强风化泥质水泥改良土的研究现状及研究

硕士学位论文摘要摘要正在建设的武广客运专线途径大量的全风化及强风化泥质板岩、千枚状板岩等软岩地段。如果这些软岩用于路基基床以下部分填筑则可节省工程投资超亿元 同时减少了弃方 保护了环境 经济及社会效益十分可观。本文基于国内外软岩弃碴作为路基填料问题的研究现状 结合铁道部科技攻关课题 通过理论分析和室内外试验研究 本文取得了以下几方面的研究成果 室内外试验研究表明 弱风化泥质板岩在压实过程中容易破碎成细颗粒 不宜直接填筑 加入中粗沙进行物理改良 但是填筑后的强度和渗透性试验结果表明这种物理改良效果不明显。 室内外试验表明 开采后的全 强风化的泥质板岩性质不稳定 其最大干密度与软岩级配、风化程度等因素密切相关 并随着填料储存时间的延长而发生变化。最大干密度的不确定性使得填筑后的压实度难以确定 本文建议以其他指标去评价压实效果。 强风化泥质板岩分别掺加石灰与水泥的改良试验结果表明水泥改良土的无侧限抗压强度明显优于石灰改良土。在此基础上 本文对两者改良机理进行进一步探讨。 室内试验表明 适当放宽最大粒径的控制 有利于改善填料的级配 使其容易压实 同时降低了填料的空隙率。现场试验也证实 粗颗粒含量的增多 对软岩改良土的强度、水稳性影响并不大 能够满足高速铁路的技术要求。

现场试验结果表明 现有规范中改良土化学分析的方法不适宜于软岩改良土的检验。本文基于室内外试验研究 提出了改进的化学分析方法并应用于现场检验。关键词高速铁路 改良土无侧限抗压强度 化学分析硕士学位论文 原创性声明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在论文中作了明确的说明公路勘察岩石定义中风化还是中等风化。作者签名 关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定 学校有权保留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 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名 陋导师 高速铁路发展情况及对路基的要求高速铁路的定义 高速铁路是一个具有国际性和时代性的概念。 联合国欧洲经济委员会将高速铁路的列车最高运行速度规定为客运专线客货混线 年欧盟在号指令中对高速铁路的最新定义是 在新建高速专用线上运行时速至少达到 的铁路可称作高速铁路。 #

铁盟认为 各国可以根据自身情况确定本国高速铁路的概念 在既有线上提速改造 时速达到 以上 也可称为高速铁路。高速铁路是一个集各项最先进的铁路技术、先进的运营管理方式、市场营销和资金筹措在内的十分复杂的系统工程 具有高效率的运营体系 它包含了基础设施建设、机车车辆配置、站车运营规则等多方面的技术与管理。广义的高速铁路包含使用磁悬浮技术的高速轨道运输系统。 我国高速铁路发展规划 年我国出现第一条铁路以来中国铁路已经有了 多年的历史。遗憾的是百余年来 我国的铁路事业无论从横向上还是从纵向上来讲 都是远远落后的。同其他国家比较 我国的铁路在运营里程、运输效率、技术水准、装备质量等方面相差极远 令人堪忧。主要铁路干线运输能力紧张 不仅对沿线经济发展形成制约 而且对全国的经济发展也产生了不利影响。铁路运输生产力与全社会日益增长的运输需求不相适应的矛盾 已经非常突出 到了非解决不可的时候。为此铁道部党组提出实现铁路跨越式发展 改变被动局面 发挥铁路在国民经济和社会发展中应有作用。 铁路网要扩大规模 完善结构 提高质量 快速扩充运输能力 迅速提高装备水平。为适应全面建设小康社会的目标要求 年元月 全国铁路营业里程达到万公里 主要繁忙干线实现客货分线 复线率和电化率均达到 运输能力满足国民经济和社会发展需要 主要技术装备达到或接近国际先进水平。 #

为满足快速增长的旅客运输需求 将建设客运专线 万公里 其中包括 万公里的“四纵四横’’铁路快速客运通道以及环渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区总长 公里的三个城际快速客运系统。客车速度目标值达到每小时 公里及以上。通过建设客运专线和推进既有线提速 建成铁路快速客运网 实现 公里左右范围内夕发朝至 公里左右范围内一日到达。硕士学位论文第一章绪论 高速铁路路基的特点高速、舒适、安全运送旅客是铁路客运专线的主要特点。要达到这一目标 对线路来说必须确保轨道结构几何尺寸的高度平顺和稳定 而这依赖于给轨道结构提供一个强度高、刚度大且纵向变化均匀、长久稳定的路基【 】。由于无碴轨道具有轨道稳定性高、刚度均匀性好、结构耐久性强、维修工作量少等特点采用无碴轨道结构形式己成为高速铁路建设的发展方向。高速铁路对路基的高标准主要表现在以下几个方面 强度高、刚度大 路基变形小普通铁路路基是以强度控制设计 而对于高速铁路 变形控制是路基工程设计的主要控制因素。因为在强度破坏前 可能已出现了不容许的过大变形。我国 级干线 《铁路路基设计规范》 规定路基工后沉降一般不大于 过渡段不大于 。对于有碴轨道高速铁路 《京沪高速铁路设计暂行规定》规定路基工沉降不大于 过渡段不大于 。

