• ISSN 0258-2724
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重载铁路水泥改良膨胀土工程特性与路用性能

商拥辉 徐林荣 刘维正 陈钊锋

商拥辉, 徐林荣, 刘维正, 陈钊锋. 重载铁路水泥改良膨胀土工程特性与路用性能[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(5): 1044-1051. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180871
引用本文: 商拥辉, 徐林荣, 刘维正, 陈钊锋. 重载铁路水泥改良膨胀土工程特性与路用性能[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(5): 1044-1051. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180871
SHANG Yonghui, XU Linrong, LIU Weizheng, CHEN Zhaofeng. Engineering Characteristics and Road Performance of Cement-Stabilized Expansive Soil for Heavy Haul Railways[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(5): 1044-1051. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180871
Citation: SHANG Yonghui, XU Linrong, LIU Weizheng, CHEN Zhaofeng. Engineering Characteristics and Road Performance of Cement-Stabilized Expansive Soil for Heavy Haul Railways[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(5): 1044-1051. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180871

重载铁路水泥改良膨胀土工程特性与路用性能

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180871
基金项目: 国家自然科学基金(51078358,U1134207,51778634);河南省科技攻关计划(202102310264,192102310516)
详细信息
    作者简介:

    商拥辉(1985—),男,讲师,博士,研究方向为轨道交通类特殊土路基与隧道工程,E-mail:mlpeter@126.com

    通讯作者:

    徐林荣(1964—),男,教授,博士,研究方向为道路与铁道工程,E-mail:Irxu@csu.edu.cn

  • 中图分类号: V221.3

Engineering Characteristics and Road Performance of Cement-Stabilized Expansive Soil for Heavy Haul Railways

  • 摘要: 为了探究重载铁路水泥改良膨胀土路基填料的工程特性及路用性能,采用室内动三轴试验、微观结构试验、路基原位动力试验相结合的方法,揭示了膨胀土掺入水泥3%~5%改良前后静态指标与动态指标的变化特征,分析了水泥掺量5%和3%改良膨胀土分别用作重载铁路基床底层及以下路堤填料建设期的工作性能,评估了服役期列车动载作用下路基的动力稳定性. 研究结果表明:膨胀土掺入3%~5%水泥改良后,强度提高同时胀缩性显著降低,水稳定性提高3~4倍;相比重塑素膨胀土,水泥掺量3%~5%改良膨胀土临界动应力提高5~6倍;检测路基压密程度与强度指标满足规范且有较大富裕,监测路基中线地基沉降在铺轨前处于稳定状态;原位动力测试表明列车动载作用下路基的动应力沿深度逐渐衰减,在基床表层与基床底层范围内最大衰减量分别可达40%和80%以上,动应力影响深度是基床设计厚度的1.4~1.8倍,动应力影响深度范围内路基的动应力值远小于同位置填料的临界动应力,运营期路基动力稳定性满足安全服役要求. 研究成果能够为重载铁路水泥改良膨胀土路基精细化建设养修提供理论参考.

     

  • 图 1  扫描电镜照片

    Figure 1.  Scanning electron microscope photos

    图 2  水泥改良膨胀土lg N εp曲线

    Figure 2.  lg N εp curves of cement modified expansive soil

    图 3  路基填筑期检测照片

    Figure 3.  Photos of inspection during subgrade filling period

    图 4  现场检测与监测数据

    Figure 4.  Field inspection and monitoring data

    图 5  测试元件布置与埋设(DK948 + 275断面)

    Figure 5.  Test component placement and burial (DK948 + 275 section)

    图 6  测试动应力沿路基深度变化及衰减曲线

    Figure 6.  Test dynamic stress along subgrade depth and its attenuation curve

    表  1  膨胀土掺水泥改良前后指标对比

    Table  1.   Indicator comparison of expansive soil before and after being mixed with cement

