膨脹土脹縮機理及其改良措施

■王江琛 ■中鐵武漢勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430000

1 概況

宜昌紫云地方鐵路枝江至云池段鐵路線位于枝江紫荊嶺和宜昌猇亭區(qū)之間，為江漢平原西緣，丘陵與平原的過渡地帶，由低丘或坡度較緩、連綿不斷的長江高階地經長期風化、剝蝕和切割而成，為低丘壟崗和長江Ⅰ級階地地貌。低丘壟崗地段廣泛分布有第四系中、上更新沖洪積黏性土，具弱-中等膨脹性，遇水膨脹，失水收縮。全線膨脹土地段總長約10．41km，占線路總長44．7%。

表1 沿線膨脹土分布范圍一覽表

膨脹土對線路路基影響較大，因此，當膨脹土作為路基填料時，需進行改良整治，避免路基病害的發(fā)生。

2 工程地質特征

2．1 地形地貌

該膨脹性黏土分布地段為紫云地方鐵路長江的二、三級階地及高級階地與幕阜山北麓之間的丘陵。高級階地經剝蝕呈壟崗地形，殘丘土崗和寬闊的坳溝相間排列，自然坡度平緩，具有典型的膨脹土地區(qū)地貌特征。

2．2 巖土物理力學性質

沿線分布的膨脹性黏土為第四系中、上更新統(tǒng)(Q2～3)地層，以沖積、洪積為主，主要為黃色、棕紅色間灰白色網紋狀黏土，含較多黑色鐵錳結核及銹斑，層厚10～30米。自由膨脹率42～57%，蒙脫石含量7．24～16．3%，陽離子交換量 CEC(NH+4)183～256mmol/kg。其中在DK2+475～DK4+330段，取土樣試驗結果如下表:

表2 物理力學性質指標

根據《鐵路工程巖土分類標準》(TB10077-2001 J123-2001)中對膨脹土按自由膨脹率FS、蒙脫石含量M、陽離子交換量CEC(NH+4)等膨脹潛勢指標分級，判定紫云鐵路分布的老黏土屬弱膨脹土。

2．3 水文及氣象特征

沿線湖塘散布、水系發(fā)育。上部地層中的地下水主要是孔隙潛水，水位和水量受大氣降水影響。

沿線屬亞熱帶季風區(qū)，處在北溫帶和亞熱帶過渡地帶，夏季炎熱多雨，冬季低溫少雨，秋溫高于春溫，春雨多于秋雨，春秋較長，年平均降雨量1213mm。大氣急劇影響深度為1．2～1．5m。

3 膨脹土的脹縮機理及其影響因素

3．1 膨脹土的脹縮機理分析

黏性土中細微顆粒間并不直接接觸，而是通過各自的水化膜彼此連接。膨脹土中的黏粒主要是蒙脫石、伊利石等強親水性礦物，當水滲入土體后，極性水分子被吸附在黏土礦物顆粒的周圍，形成表面結合水(水化膜)，由于水膜擴散層加厚，使固體顆粒之間的距離增大，從而導致土體積產生膨脹。當介質條件發(fā)生改變，使土體中的結合水膜變薄或消失時，粒間距離縮小，從而導致土體積縮小。土顆粒與水溶液發(fā)生離子交換作用，容易引起土體顆粒之間的聯系被破壞，造成土體強度降低。［1］

綜上所述，膨脹土體濕度的變化，引起土顆粒間水化膜厚度變化，導致土體積的脹縮。此即為膨脹土脹縮機理的實質和核心。

3．2 膨脹土脹縮性的影響因素

由以上分析可知，膨脹土的脹縮性與礦物成分、膠粒含量以及吸附的陽離子種類等因素有著直接的關系。土體的礦物成分和大氣降雨和蒸發(fā)等是膨脹土脹縮性影響的最主要因素。

