具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所述领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

如图1所示，一种红黏土、水泥复合改良全风化千枚岩的方法，在质量为m₀的全风化千枚岩中加入质量为m₁的干红黏土和质量为m₂的水泥进行复合改良，记m₁/(m₀+m₁)为红黏土的掺合比λ，记m₂/(m₀+m₁)为水泥掺合比η；形成液限小于40％、极限承载力的安全系数不低于2、沉降量小于15mm和地基系数K₃₀不低于130MPa/m的C组填料混合填料，所述混合填料中红黏土掺合比的范围为25.7％～60％，水泥掺合比的范围为3％～5％。

所述混合填料的液限w_L、红黏土掺合比λ和水泥掺合比η的变化规律满足如下公式：

η＝3％，w_L＝0.0016λ²-0.1858λ+38.407

η＝5％，w_L＝0.002λ²-0.2327λ+37.975

根据以上拟合公式，当采用红黏土改良全风化千枚岩时，λ处于23％-49％，土的液限低于40％为低液限C组填料。当采用水泥+红黏土对全风化千枚岩复合改良时，液限均可以满足要求。

所述红黏土掺合比为40％，水泥掺合比为3％时，所述混合填料的液限w_L降低至33.8％；红黏土掺合比为60％，水泥掺合比为5％时，所述混合填料的液限w_L达到最小值31.1％。

如图12所示，本发明实施例中使用的全风化千枚岩8粒径长度方向为10～15um，厚度为0.5um，红黏土7颗粒的粒径大小为1～4um。全风化千枚岩8压碎后依旧保留原有的千枚状构造，呈薄片状和长柱状，压实后呈点-点接触或点-面接触，形成架空结构，不易压实，遇水受力后变形较大，所以压实土不能满足铁路路基规范要求。加入红黏土7后明显改变了级配，红黏土7有效填充了全风化千枚岩8的孔隙，变成了多点接触，大大增加了承载性能。但红黏土7与全风化千枚岩8的颗粒均为细粒土，遇水后变形较大，所以沉降难以控制。在加入3％的水泥后，生成的水泥反应产物9为网状的硬凝产物，把全风化千枚岩8和红黏土7留下的孔隙进一步胶结起来，并大幅提高遇水后的强度，因此工后沉降可以得到有效控制。而单独采用水泥改良，由于水泥掺合比太少，不足以把全风化千枚岩8的孔隙充填并胶结，承载性能提升较小。因此，采用掺入红黏土7和水泥的复合改良方案，可满足路基各方面指标的要求。

(一)液限试验及掺合比优选方法

液限是铁路路基工程填料选择的重要依据，根据《TB 10001-2016铁路路基设计规范》，当液限大于40％时是高液限土，为D组填料，不宜作为路基填料。液限小于40％为C组填料，可用于普速铁路除基床表层其它层次的填料。采用化学改良时，如能满足其它控制要求，可用于高速铁路除基床表层其它层次的填料。

以全风化千枚岩土质量m₀为基准，掺入质量为m₁的干红黏土和质量为m₂的水泥。记m₁/(m₀+m₁)为红黏土的掺合比λ，并换算成百分数；记m₂/(m₀+m₁)为水泥掺合比η，并换算成百分数。红黏土的掺合比为0％代表红黏土质量m₁与全风化千枚岩土质量m₀的比值为0：5，红黏土的掺合比为20％代表红黏土质量m₁与全风化千枚岩土质量m₀的比值为1：4，红黏土的掺合比为40％代表红黏土质量m₁与全风化千枚岩土质量m₀的比值为2：3，红黏土的掺合比为60％代表红黏土质量m₁与全风化千枚岩土质量m₀的比值为3：2，红黏土的掺合比为100％代表红黏土质量m₁与全风化千枚岩土质量m₀的比值为5：0。

在本发明实施例中，取烘干全风化千枚岩质量2000g，取烘干红黏土1500g，水泥500g，并按表1进行配比进行液限试验。依据《TB 10102-2018铁路工程土工试验规程》，试验采用76g锥，锥尖入土深度10mm作为土的液限标准。

表1液限试验配比

试验结果如图1所示，采用多次函数式进行拟合，可得到混合填料的液限w_L、红黏土掺合比λ和水泥掺合比η的变化规律如公式(1)～(3)所示：

η＝0％，w_L＝-3×10^-5λ³+0.0064λ²-0.3404λ+44.806 (1)

η＝3％，w_L＝0.0016λ²-0.1858λ+38.407 (2)

η＝5％，w_L＝0.002λ²-0.2327λ+37.975 (3)

