改良土填筑路基國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　1　路基填料的基本要求
　　鐵路對路基填料的基本要求是：(1)壓縮沉降能夠很快完成，(2)在列車動荷載和路基自重荷載作用下能夠保持長期穩(wěn)定；(3)其物理力學(xué)特性不易受其它因素(地震、水、溫度等)影響路基穩(wěn)定的變化。
　　針對膨脹土路基填料的處理，充分考慮以下幾個方面的問題：(1)從根本上改變膨脹土的性質(zhì)；(2)操作方便、經(jīng)濟(jì)、施工簡單；(3)要求改性材料比較易購買用于改性處理；(4)在實踐中便于大量的推廣使用。
　　2　國內(nèi)外現(xiàn)狀
　　自上20世紀(jì)60年代以來，膨脹土研究在生產(chǎn)實踐中受到廣泛重視，已經(jīng)從一個國家和地區(qū)的研究，逐漸演變成為世界性的共同課題。經(jīng)過幾十年的技術(shù)積累，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們從膨脹土的定性膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)、分類、膨脹土填料改良、周圍環(huán)境的影響及膨脹土的本構(gòu)模型、物理力學(xué)性質(zhì)的影響、膨脹土地基處理等方面出發(fā)，做了大量富有成效的工作，為今后的研究工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。
　　自20世紀(jì)50年代以來，我國在修建成渝鐵路工程中，首次遇到成都粘土膨脹問題，從那時開始拉開了我國研究膨脹土的序幕。到20世紀(jì)60年代，我國已經(jīng)著手制定膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范。
　　在膨脹土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，首要任務(wù)必須正確區(qū)分膨脹土與非膨脹土，準(zhǔn)確劃分膨脹土的類別與等級，然后再確定建筑物設(shè)計原則及制訂相應(yīng)的工程措施。無論對土的脹縮性估計過高還是過低對工程均不利。然而，影響膨脹土性狀的因素復(fù)雜，影響膨脹土的脹縮等級因素眾多，這就需要綜合考慮才能正確反映問題的本質(zhì)。到目前為止，國內(nèi)外形成膨脹土的分類方法很多，所選擇的標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)也不相同，不同的研究人員提出了不同的標(biāo)準(zhǔn)，但其共同特點都是選用多個指標(biāo)進(jìn)行分類和分級，因而在工程實踐中操作較困難，分類或分級結(jié)果受不確定因素影響較大。如：自由膨脹率、最大脹縮性指標(biāo)法與脹縮總率分類法、規(guī)范法、多元線性函數(shù)判別法等。傅鶴林、易順民等運用BP網(wǎng)絡(luò)對膨脹土判別與分類進(jìn)行研究，取得了一定成果，但BP網(wǎng)絡(luò)存在收斂速度慢、內(nèi)部結(jié)構(gòu)黑箱化、結(jié)果不便于應(yīng)用等缺點。呂海波等嘗試?yán)肧OM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)模糊綜合評判和BP網(wǎng)絡(luò)分類功能，利用其比模糊綜合評判更具學(xué)習(xí)功能、比BP網(wǎng)絡(luò)具有更透明的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點，對膨脹土進(jìn)行分類，為解決這一問題提供了一個較好的工具。
　　膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)是指在一定地質(zhì)條件和環(huán)境下，粒團(tuán)和土粒的排列方式、微裂隙大小、數(shù)量、空間分布、形狀、接觸與連接方式及充填情況以等所表現(xiàn)的特征。膨脹土的力學(xué)性質(zhì)實質(zhì)受控于土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，土體力學(xué)性質(zhì)所顯示出的不規(guī)則性、不確定性和模糊性是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的具體反映。用抑制其脹縮性，采取改良膨脹土的工程性質(zhì)是巖土工程中常用的方法，但對于其摻合以及機(jī)理量的確定，過去因為技術(shù)的限制，多采用力學(xué)和化學(xué)的方法做過較多的研究，而對于改性機(jī)理以及膨脹土摻加改性材料前后的微觀結(jié)構(gòu)的變化一直不是十分清楚。基于顆粒排列型式的研究，賈東亮等定性分析了擊實膨脹土在不同含水量下的結(jié)構(gòu)形式，發(fā)現(xiàn)邯鄲擊實膨脹土的微結(jié)構(gòu)在含水量較低時，表現(xiàn)為集粒結(jié)構(gòu)；施斌等提出了“顆粒分布分維”的概念，其可在整體上定量確定土粒的平面分布狀況，反映土顆粒的密實程度。