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无碴轨道路基 根据不同类型的轨道特点 有的国家在实际工程中追求零沉降 尤其在过渡段等变形敏感部位 有的按 控制 并特别重视不均匀沉降的控制 我国《客运专线无碴轨道铁路设计指南》在科研并总结国外经验的基础上 提出了一般地段路基工后沉降不大于 这是从路基竣工验收起至 年内的沉降总和 且要求年沉降值不大于 同时严格控制不均匀沉降其目的是为了确保轨道的几何平顺 其目的是保证列车运行的平稳与及旅客乘坐的舒适。 路基刚度纵向平顺变化列车速度越高 要求路基的刚度越大 弹性变形越小。但刚度过大也会使列车振动加大 也不能平稳运行。路基刚度的不平顺则会给轨道造成动态不平顺 所以 要求路基在线路纵向做到刚度均匀、变化缓慢 不允许刚度突变 如设置路桥过渡段、路涵过渡段等 。铁路客运专线对轨道的平顺性提出了更高的要求 而路基是铁路线路工程的一个重要组成部分 是承受轨道结构重量和列车荷载的基础 它也是线路工程中最薄弱最不稳定的环节 路基几何尺寸的不平顺 自然会引起轨道的几何不平顺。因此 铁路客运专线路基除应具备一般铁路路基的基本性能之外 还需要满足高速铁路轨道对基础提出的性能要求。不仅要求静态平顺 而且还要求动态条件下平顺。

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良好的耐久性列车运营时路基不仅承受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 需要抵抗气温变化、雨雪作用、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用下 硕士学位论文第一章绪论其强度不会降低、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 才能高速行车 减少维修费用 并增加运行的安全性。 我国高速铁路对路基填料的要求及其压实标准《铁路路基设计规范》 填料的分类主要依据土的类型和粒径小于的细颗粒含量两个指标来划分的 并考虑与压实要求相关性质和适用条件分成 五个组。‘高速铁路的路基高要求使得高速铁路的路基填料与普通铁路相比也具有更高的要求 路基基床是铁路路基的上部基础 应根据区域环境、气候特点和路堤填料等选择适宜的结构形式 而且要考虑防排水和防冻要求。有碴轨道基床由表层和底层组成 表层厚度为 的沥青混泥土和厚的级配碎石或级配沙砾石组成。其压实标准如下表 有碴轨道路基基床表层压实标准设计时速厚压实标准填料度地基系数动态变形模量 孔隙率 级配碎石 三项指标要求同时检测均妊须满足压实标准 无碴轨道路基基床表层由 左右厚的级配碎石或级配沙砾石和 的混凝土支承板组成。 #

级配碎石或级配沙砾石组成都要满足一定的技术要求和压实标准。表 无碴轨道路基基床底层压实标准厚度压实标准填料地基系数动态变形模量变形摸量孔隙率 级配碎石 中必须有两项指标同时满足压实标准基床底层填筑应采用以中沙以上的砂、砾为主的 组填料。对不符合要求的粗粒土与细沙可采取改良措施粗粒土宜用物理改良方法 以改善其级配。 改良后的粗粒土其级配应接近圆顺 不均匀系数 。细粒土可根据填料性质选择适宜的掺合料进行化学改良 进行不同配合比的室内物理、力学试验 优化配合比 满足最不利气候条件下的动应力要求 提出改良的主要技术参数 如无侧限抗压强度等 。其压实标准应符合相关规定。当采用无碴轨道时 还应该 硕士学位论文第一章绪论增加对变形模量 的控制标准 具体控制指标如表 所示袁 基床底层填料及压实标准轨道‘、类型填料压实标准改良细粒土粗粒土碎石类地基系数 有碴动态变形模量蹦轨道压实系数 无碴变形模量民动态变形模量 轨道压实系数 压实系数为重型基买标准 以下同 改良土压实标准 当采用物理改良时 应符合本表规定 当采用化学改良时 除符合本表规定外 还应满足设计提出的技术要求 基床以下的路堤应优选 组填料和组块石、碎石、砾石类填料 组中粉砂及易风化软质岩填料不应直接作为下部填料 必须改良 并应与远运土进行技术经济比较。 #

