本发明属于高速铁路路基填料技术领域，具体涉及一种含砂低塑限粉土改良的高速铁路路基填料及其制备方法。
背景技术：
高速铁路在我国迅猛发展，广义上，列车以设计开行250公里/小时(含预留)及以上动车组列车、初期运营速度不小于200公里/小时的客运专线铁路系统即称为高速铁路，其较普通列车车速更快，同时要求列车高速、安全、平稳运行，要求其轨面应具有较高的平顺性，因此，高速铁路对支撑在列车高速行驶条件下，其对铁路路基填料提出更高的要求，必须具有足够的强度和刚度，并且纵向变化均匀，长久稳定。
从现有的研究材料可知，高速铁路路轨下路基的受力情况十分复杂，突出需要解决的问题有两个方面：其一是路基土的强度疲劳失稳，包括基床及向下传递的动应力大小和路基土的变形；其二是轨下基础的变形疲劳失稳，包括瞬时震动的道床振动加速度和基面变形。亦因此，在高速铁路路基材料选择上，要求路基材料多选用有严格级配要求的级配砂砾石和级配碎石，以a、b组填料或改良土为主，然而此法显然需要更多人力物力资金等资源。
粉土属于细粒土，不仅在全国分布广泛，粉土也遍布山东省多个地区，约占全省总面积的34％，这类土具有弱可塑性、低黏结性、高分散性等特点，在降雨入渗、毛细水上升及边沟积水影响下，可能导致路基土吸水软化、力学性能衰减，这种土体级配差，土体强度根本无法满足路基填料的规范要求，因此不能直接作为高速铁路路基填料。
然而，由于粉土分布广泛，特别是对于砂石等优质填料相对缺乏的地区，如果能通过改良合理利用粉土作为路基填料势必能够有效降低高速铁路的建设成本。目前，为了解决粉土上述问题，常采用固化剂等进行添加。常用的固化剂有水泥、石灰、矿渣等工业用原料或者废弃料，虽然能够改变土体的矿物成分、提高土体的强度和耐久性，但是改良后的土体常表现出一定的脆性特征，且对土体结构稳定性影响较大。
技术实现要素：
针对上述现有技术的不足，发明人经长期的技术与实践探索，提供一种含砂低塑限粉土改良的高速铁路路基填料。本发明制备得到的高速铁路路基填料不仅能够提高含砂低塑限粉土的饱和无侧限抗压强度和延性、降低低塑限粉土的渗透性和压缩性以及脆性，同时有利于固废弃物的利用，经过改良后的含砂低塑限粉土可用于高速铁路、城际铁路路基填料，有助于降低高速铁路建设成本。
具体的，本发明涉及以下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种含砂低塑限粉土改良的高速铁路路基填料，按照总重量计，各组分及配比分别为：石灰4％-5％，粉煤灰21％-27％，聚丙烯纤维2‰-4‰，所述聚丙烯纤维的纤维长度为1-5cm，其余为含砂低塑限粉土；
优选的，所述路基填筑材料按照总重量计，各成分及比例为：石灰为5％，粉煤灰为25％，聚丙烯纤维为4‰，所述聚丙烯纤维长度为3cm，其余为含砂低塑限粉土；
优选的，所述纤维为聚丙烯纤维，纤维细度300d(旦尼尔)。
优选的，所述石灰为cao与mgo含量为≥85％的钙质生石灰(cl85)。
优选的，所述粉煤灰为ⅱ级，烧失量不大于8％。
优选的，所述含砂低塑限粉土的液限<40％，30％<粗粒含量≤50％，砾粒组含量≤砂粒组含量；
本发明通过向含砂低塑限粉土中合理添加石灰、粉煤灰和聚丙烯纤维，从而极大改善含砂低塑限粉土的饱和无侧限抗压强度和延性，同时降低低塑限粉土的渗透性和压缩性以及脆性；具体的，由于含砂低塑限粉土可塑性、黏结性较低，而分散性较高；本发明通过加入石灰和粉煤灰，通过细小颗粒的凝絮和絮聚作用，使得粉土结构发生变化，粉土颗粒能够形成较大的粗颗粒，进而导致土结构较为致密，使得水分较难进入土内与颗粒发生反应，同时，石灰、粉煤灰和粉土间的化学反应进一步生成钙质胶结物，增加了土颗粒之间的连接力和咬合力，使得制备材料的抗压强度和延性提高；但是由于石灰、粉煤灰与粉土的水化反应本身消耗粉土的水分，同时水分进一步自然蒸发，使得材料毛细管中失水收缩，形成对制备材料的一个拉应力，由于此时材料本身处于塑性阶段，其自身的塑性抗拉强度较低，则导致尽管提升了抗压强度和延性，但制备材料本身仍易出现开裂现象；加之高速铁路路基受列车载荷影响甚大，土体在动荷载作用下，会产生弹性变形和塑性变形，从而导致土体疲劳破坏，因此仅依靠石灰和/或粉煤灰的添加仍然无法满足粉土作为高速铁路路基填料的需求，发明人通过多次试验意外发现，通过向该材料中加入一定量的聚丙烯纤维则可有效解决上述问题。