维普资讯 http://www.cqvip.com 第３１卷第４期 ２００７年８月 北京交通大学学报 Ｖｌ０１．３１ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２００７ Ｊ０ＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＢＥＵＩＮＧ ＩＩＡ０Ｔ０ＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ 文章编号：１６７３—０２９１（２００７｝０４—００６５—０３ 高速铁路路基改良填料的试验研究 丁铭绩 ，王连俊 ，冯 震２ （１．北京交通大学土木建筑工程学院，北京１０００４４；２．防灾科技学院，燕郊１０１６０１） 摘要：基于高速铁路对路基变形的严格要求，路基填料的改良已成为高速铁路必须解决的问题， 同时随着城市工业化的大力发展，每年产生大量的ＭＳＷ（Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｓｏｌｉｄ Ｗａｓｔｅ）Ａｓｈ，如何有效利 用这些废料改良路基填料而不用额外增加处理的负担，同时改善Ａ、Ｂ组填料不足的状况是亟需解 决的问题．本文通过土工试验和理论分析，研究了ＭＳＷ Ａｓｈ改良土的工程特性，结果表明添加 ＭＳＷＡｓｈ可以提高土的强度，减小土的塑性变形和含水量，提高土的工程性能，使路基填土压实变 的更为容易． 关键词：粉煤灰；土一灰反应；阿太堡界限；击实试验；强度试验 中图分类号：Ｕ２１４．０２ 文献标志码：Ａ Ｔｅｓｔ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｓｏｉｌｓ ａｓ Ｆｉｌｌｓ ｏｆ Ｓｕｂｇｒａｄｅ ｏｆ Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ Ｒａｉｌｗａｙ ＤＩＮＧ Ｍｉｎｇ－ｊｉ ，ＷＡＮＧ Ｌｉａｎ－ｊｕｎ ，ＦＥＮＧ Ｚｈｅｎ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｉｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｄｉｓａｓｔｅｒ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｃｉＳｅｎｃｅ ｎｄ ａＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｙａｎｊｉａｏ １０１６０１，Ｃｈｉａ）ｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｉｃｔ ｄｅｍａｎｄｓ ｆｏｒ ｒｏａｄｂｅｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｒａｉｌｗａｙ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｒｏａｄｂｅｄ ｆｉｌｌｉｎｇ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ａ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｏ ｂｅ ｒｅｓｏｌｖｅｄ．Ａｎｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆａｓｔ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ， ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ＭＳＷ ａｓｈ ｉｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ．Ｈｏｗ ｔｏ ｕｔｉｌｉｚｅ ｉｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｌａｎｄｆｉｌｌ ａｎｄ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｕｒ— ｇｅｎｔ ｎｅｅｄ ｏｆ ｇｒｏｕｐ Ａ ｎｄ ａＢ ｌａｎｄｆｉｌｌｓ，ｉｓ ａ ｐｒｏｂｌｅｍ ｎｅｅｄｅｄ ｔｏ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ ｕｒｇｅｎｔｌｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｌａｒｇｅ ｎｕｌｎ— ｂｅｒ ｏｆ ｏｉｓｌ ｔｅｓｔｓ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ．ａ ｓｔｕｄｙ ｗａｓ ｍａｄｅ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｏｆ ＭＳＷ ａｓｈ．ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｒｅａｔ ｓｏｍｅ ｌｏｃａｌ ｏｉｓｌｓ ｗｉｔｈ ｐｏｏｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｓ．Ｔｈｅ ｅｍａｉｎ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ＭＳＷ ａｓｈ ａｓ ａｄｄｉｔｉｖｅｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ，ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗｏｒｋａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ ｗｅｔ ｓｏｉｌｓ，ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｒｙ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ａｃｑｕｉｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｏｎｔｃｅｎｔ．Ｉｎ ａ ｗｏｒｄ，ｔｈｅ ＭＳＷ ａｓｈ ｆａｃｉｌｉｔａｔｓ ｅｔｈｅ ｏｍｐａｃｔｃｉｏｎ ｗｏｒｋ ｔｏ ｓｏｍｅ ｅｘｔｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｌｙ ａｓｈ；ｓｏｉｌ—ａｓｈ ｒａｃｔｅｉｏｎ；ａｔｔｅｒｂｅｒｇ ｌｉｍｉｔｓ；ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ ｔｅｓｔ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｔｓｔｅ 我国铁路路基填料分为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 进行改良后填筑．随着高速铁路的大力兴建，合格的 Ａ组和Ｂ组填料越来越少，而Ｃ组填料又大多不能 满足高速铁路对路基的严格要求，为了合理解决这 一类为不应使用的填料，Ｅ类为严禁使用的填料Ｈ－２ｊ． 高速铁路对路基的最终沉降和沉降速率有严格 的要求，规范规定，高速铁路路基的填料应优先选用 Ａ组和Ｂ组，当选用Ｃ组填料时，应根据填料性质 矛盾，唯一途径是对Ｃ类填料进行物理改良和化 学改良，使其达到施工所要求的质量标准．已有的关 于路基填料改良的研究大多集中在公路路基和铁路 收稿日期：２００７—０１—０４ 作者简介：丁铭绩（１９７１一），男，山西河津人，博士生．ｅｍａｉｌ：ｄｉｎｇｍｉｎｇｉｉ＠１６３．ｃｏｉｎ 王连俊（１９６２一），男，山东广饶人，教授，博士生导师． 维普资讯 http://www.cqvip.com 北京交通大学学报 第３１卷 黄土改良方面，而对含水量较大的软粘土改良研究 相对较少．因此，本文作者对高速铁路路基软粘土填 料的改良进行了试验研究＿３ Ｊ． 随着工业的快速发展，城市化和工业化带来了 大量的废弃物．粉煤灰是燃煤发电的火力发电厂排 出的一种工业废渣，具有强度高、自重轻、压缩性小、 透水性好的工程特性，如何有效利用这些废弃物的 工程特性而不增加垃圾填埋场的负担，是迫切需要 解决的问题．一个理想的办法是利用粉煤灰来改善 路基填料的工程性能，增强路基填料的强度和稳定 性，使不良土质改变为级配良好的土质． １试验材料和方法 １．１试验材料 （１）土．试验用土属于软粘土，具有天然含水量 高，孔隙比大、压缩性高、灵敏度高、强度低等工程特 性．其相对体积质量为２．７４，液限为６０．２％，塑限为 ２８．２％，塑性指数为３２，土中水的质量分数为３０％． （２）粉煤灰．所研究的粉煤灰主要来自于燃煤电 厂的工业废渣，呈灰色细粉状，遇水时呈黑灰色．颗 粒结构为比表面积大的多孔结构，对水的吸附能力 很大．其相对体积质量为２．７４，不均匀系数为１４．４， 曲率系数为１．４５，限定粒径为０．０２０ ｒｎＤｑ，击实试验 所得的最大干密度为１．１３３ ｇ／ｍ３，最优含水量为 ３３．３％．粉煤灰的成分中有ＳｉＯ２、Ａｌ２０３、Ｆｅ２０３、 ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳＯ３等．由于粉煤灰中的火山岩成分的 特性，它是一种很好的土的改性的附加剂．电镜观测 表明，粉煤灰中含有相当大比例的石灰（ＣａＯ，质量 分数约为４０％），这对土的性能的改善非常有益． （３）石灰．石灰经消解后其有效ＣａＯ和ＭｇＯ的 总质量分数为５４％，超过５Ｏ％，属于Ⅲ灰． １．２试验方法 改良方案为在土中分别掺人质量分数为１５％ 和２５％的粉煤灰，及同时掺人１５％的粉煤灰和３％ 的石灰，分３种情况进行比较，养护龄期分别为１ ｄ、 ７ ｄ和２８ ｄ． ２ 粉煤灰改良土作用机理：土一灰反应 ２．