粗粒土宜用物理改良 改善其级配。当选择 组细粒土填料时 应根据填料性质进行采用化学改良 通过试验选择适宜的掺合料、优化配合比 并提出改良后的主要技术参数。表 为基床以下路堤填料及压实标准。表 基床以下路堤填料及压实标准线路砂类土及碎石类及等级填料压实标准细粒土细砾土粗砾土‘ 地基系数 轨道组填料不含孔隙率 无碴细粒土、粉地基系数 轨道土或改良土变形模量民 孔隙率 国外路基高速铁路路基填料要求【 】由于国外高速铁路发展早于我国 所以对铁路路基填料的研究较多 但是也经过了一个逐步认识到过程 如日本在修建第一条高速铁路一东海道新干线时 硕士学位论文第一章绪论由于对基床表层的重要性认识不足 未采取有效措施 在开通运营后不久 即出现了严重的基床病害 维修养护工作量极大 线路的正常运营受到了影响公路勘察岩石定义中风化还是中等风化。对此 日本在总结了东海道新干线建设经验与教训的基础上 加强了铁路路基地研究 并提出来强化基床表层的结构。‘日本路强化基床底层要求 组填料禁用 它包括含有机质的砂性土 、有机质粘性土 、有机质火山灰土 、纤维质高有机土 、淤泥 。日本按统一分类法以粒径组成、级配、细粒含量和细粒成分分组 因此 日本的 组为粒径小于、细粒含量 不包括细粒土这表明 总体刚度较大。

路堤下部填料除组土及下述原则上不能使用外 其它均可经过改良后使用 膨润土、高岭土、温泉变质土等膨胀性土、岩 会吸水膨胀风化严重的蛇纹岩、泥岩 含大量有机质的高压缩性土 冻土。德国对基床底层的填料与日本相比要求较高无论是填石还是填土路堤 填料均为细粒含量 的砾、砂或其混合物 细粒的成分是粉土或粘土两种。路基本体的填料要求细粒量 的砂、砾混合土、以及液限奶 的低塑性粉砂、低塑性粘土 以及 的中塑性粉砂。规范修改 『可用的 以上的粘土等不再允许填筑。法国没有设置专门的基床底层在“垫层一下面即为路基 法国的路基土有 种之多 以粒径、塑性、含水量和饱和度等分成四个等级 以此评价路基土的好坏 如不能使用的土 、不良土 、中等土 和优质土 以外其余的土均可作为路基填土或是原状地基土使用。对于路基为 在其表层以内 可进行改良、换填 也可以用与路基本体一样的土 该层土也可视为我国的基床底层 它的土质等级决定了垫层的厚度。法国在划分土质等级时 非常重视土的含水量指标 含水量不只是指施工期的 也包括了使用期的 认为路基应永远处于坚硬干燥状态 这是高速铁路路基安全、稳定和无变形的必要条件。如对于 细粒土当含水量 大于最佳含水量 该土便不能使用。 #

我国施工时所用含水量规定为最佳在法国当含水量超过最佳含水量 是不能用的。又如对细粒含量为 的砾质混合土 当含水量超过最佳含水量 该填料硕士学位论文第一章绪论也不能使用 当含水量小于最佳含水量 则为中等的土。软岩概念、工程特性及其路用特性软岩是地球表面分布最为广泛的一种岩石 泥岩和页岩就占地表所有岩石的 左右。在我国 云贵高原、湘浏低洼盆地、四川盆地、甘肃东北部以及东南沿海和东北地区都有软岩成片或零星分布【 也称松软岩层从上个世纪 年代到 年代初 关于软岩的概念在国内外一直争论不休 在几十年的研究中 各地学者曾给出了各种不同的定义 主要可分为以下三种 描述性定义 年召开的矿山压力名词专题讨论会 初步将软岩定义为“强度低 孔隙大 胶结程度差 受构造切割面及风化影响显著或含有大量膨胀粘土矿物的松、散、软、弱岩层”。范秋雁 在高地应力、地下水和强风化作用下具有显著渗流、膨胀或崩解特性的软弱、破碎、风化和节理化的不稳定围岩。 指标性定义 软岩指标性定义都必须是从强度入手 比如 国家岩石力学学会 定义 软岩是指单轴抗压强度在 的一类岩石。我国水电规范、岩土工程勘察和公路地质规范都对软岩采取了指标化定义 规定最大饱和单轴抗压强度强度足 都为软岩 我国《铁路工程岩土分类》 根据强度不同又进行将软岩划分为三类 工程定义考虑到围岩变形和支护难易程度中国矿业大学董方庭教授提出 松动圈厚度大于 米的围岩 称为软岩。 #

中国矿业大学鹿守敏教授指出 围岩松动圈厚度大于 并且用常规支护不能适应的围岩称为软岩。由此可见国内外对于软岩的定义尚不能统一 这严重阻碍了软岩的学术交流和研究的深入。何满潮【 】等专家认为上述定义的主要不足之处在于包含的概念太多 内容过于广泛 重点不突出。所以他们在研究前人关于软岩概念的基础上 提出了新的软岩概念【 地质学定义。沿用岩体工程分类的思想和方法 只依据岩层的物理、力学和化学等性质来定义软岩 不再涉及地应力、围岩变形和支护难易程度 其定义可为 “强度低、