水泥掺合比为0％时，当红黏土掺合比为23％～49％时混合土符合C组填料的标准。水泥掺合比为3％或5％时，均符合C组填料的标准，并符合化学改良的标准，因此有水泥改良的混合土理论适合高速铁路路基填筑。从图1中可以看到，当红黏土的掺合比为40％时，混合填料的液限值最低且液限值低于40％，其附近可以作为优选范围。

如图2所示，当水泥掺合比从0％增长至3％时，混合填料的液限值下降显著，而水泥掺合比从3％增长至5％时，混合填料的液限值下降幅度很小，因此在力学性能满足要求时，优选水泥掺合比为3％。

(二)固结试验与基于沉降的优化方法

为了计算填筑路堤沉降量，需要进行固结试验，固结试验配料表参考表2。所有击实土样采用18％的含水率，即最优含水率。压实后干密度为1.58g/cm3，即压实度为93％。

表2固结试验配料表

试验结果如图3和图4所示，全风化千枚岩压缩模量为8.58MPa，固结压力范围为100-200MPa；采用40％红黏土改良时压缩模量为9.63MPa；采用3％的水泥改良时压缩模量为17.31MPa。在提升压缩模量方面，水泥的改良效果优于红黏土。

从图3中可以看出，混合填料的压缩模量随红黏土掺合比的增长而增长，但增长幅度不大，即使掺合比增长至60％，压缩模量也仅增长了32％。从图4中可以看出，混合填料的压缩模量随水泥掺合比的增长而增长，以全风化千枚岩掺入3％水泥例，混合填料的压缩模量相对于全风化千枚岩增长了130.0％。显然，掺入水泥对提高压缩模量效果远优于红黏土。对比5％的水泥掺合比，混合填料的压缩模量相对于水泥掺合比为3％时，增长幅度很小，甚至没有增长，因此水泥优选掺合比为3％。

通过10m路基施加工后荷载，并采用分层总和法计算路堤的工后沉降量，计算结果如表3所示，全风化千枚岩的沉降量为28.39mm，全风化千枚岩+40％红黏土的沉降量为25.15mm，沉降量的降低幅度不明显。全风化千枚岩+3％水泥的沉降量为13.99mm，可以满足要求，但安全储备较小。采用全风化千枚岩+40％红黏土+3％水泥的复合改良方案工后，混合填料的沉降量为10.36mm，并有相当的安全储备。在降低沉降量方面，水泥的效果优于红黏土。

表3不同掺合方案的工后沉降量计算值

(三)抗剪强度试验及基于承载力优化方法

全风化千枚岩压实路基面极限承载力仅为222.5kPa，远低于700kPa载重汽车的最基本的要求，运输填料汽车在上面运输填料时容易陷入路基面3，或者造成压实路基面破坏，因此全风化千枚岩路基不宜作为运输填料汽车临时通道。

制样方法采用与固结试验相同的配比，正压力分别采用50kPa、100kPa、150kPa和200kPa，然后采用莫尔库仑理论，得出土的抗剪强度指标。所述莫尔库仑理论具体表达式如公式(4)所示：

其中，τ为直剪试验测得的抗剪强度，σ为试验时施加的正压力，为土的内摩擦角，c为土的粘聚力。

路基一般采用分层压实，一般每层为30cm，压实路基面每层都作为载填料汽车的临时通行面，如果承载力满足不了要求，会形成下陷的破坏面2，导致汽车陷入路基面，影响路基施工。

图5里(a)和(b)中的假想路基面1为承载模型建立的假想面，(c)中的路基面3为实际的路基面。根据图5中(a)所示的汽车极限承载力的基本模型示意图和(b)所示的汽车极限承载力的泰勒极限承载力模型示意图，可得到公式(5)：

其中，P_u为路基面的极限承载力，b为泰勒极限承载力计算模型的基础宽度，γ为基础以下土的容重，γ₀为基础以上土的加权平均容重，d为基础埋深，c为土的粘聚力；N_γ、Nq、Nc为与土内摩擦角相关的承载力系数，计算方法如下：

考虑到车轮4是直接作用路基面3的表面，基础埋深d为0，因此γ₀d＝0，即公式(5)中的第二项为0。根据《CJJ37-2012城市道路工程设计规范》，如图5中(c)所示的汽车极限承载力的路基面承载力模型，载重汽车车轮4与地面作用可以等效成一个直径D为0.213m的圆，因此公式(5)可以修正成公式(9)：