１短期反应：水合作用和絮凝作用 当粉煤灰和石灰同土中的水相遇以后便产生瞬 态反应，使土壤变干，含水量降低，这种干化作用对 土的压实，尤其是含水量较大的土的压实有很好的 效果．其化学反应有： ＣａＯ＋Ｈ２０－－￣ＣａＯ（ＯＨ）２＋Ｑ， Ｘ Ｃａ（０Ｈ）２＋Ｘ ｓｉｃｈ＋ Ｈｉ０＋Ｘ Ｃａ￣ｉＱＨ２０， ＸＣａ（ＯＨ）２＋ＸＡ ＋ｎＨ２０＋ＸＣａＯＡｂ２０３Ｈ２０． 其中，Ｑ为热量；Ｘ， 为系数． 干化作用发生的同时会产生絮凝作用，主要是 由离子交换反应所引起的．土带负电荷，Ｎａ 、Ｈ 被 吸附于土粒表面，但Ｃａ＋＋、Ｍｇ＋＋的凝聚力较大，在 双电层上发生离子交换，由此而引起土壤中离子浓 度发生变化，带来了土壤颗粒的双电层发生变化，土 壤颗粒在引力作用下靠近，土壤因絮凝结团而明显 “粗化”，充当了“骨料颗粒”的角色［ ． ２．２长期反应：硅酸化反应 、 硅酸化反应是改良土的强度形成的基础．由于 粉煤灰中存在大量的玻璃体，他们具有活性，故一旦 加水拌和，这个反应就开始了．其反应过程为：在碱 性环境中粉煤灰玻璃体中的可溶性ｓｉｏ２、Ａ ０３开 始溶解而逐渐成为饱和的ＳｉＯ２、 ０３溶液，他们 与ＣＡ（ＯＨ）２饱和溶液相遇，在玻璃体微珠面上缓 慢地形成硅酸盐、铝酸盐结晶．这种结晶首先发生在 水化玻璃体的表面，然后逐渐深入到硅胶和水化硅 酸钙的中心．结晶粒ＣＡ（ＯＨ）２、ＣＡＣＯ３成为硅、铝 酸盐的晶核．根据晶体化学，这些微晶问因较强的化 学键结合，故是不可逆的．正是这些结晶体构成土中 的骨架． ３试验结果 ３．１阿太堡界限 原状土的液限、塑限和塑性指数以及当加入粉 煤灰和石灰后的数值如表１所示．当加入粉煤灰和 石灰后，颗粒级配和阿太堡界限都发生了变化，这也 导致土的类型发生了改变． 表１改性后土的阿太堡界限变化 Ｔａｂ．１ Ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ａｔｔｅｒｂｅｒｇ ｌｉｍｉｔｓ ｆｏｒ ｓｏｉｌｓ、ｊｌｒｉｔｈ ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ ３ 然含水量使得土不容易被压实，也 就是说击实工效率低下．试验表明当加入粉煤灰和 石灰，最优含水量从２Ｏ％增加到２８％时，土的最大 干密度由１７．９ ｋＮ／ｍ３下降到１５．０ ｋＮ／ｍ３，这主要 是由于粉煤灰的比重小于土粒比重所致，反映出粉 煤灰颗粒相对于黏性土颗粒亲水性较差．当加人石 灰时候最大干密度和最优含水量变化不大，主要原 因是由于试验用土的ｐＨ值较低（４．６），直接导致土 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 丁铭绩等：高速铁路路基改良填料的试验研究 ６７ 的阳离子交换作用减弱．结果如表２和图１所示． 表２加入粉煤灰后土的击实特性变化 ６．２ Ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｆｏｒ ｓｏｉｌｓｗｉｔｈ ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ １８ 一嘉 ｓ Ｈ－ ｌ６ ｌ８ ２０ ２２ ２４ ２６ ２８ ３Ｕ ３２ ３４ ３６ 水的质量分数／％ 图１含水量与干密度的关系曲线 Ｆｉｇ．１ Ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｓｏｉｌｗｉｔｈ ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ ３．３强度试验 对道路工程和基础工程而言，土体的设计强度 非常关键，因为土体设计强度值将直接关系到地基 处理方式的选择和地基处理深度．土中加入粉煤灰 而提高原状土的强度主要是因为粉煤灰中诸如钙硅 或钙铝等氧化物与水反应，生成了一种胶接物，而正 是这种胶接物使土一灰混合物的强度得到了增强． 表３为加入粉煤灰和石灰后土的无侧限压缩强 度变化，图２为改良土无侧限抗压强度随龄期的变 化．可以看出，加入粉煤灰后，改良土的１ ｄ强度从 原状土的４４４ ｋＰａ增加到５２３ ｋＰａ（］］Ｈ １５％粉煤灰） 和９６２ ｋＰａ（￣Ｈ ２５％粉煤灰）；在同一掺合比下，随着 龄期的增大，无侧限抗压强度逐渐增大． 表３加入粉煤灰和石灰后土的 无侧限压缩强度变化特性 Ｔａｂ．３ Ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ＵＣＳ（ｔｈｅ Ｕｎｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ）ｆｏｒ ｓｏｉｌｓ ｉｗｔｈ ｎｙ ａｓｈ ａｄｍｉｘｔｕｒｅ 直剪试验也进一步表明，当加入粉煤灰后，原土 的状态得到改善，具体结果如表４所示．可以看出， 改良土的内摩擦角较原状土有所降低，粘聚力在７ ｄ 时有所降低，但是到２８ ｄ时又得到恢复．主要原因 是原土的低ｐＨ值，粉煤灰与原土反应速度较慢所 致，同时说明侧限对土的强度有所影响，在设计时应 予以重视．当原土加入二灰（石灰和粉煤灰）时，对强 酸陛土也是一种很好的改良添加剂． ∞２．