷　第５　地下水　２０１　１年９月　

将风干后过０．５　ｉＴｌｍ筛的土样，配制成７％、９％、１１％、１３％、　

１５％、１７％、１９％七种含水率的重塑样品，每份样品重量约为　６．５ｋｇ。按照《铁路工程土工试验规程》（ＴＢ　１０１０２—　２００４）　的要求，选定用重１型击实试验。将制备好的试样　分５层击实后，称重并测定含水率，绘制干密度含水率曲线，　

确定最优含水率（∞。　）和最大干密度（ｐ　）。　

１．２．３　固结压缩试验　取一定量的扰动黄土，风干过０．５　ｍｍ的筛，配制成４％、　

５％、６％、７％的４种水泥配合比的试样，试样含水率为各水　泥配合比黄土的最优含水率，压实系数Ｋ＝０．９５，试样尺寸　

为ｑｏ７９．８　ｍｍ×ｈ２０　ｍｍ，标准养护７ｄ后进行试验。试验采　用１２ｈ快速固结法在标准固结仪中进行，加荷等级分别为　１００、２００、３００、４００　ｋＰａ。　１．２．４无侧限抗压强度试验　无侧限抗压强度是评价土体抵抗竖向压力极限强度的　重要力学指标，是路基填料的控制指标之一。取一定量的扰　动黄土，风干过０．５　ｍｍ的筛，配制成４％、５％、６％、７％的　

４种水泥配合比的试样，试样含水率为各水泥配合比黄土的　最优含水率，且要求压实系数Ｋ＝０．９５。试样尺寸为　

‘ｐ５０　ｍｍ　Ｘ　ｈｌ００　ｍｍ，试样配制完成后，放入标准养护箱养护　７　ｄ后在应变控制式无侧限压缩仪上进行试验。　

２试验结果及分析　

２．１　液塑限　水泥改良黄土的液塑限试验结果见表２，液塑限、塑性指　数与水泥配合比的关系见图１一图３。　表２水泥改良黄土的液塑限试验结果　

ｌ４８　２８　

２７　

星２６　

２　５　

２４　

水泥配合比／％　图１　液限与水泥配合比关系　

０　ｌ　２　３　４　５　６　７　８　水泥配合比／％　图２　塑限与水泥配合比关系　ｌ０　

磊。　船　ａ　

０　ｉ　Ｚ　３　４　５　６　７　８　水泥配合比／％　图３　塑性指数与水泥配合比关系　从图１一图３可以看出，随着水泥配合比的增加，改良黄　

土液塑限值均呈增大趋势；配合比从０％（重塑黄土）增加到　

４％，液塑限值增长幅度较小；配合比从４％增加到７％，液塑　

限值增长幅度较大，尤其当配合比超过５％以后，液塑限值的　

增长速率明显加快。以液限值随水泥配合比的变化为例，配　

合比从０％增加到４％，液限值仅增加了１．６％，配合比从４％　

增加到５％，液限值增加了２．８％。塑性指数ＩＰ随着水泥配　

合比增加的变化与液塑限呈减小的趋势，水泥的掺入改善了　

黄土原来的粉质特性，提高了黄土的抗水性。　

２．２击实特性　表３为根据不同配合比水泥改良黄土实测击实曲线得出　

的最大干密度及最优含水率。图４和图５为最优含水率和最　

大干密度随水泥配合比变化的关系曲线。　表３　水泥改良黄土的液塑限试验结果　

水泥配合比／％　

水泥配合比／％　图５最大干密度与水泥配合比关系　由图４可知，改良黄土的最优含水率随水泥配合比的增　

加整体上呈增大趋势。水泥含量从０％增加到４％，最优含　

水率的增长并不明显；当水泥配比超过４％以后，改良黄土的　

最优含水率呈明显增加趋势。原因可能是加入水泥量较少　３３卷　第５　地下水　２０ｌ１年９　

时，水泥与土反应不够充分，对最优含水率的影响不够明显；　

当水泥掺人量超过一定比例后，水泥与黄土发生较为充分的　

反应，最优含水率明显增长。　由图５可知，最大干密度随水泥配合比增加呈缓慢增长　

趋势，整体上变化幅度不大。这是由于素土中掺入水泥后，　

部分水泥颗粒分散于黏土团聚体表面，引起水泥土最大干密　

度的增大，但由于其所占比例较小，所以最大干密度的增长　

较为缓慢　Ｊ。　

２．３压缩特性　不同配合比水泥改良黄土的压缩试验结果见表４。图６　

和图７为水泥改良黄土压缩系数及压缩模量与水泥配合比　

的关系曲线。　

表４　水泥改良黄土的压缩试验结果　

水泥配合比／％　

０　１　２　３　４　５　６　７　８　水泥配合比／％　图７压缩模量与水泥配合比关系　由表４可知，改良后黄土的压缩系数较改良前有很大程　

度的减小，均小于０．１ＭＰａ，属低压缩性土。这说明掺入水泥　

后，黄土抵抗压缩的性能大大提高，有效的减小了水泥改良　

填料路基的沉降变形。其原因是由于水泥吸附包裹土颗粒　

形成网络格架状水泥土，通过夯实后，水泥土颗粒间的孔隙　

明显减小，密实度增大　。从图７中可以看出，随着水泥配　

合比的增大，水泥改良黄土的压缩系数逐渐减小，而压缩模　

量逐渐增大。　

２．４无侧限抗压强度　

表５为不同水泥配合比改良黄土的７ｄ饱和无侧限抗压　

强度，图８为水泥改良黄土无侧限抗压强度与水泥配合比的　

关系曲线。　表５　水泥改良黄土的无侧限抗压强度　

水泥配合比／％　无侧限抗压强度／ＭＰａ　

重塑黄土　

４％　

５％　

６％　

７％　Ｏ．３Ｏ　

１．４８　

１．９９　

２．８９　

３．３５　

Ｕ　１　２　４　ｂ　ｂ　，　水泥配合比／％　图８　无侧限抗压强度与水泥配合比关系　由表５可以看出，重塑黄土的７ｄ饱和无侧限抗压强度值　

小于０．３５ＭＰａ，不符合《高速铁路设计规范》（ＴＢ　１０６２１—　２００９）…要求；不同水泥配合比改良黄土的７ｄ饱和无侧限抗　

压强度值均大于０．３５　ＭＰａ，满足高速铁路路基填料的设计要　求。从图８可以看出，随着水泥配合比的增加，改良黄土的　

无侧限抗压强度逐渐增大。　

３　结论　

（１）未经改良的重塑黄土其力学性质不能满足高速铁路