根据《CJJ37-2012城市道路工程设计规范》，由BZZ-100标准荷载确定载重汽车对路基面的承载力要求为700kPa，考虑路基面是作为临时通行面，因此不必要取泰勒的常规安全系数3，仅需要取安全系数为2便足够安全。根据公式(9)可基于载重汽车计算路基面的极限承载力，计算结果如图6和图7所示，在提高路基极限承载力的方面，红黏土的效果优于水泥。

如图6所示，全风化千枚岩极限承载力仅有222.48kPa，小于载重填料汽车的对地压力，因此载填料汽车会陷入路基面，造成路基面损坏。在全风化千枚岩中掺入40％的红黏土后极限承载力达到了1498.88kPa，是需要荷载的2倍，因此可以满足载重汽车临时通行要求。即不使用水泥掺入40％的红黏土也可以满足要求，这种改良不需要养护时间。

如图7所示，全风化千枚岩中掺入加5％的水泥并养护28天后，极限承载力为507.66kPa，仍然不能满足要求，即采用水泥改良全风化千枚岩对提高承载力效果不佳，不能满足载填料汽车的要求。

通过对比图6与图7可知，红黏土提高极限承载力的效果远优于水泥。选用40％红黏土和3％的水泥复合改良，碾压完成后的即时承载力，即给载填料汽车可提供的承载力为1498.9kPa，即时承载力的安全系数为2；养护28天后极限承载力为2848.70kPa，安全系数达到了4，具有较大的安全储备，可以保证路基面作为临时通道的使用要求。并且通过线性插值可得，当水泥掺合比为3％时，红黏土优选掺合比为25.7％。

(四)地基系数K₃₀值分析方法及基于K₃₀优化方法

地基系数K₃₀值是通过K₃₀测试仪测试的，它是在路基面上放置直径为30cm的刚性承载板，然后在承载板上分级加载，每级加载强度为0.04MPa，至承载板的平均沉降超过1.25mm为止，得到沉降曲线如图8中的(b)所示。

如图8中(a)所示，采用Midas有限元软件构建地基系数K₃₀模型，模型采用直径为3m，高度3米的路基土圆柱模型6，以防止边界效应对中间荷载板的影响，中间放置一直径为30cm的刚性荷载板5。

通过公式(10)可计算路基的地基系数K₃₀：

其中，p为沉降量s达到1.25mm时对应的荷载。

在荷载板上施加分级荷载，每级荷载为0.04MPa，至荷载沉降量超过1.25mm为至，并根据数值分析的荷载-沉降曲线与公式(9)来计算不同掺合填料的地基系数K₃₀，结果如图9和图10所示。当压实系数93％，含水量18％时，全风化千枚岩压实路基的地基系数K₃₀为78.59MPa/m，低于普速铁路基床以下89MPa/m的要求，更低于130MPa/m高速铁路基床表层的要求。采用40％的红黏土改良，K₃₀增长至91.53MPa/m，可以满足普速铁路基床底层及以下层次的填筑要求，但不能满足高速铁路的要求。采用3％的水泥改良，地基系数K₃₀为109.18MPa/m，也不能满足高速铁路基床底层的要求。在提高地基系数K₃₀值的方面，水泥效果优于红黏土，选用40％红黏土和3％的水泥复合改良后，地基系数K₃₀为166.6MPa/m。

如图9所示，加入3％或5％的水泥均可使地基系数K₃₀满足高速铁路基床底层的要求：基床底层的地基系数K₃₀要求为130MPa/m，基床以下的地基系数K₃₀要求为110MPa/m，但5％的水泥掺合比会造成浪费，因此水泥掺合比优选为3％。

如图10所示，全风化千枚岩即使添加再多的红黏土，地基系数K₃₀仅可以满足普速铁路路基90MPa/m的要求，而不能满足高速铁路路基的要求。而掺有3％的水泥的全风化千枚岩和红黏土混合土，所有地基系数K₃₀均可满足要求。考虑养护龄期的影响，要在短时间内地基系数K₃₀满足要求，高速铁路基床底层以下层的红黏土掺合比优选为40％，而高速铁路基床底层的红黏土建议掺合比优选为60％，而普速铁路的红黏土掺合比优选为20％。

综上所述，铁路路基选用指标的优选范围如表4所示：

表4铁路路基选用指标的优选范围

如表4所示，采用本发明实施例所述的方法对全风化千枚岩进行复合改良后，得到的混合填料的液限、承载力、沉降量、地基系数K₃₀指标均需要满足相应规范要求。对于高速铁路，必须采用复合改良，且水泥掺量不低于3％，红黏土掺量不低于25.7％，优选方案为3％的水泥+40％的红黏土组合方案。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。