石武客運(yùn)專線膨脹土路基CMA改性劑應(yīng)用研究

李同海

(中鐵十七局集團(tuán)有限公司,太原 030006)

膨脹土在我國分布廣泛,其礦物組成多以伊利石、蒙脫石為主,夾少量高嶺石。這些親水性的黏土礦物遇水膨脹,失水收縮,具有明顯的脹縮性、多裂隙性、超固結(jié)性,以及強(qiáng)度減弱性。容易造成沉陷、溜塌、縱裂、坍塌事故。在客運(yùn)專線鐵路工程建設(shè)中,不可避免地要經(jīng)過膨脹土地區(qū),對(duì)路基的基底和開挖邊坡如何治理和改良,效果如何,這些問題在設(shè)計(jì)和施工時(shí)必須高度重視,否則,將直接影響工程質(zhì)量和鐵路運(yùn)營安全。

對(duì)于膨脹土挖方邊坡傳統(tǒng)的處理方案一般采用緩邊坡、全封閉形式的剛性防護(hù),基底則采用灰土或水泥土進(jìn)行換填。其主要觀點(diǎn)認(rèn)為:膨脹土邊坡失穩(wěn)的主要原因是受降水影響,當(dāng)土體吸水由非飽和態(tài)進(jìn)入飽和態(tài)這一過程中,土體的抗剪強(qiáng)度由強(qiáng)逐漸變?nèi)?當(dāng)土體的剪切指標(biāo)值隨含水量增加而衰減時(shí),其邊坡穩(wěn)定性隨之遞減直至產(chǎn)生變形破壞(如滑坡或坍塌)。因此采用邊坡封閉防護(hù)以阻止降水的影響[1]。實(shí)踐證明這些剛性防護(hù)方案治理膨脹土效果較差,不能從根本上解決在大氣風(fēng)化作用層影響深度范圍內(nèi)膨脹土體的脹縮問題,基底采用石灰土或水泥土施工時(shí)與土體本身的反應(yīng)速度較慢,所生成的水化物耐久性較差,而且石灰摻量在8%、水泥摻量在6%以上才能達(dá)到一定效果,在施工中需要反復(fù)拌和均勻,周期長,施工速度慢,邊坡膨脹土體施工非常困難[2]。因此,有必要繼續(xù)探索膨脹土改良的新方法或新材料,應(yīng)用CMA生態(tài)改性劑改良膨脹土就是一種有益嘗試,也取得了一定效果[3]。

1 工程概述

新建石家莊至武漢鐵路客運(yùn)專線9標(biāo)段位于河南省信陽市,全長 39.3 km,起訖里程為DK980+018～DK1020+220,路基段總長為17.2 km,地表為沖積平原區(qū),局部為剝蝕丘陵、崗地及風(fēng)成地貌,地形平坦、開闊,支流水系發(fā)達(dá),降雨量大,線路通過區(qū)域主要為膨脹軟土,一般層厚為5～25 m,軟土層強(qiáng)度低、壓縮性高。設(shè)計(jì)需對(duì)膨脹土邊坡及挖方段基底進(jìn)行改良處理,共計(jì)處理面積為270 000 m2。

2 CMA生態(tài)改性劑及改性原理

2.1 CMA生態(tài)改性劑

CMA(changing the montmoriuonite's absorbent)膨脹土生態(tài)改性劑是由一種復(fù)合化學(xué)配方,經(jīng)加工生產(chǎn)形成的一種濃縮液。其性狀為紅棕色至黃棕色黏稠狀液體,屬有機(jī)化合物,主要成分包括各種具活性的金屬氧化物和具活性的非金屬氧化物以及成核材料,施工時(shí),現(xiàn)場按一定比例摻入水、生石灰粉攪拌均勻而成[1]。經(jīng)CMA改良處理后的邊坡能種植灌木和花草,不同于其他固性材料改性邊坡,具有綠化美化環(huán)境、防眩吸噪的功能,滿足水土保持,屬生態(tài)環(huán)保產(chǎn)品。

2.2 CMA生態(tài)改性劑改性原理

CMA生態(tài)改性劑具有電解和離子交換的作用,有較強(qiáng)的滲透性,能溶于水,在水中離解出帶正電荷的陽離子[X]n+和帶負(fù)電荷的陰離子[Y]n-,陽離子與膨脹土膠體表面的陽離子[M]n+產(chǎn)生交換作用,將這些原本吸附在膨脹土顆粒表面、親水性極高的陽離子趕走,代之以親水性低、黏結(jié)力較強(qiáng)的鋁離子及其水合物,使膨脹土顆粒上的吸附水的化學(xué)鍵破壞形成自由水,改性后土顆粒形成鍵狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加快反應(yīng)和離子交換,自由水通過重力、蒸發(fā)、壓實(shí)作用排除,改變了膨脹土顆粒的結(jié)構(gòu)特征,從而提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度,增強(qiáng)膨脹土的水穩(wěn)性,永久地改變膨脹土的屬性,將膨脹土改為非膨脹土,從而達(dá)到將膨脹土改性的目的[4]。

