铁路既有线路基湿陷性黄土改良加固材料研究——以宝中线固原段整治工程为例

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宝中铁路是一条始建于1990年的既有运输铁路,该铁路固原段黄土路基受当地耕作大水漫灌影响,出现了大面积湿陷。导致路基不均匀沉降,严重影响了行车安全。为配合中铁西北研究院“既有线路路基病害整治成套技术研究”项目,拟采用磷石膏—水泥对该段路基湿陷性黄土进行改良加固,以保证工程治理的有效性、可靠性和环保性。  对湿陷性黄土的治理方法分为物理方法和化学方法。物理方法是通过提高土体的密实度来消除黄土的湿陷性并提高其承载力的,常用方法有强夯法、挤密桩法、冲击压实法等。化学方法是通过向黄土地层中添加固化材料,通过这些材料的胶凝、离子交换等作用,将松散的黄土胶结成整体,从而提高黄土的强度,消除湿陷性,降低渗透性以达到改良黄土性质的目的。目前,固化材料的种类十分丰富,常见的有:硅酸钠、氯化钙、氢氧化钠、丙烯酰铵、铬木素纸浆废液、水泥以及有机高分子材料等。采用固化材料对湿陷性黄土进行固化改良由于其适用范围广、加固效果好、固化材料选择范围广等优点,已经被越来越多的被采用。  大量工程实践证明,水泥是用量最大的软土固化材料。与其他固化材料相比,水泥作为固化材料具有来源广、用量大、效果好、成本低等优点。但水泥也具有渗透性差,高水灰比水泥改良土固结时间长、结实强度差等缺点。磷石膏作为一种固体废物,其主要成分为CaSO4·2H2O。我国磷石膏废弃量十分巨大,但利用率十分低,长期堆积会造成地下水污染、占用空间等一系列环境问题。若将磷石膏的主要成分CaSO4·2H2O加以合理利用,则能实现废物利用,变废为宝。理论和实践表明若将水泥和磷石膏组合用来改善湿陷性黄土不仅改良效果优于单一水泥,而且能够极大的降低成本和减少磷石膏堆积带来的环境污染问题。  基于此目的,本文对磷石膏—水泥改良湿陷性路基黄土进行了研究。本文的研究内容主要分为两个方面。一是结合荷载作用下长期浸水条件对路基黄土高强度和低渗透性的要求,选取磷石膏—水泥作为加固材料,对不同龄期、不同掺量下的磷石膏—水泥改良黄土、水泥改良黄土和磷石膏改良黄土进行了测试。对水泥改良黄土、磷石膏改良黄土和磷石膏—水泥改良黄土的效果进行了对比分析。二是对磷石膏—水泥改良黄土的作用机理进行了研究。依据XRD衍射试验结果和电镜扫描结果分析。对原状黄土、磷石膏—水泥改良黄土、水泥改良黄土的矿物成分进行了定量分析。对改良黄土和原状黄土的微观结构进行观察分析。并对对磷石膏—水泥改良黄土的机制进行了分析。  本文取得的研究成果如下:  对改良黄土的物理性能测试结果表明。水泥、磷石膏和磷石膏—水泥均能改善湿陷性黄土的性能。磷石膏—水泥改良黄土的抗压强度、抗渗性能均优于水泥改良黄土和磷石膏改良黄土。磷石膏—水泥改良黄土更适合研究区在灌溉季节地面长期汇水和暴雨集中的环境。  磷石膏—水泥改良黄土的抗冻性能和抗水能力优于水泥改良黄土和磷石膏改良黄土。在冻融循环下,磷石膏—水泥改良黄土的强度损失更小。磷石膏—水泥改良黄土的吸水率要低于水泥改良黄土和磷石膏改良黄土,软化系数和水稳系数方面均优于水泥改良黄土和磷石膏改良黄土。磷石膏—水泥改良黄土更加适应浸水条件下的冻融循环条件。  论文对磷石膏—水泥改良湿陷性黄土的微观结构进行了分析并对作用机理进行了研究,明确了磷石膏在磷石膏—水泥改良湿陷性黄土中所起到的促进作用。通过XRD衍射试验和SEM电镜扫描试验表明,磷石膏—水泥改良黄土的矿物成分发生了改变。磷石膏—水泥改良黄土中的伊利石和绿泥石等易水化的粘土矿物含量明显降低;方解石等坚硬且不溶于水的矿物含量增加。磷石膏—水泥改良黄土的微观结构发生了较大改变。改良黄土的孔隙度减小,大孔隙被填充,架空结构得到改善。钙矾石增多,颗粒之间胶结作用更强,土颗粒之间的连接更加紧密。  论文对磷石膏—水泥改良湿陷性黄土的效果进行了评价并与水泥改良黄土和磷石膏改良黄土进行了对比。结果表明,磷石膏—水泥对湿陷性路基黄土的改良效果要优于水泥。而且成本更低,有利于减少磷石膏的堆积,减少环境污染问题,具有一定的实用价值。这为湿陷性黄土的改良和提高磷石膏的废物利用率提供了新的方向。
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