聚丙烯纤维是一种以聚丙烯为原料，制造而成的高强度束状纤维。现有技术中已经报道其加入砂浆混凝土中能够有效的控制水泥混凝土的固塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂缝，防止及抑制裂缝的形成及发展，改善混凝土的阻裂抗渗性，抗冲击及抗震能力；本发明通过向制备的材料中加入较低掺量的聚丙烯纤维，意外发现其掺量控制在2‰-4‰时，能够显著提高粉土的饱和无侧限抗压强度和延性，同时不影响低塑限粉土的渗透性和压缩性，然而进一步提高掺量，则抗压强度显著降低，抗裂增韧效果差异并不显著。
本发明的第二个方面，公开了上述含砂低塑限粉土改良的高速铁路路基填料的制备方法，具体包括：
1)将粉煤灰、石灰和聚丙烯纤维按比例掺入含砂低塑限粉土充分拌合；
2)加水搅拌后即得含砂低塑限粉土改良的高速铁路路基填料。
优选的，所述石灰为消解后的石灰；
优选的，所述加水量控制在wop～wop+2％，其中wop是根据重型击实试验测定含砂低塑限粉土的最优含水率；
本发明的第三个方面，公开了上述路基填料在高速铁路路基填料和/或城际铁路路基填料中的应用。
本发明有益效果：本发明通过合理添加各组分，从而制备得到一种高速铁路路基填料，所述填料不仅能够提高含砂低塑限粉土的饱和无侧限抗压强度和延性、降低了该土的渗透性和压缩性以及脆性，提高土体的强度和耐久性，同时还有利于固废弃物的利用，经过改良后的含砂低塑限粉土可用于高速铁路、城际铁路路基填料，有助于降低高速铁路建设成本。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
结合具体实例对本发明作进一步的说明，以下实例仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。如果实施例中未注明的实验具体条件，通常按照常规条件，或按照试剂公司所推荐的条件；下述实施例中所用的试剂、耗材等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
如前所述，现有常用的固化剂有水泥、石灰、矿渣等工业用原料或者废弃料，虽然能够改变土体的矿物成分、提高土体的强度和耐久性，但是改良后的土体常表现出一定的脆性特征，且对土体结构稳定性影响较大。
有鉴于此，本发明的一种具体实施方式中提供了一种含砂低塑限粉土改良的高速铁路路基填料，按照总重量计，各组分及配比分别为：石灰4％-5％，粉煤灰21％-27％，聚丙烯纤维2‰-4‰，所述聚丙烯纤维的纤维长度为1-5cm，其余为含砂低塑限粉土；
其中，所述路基填筑材料按照总重量计，各成分及比例为：石灰为5％，粉煤灰为25％，聚丙烯纤维为4‰，所述聚丙烯纤维长度为3cm，其余为含砂低塑限粉土；
其中，所述纤维为聚丙烯纤维，纤维细度300d(旦尼尔)；
所述石灰为cao与mgo含量为≥85％的钙质生石灰(cl85)；
所述粉煤灰为ⅱ级，烧失量不大于8％；
所述含砂低塑限粉土的液限<40％，30％<粗粒含量≤50％，砾粒组含量≤砂粒组含量；
本发明的又一具体实施方式中，提供上述含砂低塑限粉土改良的高速铁路路基填料的制备方法，具体包括：
1)将粉煤灰、石灰和聚丙烯纤维按比例掺入含砂低塑限粉土充分拌合；
2)加水搅拌后即得含砂低塑限粉土改良的高速铁路路基填料。
其中，所述石灰为消解后的石灰；
所述加水量控制在wop～wop+2％，其中wop是根据重型击实试验测定含砂低塑限粉土的最优含水率；
本发明的又一具体实施方式中，提供了上述路基填料在高速铁路路基填料和/或城际铁路路基填料中的应用。
下面通过实施例和实验例，对本发明的操作，作进一步具体的说明。
实施例1
一种含砂低塑限粉土改良的高速铁路路基填料，按照路基填料总重量计，各组分及配比分别为：石灰为5％，粉煤灰为25％，聚丙烯纤维为4‰，所述聚丙烯纤维长度为3cm，其余为含砂低塑限粉土；
其中，石灰：cao与mgo含量为≥85％的钙质生石灰(cl85)。
粉煤灰：ⅱ级粉煤灰，烧失量不大于8％，来自灵山卫电厂。