它與其他的膠合材料或固性材料不同,自身與土并不結(jié)合,而且具有再生功能,它與膨脹土作用時(shí)其總量并沒有減少。其功效并不會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸減弱,相反,只要膨脹土中有水分,它的功效就會(huì)延續(xù)下去,這種作用是永久的不可逆的[6]。作用過程大致是:當(dāng)膨脹土生態(tài)改性劑噴灑在土體表面上通過滲透達(dá)到一定深度將其改性,還可以通過土體本身含水量經(jīng)土體毛細(xì)孔隙到達(dá)一定深度,更重要的是膨脹土生態(tài)改性劑具有較強(qiáng)的滲透性,能溶于水,它可以隨雨水滲透,到達(dá)雨水能到達(dá)的深度,這樣就從根本上解決了雨水滲入對(duì)膨脹土的影響,做到對(duì)大氣風(fēng)化作用層影響深度范圍內(nèi)膨脹土體的徹底治理。

3 CMA生態(tài)改性劑改良膨脹土施工方法

CMA生態(tài)改性劑施工是按照一定比例將濃縮液、水、石灰混合,并充分?jǐn)嚢杈鶆?采用專用噴灑設(shè)備直接噴灑于新開挖土體表面上,總噴灑量約20 kg/m2。基本配合比為:改性劑濃縮液∶水∶石灰=1∶100∶5。因CMA生態(tài)改性劑可針對(duì)不同膨脹土體進(jìn)行改性,施工前需對(duì)施工點(diǎn)原狀土體取樣做試驗(yàn),以確定改性劑噴灑次數(shù)和噴灑量。

3.1 實(shí)際噴灑量確定

(1)認(rèn)真進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查,收集當(dāng)?shù)貧夂驐l件的相關(guān)資料及雨水的滲透深度、大氣風(fēng)化作用層影響深度等相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)膨脹土處于段落位置和工程量大小確定原狀土取樣組數(shù),其邊坡改良及基底改良土體需單獨(dú)取樣。本工程確定為8組。

(2)現(xiàn)場由試驗(yàn)室取土樣做對(duì)比試驗(yàn)。主要試驗(yàn)指標(biāo)有:顆粒分析、液塑性、脹縮特性、剪切、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、擊實(shí)、膨脹率、膨脹力等。各種試驗(yàn)結(jié)果見表1～表4。

表1 液塑性、顆粒分析試驗(yàn)成果對(duì)比

表2 脹縮特性試驗(yàn)成果對(duì)比

表3 剪切、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果對(duì)比

表4 擊實(shí)承載比試驗(yàn)成果對(duì)比

(3)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和對(duì)比分析,確定施工噴灑次數(shù)和實(shí)際噴灑量?；讎姙?次施工,第一次噴灑量為12kg/m2,第二次噴灑量為9 kg/m2,總噴灑量為21 kg/m2;路塹邊坡按3次噴灑,第一次噴灑量為≥9 kg/m2,第二次噴灑量為≥7 kg/m2,第三次噴灑量≥5 kg/m2,總噴灑量為21 kg/m2。

3.2 現(xiàn)場準(zhǔn)備

(1)相關(guān)聯(lián)工程施工應(yīng)在改良處理前按設(shè)計(jì)要求完成并驗(yàn)收,路塹基底挖至設(shè)計(jì)填筑高程,并設(shè)置橫向排水坡,改性后不宜再擾動(dòng)土體以免影響改性效果。

(2)改性施工前應(yīng)認(rèn)真檢查土體的干濕程度,要求土體干燥,以土體表面出現(xiàn)裂紋為宜,應(yīng)選擇在晴天施工,連續(xù)暴曬路基4d以后進(jìn)行施工。如路基表面裂縫較少,可采用人工在表面進(jìn)行打孔,孔深為30 cm,50 cm×50 cm梅花形布置。

(3)改性劑施工在路基沖擊碾壓夯實(shí)完成后進(jìn)行。

(4)對(duì)基面進(jìn)行網(wǎng)格布線,使每次拌和料剛好能充盈一個(gè)網(wǎng)格。

(5)準(zhǔn)備好施工設(shè)備和生石灰,生石灰需提前2 d進(jìn)場,石灰采用經(jīng)水熟化的熟石灰粉,其活性CaO+MgO含量不低于70%,機(jī)械設(shè)備配置見表5。