    土样颗粒含量/%胀缩特性强度指标水稳系数
    大于
    0.075 mm
    粒径
    0.075~
    0.005 mm
    粒径
    小于
    0.005 mm
    粒径
    自由
    膨胀率
    有荷
    膨胀率
    (25 kPa)
    有荷
    膨胀率
    (50 kPa)
    膨胀
    力/kPa
    收缩
    系数
    缩限/
    %
    黏聚
    力/kPa
    内摩
    擦角/
    (°)
    7 d 饱和
    无侧限
    抗压强
    度/kPa
    压实
    度90%
    压实
    度95%
    天然
    土样
    5.4 50.3 44.3 66 6.80 6.7 129 0.91 10.2 45 21.4 44 0.18 0.25
    水泥掺
    量 3%
    20.5 52.2 27.3 32 0.10 < 0 14 0.73 10.2 183 24.6 866 0.81 0.85
    水泥掺
    量 4%
    21.1 55.8 23.1 28 0.06 < 0 10 0.62 11.9 201 33.2 1 018 0.84 0.88
    水泥掺
    量 5%
    23.0 55.0 22.0 23 < 0 < 0 1 0.52 11.2 291 35.5 1 170 0.83 0.89
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    表  2  水泥与石灰改良部分指标结果对比

    Table  2.   Comparison of cement and lime improvement indicators

    土样自由
    膨胀率
    有荷膨胀
    率(25 kPa)
    有荷膨胀
    率(50 kPa)
    膨胀
    力/kPa
    7 d 饱和
    无侧限
    强度/kPa
    天然
    土样
    66 6.80 6.7 129 44
    水泥掺
    量 3%
    32 0.10 < 0 14 866
    石灰掺
    量 3%
    27 < 0 < 0 12 308
    水泥掺
    量 4%
    28 0.06 < 0 10 1 018
    石灰掺
    量 4%
    24 < 0 < 0 5 477
    水泥掺
    量 5%
    23 < 0 < 0 1 1 170
    石灰掺
    量 5%
    21 < 0 < 0 1 786
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    表  3  试验参数

    Table  3.   Test parameters

    试验工况频率/Hz固结比固结围压/kPa
    重塑素膨胀土11.015,30,60
    2.015,30,60
    51.015,30,60
    2.015,30,60
    3% 水泥改良膨胀土11.015,30,60
    51.015,30,60
    5% 水泥改良膨胀土11.015,30,60
    51.015,30,60
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    表  4  临界动应力

    Table  4.   Critical dynamic stress

    土样类型围压/kPa频率/Hz临界动应力/kPa土样类型围压/kPa频率/Hz临界动应力/kPa
    范围值范围
    平均值
    范围值范围
    平均值
    重塑素
    膨胀土
    30 1 22.30~31.50 26.90 重塑素
    膨胀土
    30 5 21.60~30.80 26.20
    60 1 28.60~34.90 31.75 60 5 27.20~33.70 30.45
    3% 水泥改
    良膨胀土
    15 1 151.20~185.70 168.45 5% 水泥改
    良膨胀土
    15 1 142.50~208.10 175.30
    30 1 157.50~203.50 180.30 30 1 148.30~233.50 190.90
    60 1 182.30~233.10 207.70 60 1 202.50~249.70 226.10
    15 5 148.80~181.40 165.10 15 5 147.80~199.60 173.70
    30 5 152.30~200.10 176.20 30 5 145.60~231.70 188.65
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    表  5  路基不同深处动应力与静应力汇总

    Table  5.   Summary of dynamic stress and static stress at different subgrade depths

    深度/m静应力/kPa轴重 21 t轴重 25 t轴重 30 t
    动应力/kPa动、静应力比值动应力/kPa动、静应力比值动应力/kPa动、静应力比值
    0 17.7 81.61 4.61 98.92 5.59 118.46 6.69
    0.6 30.0 48.31 1.61 58.12 1.94 71.45 2.38
    1.5 46.2 28.14 0.61 31.48 0.68 39.22 0.85
    2.5 64.2 16.12 0.25 21.86 0.34 25.52 0.40
    3.5 73.2 12.32 0.17 18.92 0.26 21.03 0.29
    4.5 91.2 10.67 0.12 15.81 0.17 17.25 0.19
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    表  6  路基长期动力稳定性评估

    Table  6.   Long-term dynamic stability evaluation of subgrade

    路基深度/m路基动应力/kPa临界动应力/kPa评估结果
    轴重 25 t轴重 30 t
    0~0.6 58.12~98.92 71.45~118.46 257.00~380.00 稳定
    0.6~2.5 21.86~58.12 25.52~71.45 148.80~233.10 稳定
    2.5~4.5 15.81~21.86 17.25~25.25 142.50~249.70 稳定
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-10
  • 修回日期:  2019-03-22
  • 网络出版日期:  2020-04-23
  • 刊出日期:  2020-10-01

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