在含水量較高時，趨于紊流結(jié)構(gòu)。定向性增強(qiáng)，他同時利用Matlab數(shù)字圖形處理工具，以分形幾何理論為基礎(chǔ)，結(jié)合像素的概念，采用小波包對掃描電鏡獲得的圖像進(jìn)行噪聲消除通過編程進(jìn)行運算，以定量化方式研究擊實土樣的顆粒排列型式，并分析了含水量對顆粒分布分維的影響。發(fā)現(xiàn)含水量較低時，顆粒集團(tuán)化低，分維值較大，含水量較高時，顆粒集團(tuán)化高，分維值較小。張小平等利用ASAP-2010M表面吸附儀對膨脹土及其石灰改良土的膨脹性和微孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，他的研究結(jié)果表明：摻加石灰后膨脹土脹縮性減小的機(jī)理是由于比表面積減小，粘粒微孔孔徑的增大，親水性下降，粘粒的活動性及粘粒間連接力增大所致。孔徑的增大一方面為膨脹土的脹縮預(yù)留了空間，另一方面使土的比表面積減小，使得土體的脹縮性下降。楊洋等研究分析了廣西膨脹土的孔隙分布的分維。分析表明認(rèn)為，膨脹土全孔隙分布應(yīng)包括微孔隙(蒙脫石類礦物顆粒晶層之間的孔隙)、小孔隙(聚集體內(nèi)的粒間孔隙)和大孔隙(聚集體間的孔隙，還應(yīng)包括與聚集體量級相當(dāng)?shù)念w粒之間的孔隙和顆粒與聚集體之間的孔隙)的整個分布。導(dǎo)致工程問題的發(fā)生主要原因是由于水分子進(jìn)入或離開繁脫石類礦物晶層之間。在水勢梯度作用下，造成膨脹土土體的顯著膨脹或收縮，所以微孔隙的分布非常值得研究和重視。
　　原狀膨脹土具有三個基本工程性質(zhì)：裂隙性、脹縮性和超固結(jié)性。已有的膨脹土本構(gòu)模型主要是用于描述重塑膨脹土在干濕循環(huán)過程中的反復(fù)脹縮特性，是建立在時間軟化或應(yīng)變軟化基礎(chǔ)上的。如果用時間軟化代替真實的孔隙水入滲而引起的有效應(yīng)力降低，只能算是一種經(jīng)驗的辦法，假定屈服面隨應(yīng)變增大而縮小的應(yīng)變軟化模型也只是一種湊合的辦法，既缺乏理論上的嚴(yán)密性，也沒有深究真實的變形機(jī)理。再者，天然硬粘土的不均一性早已為大量的試驗和觀測所證實，因此，繼續(xù)把膨脹土當(dāng)作均一介質(zhì)是不合適的。同時由于制樣困難和人試驗條件所限，對于原狀膨脹土變形強(qiáng)度特性的三軸試驗資料積累的比較少，因而在已有的本構(gòu)模型中原狀膨脹土的變形特性并未得到較好反映。盧再華等對南陽原狀膨脹土進(jìn)行了三軸剪切試驗，考慮不同吸力下的不同因素。試驗結(jié)果表明在剪切過程中原狀膨脹土呈脆性破壞形式。軟弱面和原生裂隙是決定原狀膨脹土強(qiáng)度的主要因素。建議采用四屈服面彈塑性模型描述原狀膨脹土的剪脹剪縮特性和濕脹干縮特性。該改進(jìn)模型含參數(shù)14個，可由試驗確定，并都具有明確的物理意義；改進(jìn)模型對三軸排水剪切試驗的試驗與理論預(yù)測結(jié)果比較接近，可以反映重塑膨脹土的主要變形特性。沈珠江等在巖土破損力學(xué)的框架內(nèi)建立了一個適用于這類土的二元介質(zhì)模型，把二元介質(zhì)概念推廣應(yīng)用于超固結(jié)粘土中。Alonso(1999)提出的膨脹土由于微觀結(jié)構(gòu)的存在，因而模型的參數(shù)難以確定。曹雪山在對膨脹土的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研究了膨脹土的微觀變形機(jī)理。認(rèn)為膨脹土宏觀上的脹縮塑性變形是由兩部分塑性變形組成，一部分是宏觀結(jié)構(gòu)塑性變形，另一部分是微觀結(jié)構(gòu)層次中集聚體脹縮變形耦合后形成的微一宏觀結(jié)構(gòu)耦合變形。由此，該文改進(jìn)了膨脹土模型，利用宏觀結(jié)構(gòu)層次的微一宏觀結(jié)構(gòu)變形和參數(shù)耦合參數(shù)計算前部分變形，而后部分變形仍按低塑性非飽和土的彈塑性變形計算。
　　3　結(jié)語
　　在鐵路線路設(shè)計時，在滿足限制條件的情況下，一般追求填挖方基本平衡。假如某段線路穿越膨脹土地區(qū)，路塹余方因為不能直接填筑路基而棄用，則必須從外面借土填筑路基，取土、借土均將占用大量土地，給農(nóng)業(yè)和生態(tài)平衡帶來很大影響。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)蓬勃進(jìn)行，外借優(yōu)質(zhì)土料越來越困難，經(jīng)濟(jì)成本居高不下，特別是城市周邊，土地價值越來越高，取、棄土場及其生態(tài)恢復(fù)費用驚人；對外取、棄土，運距遠(yuǎn)，同時無疑將增加與地方的協(xié)調(diào)工作，給工程進(jìn)度帶來較大影響。所以從工程技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，如何選用較優(yōu)的填料，或者對填料采取一定的處置，防止路基病害，一直是鐵路路基設(shè)計施工中一個很重要的課