3.3 施工

(1)溶液配制:根據(jù)容器大小確定每次配制的溶液數(shù)量,利用配合比計(jì)算CMA濃縮液、水、石灰的用量,采用計(jì)量器具進(jìn)行準(zhǔn)確稱量,按水、濃縮液、石灰的順序投料并充分?jǐn)嚢?。先加入大容?/5的水,后加入濃縮液及石灰,邊加入邊沖水并進(jìn)行攪拌,至容器加滿時(shí)濃縮液及石灰按質(zhì)量加夠,其中加入石灰時(shí)必須采用25目/cm2的篩網(wǎng)過濾[3]。配制膨脹土生態(tài)改良劑水溶液用水應(yīng)符合下列要求:

表5 CMA施工機(jī)械設(shè)備配置

①色度不超過15度,并不得呈現(xiàn)其他異色;

②渾濁度不超過5度;

③無肉眼可見的懸浮物;

④不得有異味。

(2)噴灑:容器內(nèi)的溶液充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?用水泵抽取在基面上均勻噴灑,邊噴灑邊攪拌。噴灑完成一次后需待基層面均勻滲透,表面再次出現(xiàn)裂縫時(shí)進(jìn)行第2次或第3次噴灑。當(dāng)土體表面裂縫較少也可采用人工打孔后進(jìn)行混合液噴灑。兩個(gè)容器輪流使用,可保證一天噴灑1萬m2。

3.4 質(zhì)量要求與控制

(1)質(zhì)量要求:總噴灑量滿足施工配比要求,經(jīng)膨脹土生態(tài)改性劑改性后路基、邊坡土體穩(wěn)定,水穩(wěn)性好,增強(qiáng)土體的強(qiáng)度,可還原生態(tài)。改性后的效果各項(xiàng)指標(biāo)必須達(dá)到非膨脹土的標(biāo)準(zhǔn)[7]。

(2)質(zhì)量控制:改性施工的質(zhì)量控制主要兩個(gè)方面,一是掌握土體的干燥程度,土體一定要干燥,施工時(shí)應(yīng)控制在當(dāng)膨脹土水溶液按設(shè)計(jì)量和次數(shù)均勻噴灑在土體表面上被土體吸收不流淌為宜[8]。二是噴灑要均勻,噴灑速度不宜過快,噴灑過程中需隨時(shí)對(duì)混合液進(jìn)行攪拌[4]。

路基基底CMA生態(tài)改性劑施工完成待表面干燥后應(yīng)及時(shí)施作防水層,鋪設(shè)防水布及時(shí)進(jìn)行路基填筑封閉基底,不得受雨水浸泡[9]。

4 CMA生態(tài)改性劑處理后的實(shí)施效果

根據(jù)目測和試驗(yàn)對(duì)比綜合分析,在改性施工范圍內(nèi)深度為0～30 cm和30～60 cm的土體經(jīng)改性處理后膨脹土改為非膨脹土、土體強(qiáng)度增強(qiáng),水穩(wěn)性好,改性后的路基、邊坡穩(wěn)定,改良效果較好[10]。處理完成后的基面如圖1所示。

5 CMA改性劑處理膨脹土的優(yōu)點(diǎn)

(1)工環(huán)保性:其CMA生態(tài)改性劑pH 值6～7,無毒、無腐蝕、不易燃易爆,無污染,屬生態(tài)環(huán)保產(chǎn)品。

圖1 處理完成后的基底面

(2)生態(tài)環(huán)境保護(hù):改性后的土體能種植灌木和花草,具有綠化美化環(huán)境的功能,滿足水土保持,對(duì)高鐵運(yùn)營具有消聲斂光等特點(diǎn)。

(3)經(jīng)濟(jì)適用:能按不同的土體配制,適合強(qiáng)、中、弱各種類型膨脹土的改性處理,改性后的邊坡,可按正常土質(zhì)邊坡坡率施工,節(jié)約用地,減少挖方量,工程造價(jià)低。

(4)施工方便:施工簡單,工期短,施工進(jìn)度快,可多組同時(shí)施工,平行流水作業(yè)。

(5)處理效果顯著:經(jīng)過現(xiàn)場對(duì)比試驗(yàn),經(jīng)處理后的膨脹土體可塑性指標(biāo)有明顯改善,黏粒和膠粒的含量明顯下降,表層30 cm范圍內(nèi)有荷膨脹率為0,降低膨脹土的膨脹力。

6 結(jié)語

通過CMA改性劑改良膨脹土在石武鐵路客運(yùn)專線膨脹土路基施工中的應(yīng)用實(shí)踐,使用CMA改性劑改良膨脹土,具有生態(tài)環(huán)保、經(jīng)濟(jì)適用、施工操作簡單、施工速度快的特點(diǎn),實(shí)踐證明,膨脹土路基改良后的效果明顯。在今后鐵路客運(yùn)專線膨脹土路基施工中,值得借鑒和推廣。

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