纤维：聚丙烯纤维，纤维细度为300d。
本发明所用的土为山东东营市粉土，试验土样的基本物理指标如表1所示。
表1试验土样的基本物理指标
具体的制备方法为：
1)将粉煤灰、石灰和聚丙烯纤维按比例掺入含砂低塑限粉土充分拌合；
2)加水搅拌经标准养护后即得含砂低塑限粉土改良的高速铁路路基填料。
其中，所述石灰为消解后的石灰；
所述加水量控制在wop～wop+2％，其中wop是根据重型击实试验测定含砂低塑限粉土的最优含水率。
采用无侧限抗压强度(ucs)试验进行评价加固效果评价。试样成型脱模后，放入养护室进行标准养护(温度20±2℃，相对湿度≥95％)。
实施例2
一种含砂低塑限粉土改良的高速铁路路基填料，按照路基填料总重量计，各组分及配比分别为：石灰为4％，粉煤灰为21％，聚丙烯纤维为3‰，所述聚丙烯纤维长度为3cm，其余为含砂低塑限粉土；
其中，石灰：cao与mgo含量为≥85％的钙质生石灰(cl85)。
粉煤灰：ⅱ级粉煤灰，烧失量不大于8％，来自灵山卫电厂。
纤维：聚丙烯纤维，纤维细度为300d。
本发明所用的土为山东东营市粉土，试验土样的基本物理指标如表2所示。
表2试验土样的基本物理指标
具体的制备方法为：
1)将粉煤灰、石灰和聚丙烯纤维按比例掺入含砂低塑限粉土充分拌合；
2)加水搅拌经标准养护后即得含砂低塑限粉土改良的高速铁路路基填料。
其中，所述石灰为消解后的石灰；
所述加水量控制在wop～wop+2％，其中wop是根据重型击实试验测定含砂低塑限粉土的最优含水率。
实施例3
一种含砂低塑限粉土改良的高速铁路路基填料，按照路基填料总重量计，各组分及配比分别为：石灰为4％，粉煤灰为27％，聚丙烯纤维为3‰，所述聚丙烯纤维长度为5cm，其余为含砂低塑限粉土；
其中，石灰：cao与mgo含量为≥85％的钙质生石灰(cl85)。
粉煤灰：ⅱ级粉煤灰，烧失量不大于8％，来自灵山卫电厂。
纤维：聚丙烯纤维，纤维细度为300d。
本发明所用的土为山东东营市粉土，试验土样的基本物理指标如表3所示。
表3试验土样的基本物理指标
具体的制备方法为：
1)将粉煤灰、石灰和聚丙烯纤维按比例掺入含砂低塑限粉土充分拌合；
2)加水搅拌经标准养护后即得含砂低塑限粉土改良的高速铁路路基填料。
其中，所述石灰为消解后的石灰；
所述加水量控制在wop～wop+2％，其中wop是根据重型击实试验测定含砂低塑限粉土的最优含水率。
实验例4
一种含砂低塑限粉土改良的高速铁路路基填料，按照路基填料总重量计，各组分及配比分别为：石灰为5％，粉煤灰为27％，聚丙烯纤维为4‰，所述聚丙烯纤维长度为5cm，其余为含砂低塑限粉土；
其中，石灰：cao与mgo含量为≥85％的钙质生石灰(cl85)。
粉煤灰：ⅱ级粉煤灰，烧失量不大于8％，来自灵山卫电厂。
纤维：聚丙烯纤维，纤维细度为300d。
本发明所用的土为山东东营市粉土，试验土样的基本物理指标如表4所示。
表4试验土样的基本物理指标
具体的制备方法为：
1)将粉煤灰、石灰和聚丙烯纤维按比例掺入含砂低塑限粉土充分拌合；
2)加水搅拌经标准养护后即得含砂低塑限粉土改良的高速铁路路基填料。
其中，所述石灰为消解后的石灰；
所述加水量控制在wop～wop+2％，其中wop是根据重型击实试验测定含砂低塑限粉土的最优含水率。
根据ucs试验结果，在石灰4％-5％、粉煤灰21％-27％、聚丙烯纤维2‰-4‰、纤维长度1-5cm、纤维细度300d、其余为含砂低塑限粉土范围内，不同组合所得改良土的7d饱和无侧限抗压强度值均大于250kpa(见表5)，满足高速铁路路基对改良土的强度要求。
其中配比为石灰5％、粉煤灰25％、聚丙烯纤维4‰、纤维长度3cm、纤维细度300d、其余为含砂低塑限粉土的改良土的7d饱和无侧限抗压强度为614.6kpa，与素土的无侧限抗压强度(69.2kpa)相比提高了近10倍、与不掺纤维(仅石灰和粉煤灰)的7d饱和无侧限抗压强度相比提高了近2倍，达到7d饱和无侧限抗压强度峰值的轴向应变分别提高了近10倍和2.5倍，并且水稳性好，是本发明的最佳配合比。
表5不同配合比改良土饱和无侧限抗压强度和残余强度实验结果
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。