５ 氲叟２．０ １．５ 黑１．０ 墨０．。５ 图２改良土无侧限抗压强度随龄期变化曲线 Ｈｇ．２ Ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ＵＣＳ ｉｗｔｈ ｔｉｍｅ ｆｏｒ ｓｏｉｌｓ ｉｗｔｈｆｌｙａｓｈ ａｄｍｉｘｔｕｒｅ 表４改良土的强度试验变化特性 Ｔａｂ．４ Ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｄｉｒｅｃｔ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｆｏｒｓｏｉｌｗｉｔｈ ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ ４结论 土中加入粉煤灰和石灰后，可以有效改善土的 性能，提高土的强度．土一灰之间的工程性能通过土 的干化得到了改善，提高了塑性指数及其残余强度． 因此，运用粉煤灰和石灰来改良高速铁路路基填料 具有较好的社会效益、经济效益和环境效益． 参考文献： ［１］赵少强，别大华，邓剑辰．粉煤灰改良黄土填料的试验研 究［Ｊ］．铁道建筑技术，２００６（３）：４７—５０． Ｚｈａｏ Ｓｈａｏ－ｑｉａｎｇ，Ｂ／ｅ ｄａ—ｈｕａ，Ｄｅｎｇ Ｊｉａｎ—ｃｈｅｎ．Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｆｌｙａｓｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｌｏｅｓｓ Ｆｉｌｌｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］．Ｒａｉｌｗａｙ Ｃｏｎ— ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６（３）：４７—５０．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［２］丁庭，周锡九，史培新．高速铁路路堤改良填料现场试验 研究［Ｊ］．北方交通大学学报，２０００，２４（１）：５９—６３． Ｄｉｎｇ Ｔｉｎｇ，Ｚｈｏｕ Ｘｉ—ｊｉｕ，Ｓｈｉ Ｐｅｉ—ｘｉｎ．Ｆｉｅｌｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｆｏ ＦｉｌｌｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌ ＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｆｏｒＨｉｇｈ．．ＳｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙＥｍ－． ｂａｎｋｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｆｏ Ｎｏｒｔｈｅｒｎ ｆｏ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ２Ｏ００，２４（１）：５９—６３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［３］杨广庆，管振祥．高速铁路路基改良填料的试验研究 ［Ｊ］．岩土工程学报，２００１，２３（６）：６８２—６８５． Ｙａｎｇ Ｇｕａｎｇ－ｑｉｎｇ，Ｇｕａｎ Ｚｈｅｎ—ｘｉａｎｇ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ Ｏｉｌ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｓｏｉｌ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ—Ｓｐｅｅｄ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｕｂｇｒａｄｅ［Ｊ］． ｈＣｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｆｏ Ｇｅｏｔｃｅｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００１，２３（６）： ６８２—６８５．（ｉｎ ｈＣｉｎｅｓｅ） ［４］Ｎｉｃｈｏｌｏｓｎ Ｐ Ｇ，Ｋａｓｈｙａｐ Ｖ．Ｈｙａｓｈ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｆｏ ｔｒｏｐｉｃａｌ Ｈａｗａｉｉａｎ ｏｓｉｌｓ［Ｃ］／／Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，Ｄ．Ｃ．：Ｇｅｏｔｃｅｈｎｉｃａｌ Ｓｐｅ— ｃｉａｌ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ．１９９３，３６：１５—２９．