(1)土體的礦物組成、化學成分及內部結構，均對其脹縮性產生影響。蒙脫石的離子交換量、比表面積均較大，這樣極性水分子最容易進入其單位晶層間，形成水膜夾層，產生晶格擴張。由此可知，蒙脫石含量是影響膨脹土脹縮性的主要內在因素。

(2)土體的初始含水量也是其膨脹性的影響因素。試驗證明:土體的初始含水量越低，浸水后產生的膨脹量和膨脹力就越大;反之，則越小。

(3)土體的脹縮變形是由于土中濕度狀況變化的結果，而促使土的濕度發(fā)生改變的氣候諸因素，都是造成土體發(fā)生體變的誘發(fā)因素。

4 整治改良措施

4．1 生石灰對膨脹土的改良機理［2］

石灰是一種較為普遍而又經濟的建筑材料，被廣泛應用到地基土處理和改良中。將生石灰摻合到膨脹土中后，產生一系列的物理-化學反應，即所謂的灰土作用。即空氣和水中溶解的CO2由混合料的孔隙滲入土體，生石灰遇水生成的Ca(OH)2，經過碳酸化作用形成Ca-CO3，而具有較高的強度和水穩(wěn)性，它對土顆粒的膠結作用使得土的強度得到提高。

CaO+H2O→Ca(OH)2Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

灰土作用的強度是生石灰改良膨脹土的關鍵所在。大氣和雨水中的CO2通過孔隙滲入到土體，經過碳酸化作用形成CaCO3是一個緩慢的過程，故改良土從初始強度到后期強度形成，需要一定的時間:初始強度形成→水穩(wěn)性提高→灰土強度的延續(xù)→后期強度形成。

4．2 石灰對膨脹土的改良效果［3］

4．2．1 石灰對膨脹土脹縮性的改良

將不同配合比的石灰土(生石灰與土的干重比)進行自由膨脹率試驗，試驗結果見表3和圖1。

表3 不同摻灰量石灰土的自由膨脹率

圖1 不同配合比灰土的自由膨脹率Fs

試驗結果表明，摻入石灰的膨脹土較天然土樣的自由膨脹率急劇降低。隨石灰含量的增加而減小的趨勢是由陡到緩。

4．2．2 灰土強度的提高

對摻入石灰比例為0%、3%、5%、7%、9%、12%、15%的石灰土試樣均在含水量為26%左右條件下保水養(yǎng)護3天和28天后，其無側限抗壓強度試驗結果如表4和圖2:

表4 不同灰土比的無側限抗壓強度

試驗結果表明，石灰土的擊實樣比天然土樣的無側限抗壓強提高了2．5～9倍，提高后的強度已能滿足鐵路路基床基的強度要求。

從圖2可以直觀地發(fā)現，兩種情況下，都是摻入石灰量為5%的無側限抗壓強最大，而摻入石灰量為3%、7%、9%、12%、15%的較之均小。這一特點在兩種養(yǎng)護方法中均有不同程度的體現。

圖2 不同養(yǎng)護時間灰土的無側限抗壓強度

養(yǎng)護時間為3天和28天的強度不同，則反映了灰土從初期強度到后續(xù)強度的形成。養(yǎng)護3天時，只是灰土初期強度形成，因而強度較低;而灰土后期強度一般需在3～4周后才能形成，故養(yǎng)護28天后，灰土的強度大幅度提高。

綜合考慮摻入生石灰量對膨脹性改善和強度提高的影響，5%～7%的配合比是最佳配合比的參考值。

4．3 改良土施工質量的控制

膨脹土中加入生石灰不僅能顯著降低膨脹土的脹縮性，還可以提高膨脹土的強度，增強基床土水穩(wěn)性。在施工過程中，要嚴把質量關，嚴格按配合比進行拌和，將混合料的含水量控制在最優(yōu)含水量值上下，嚴格按程序施工。

為保證生石灰與膨脹土拌和的均勻性，改良土拌和前應首先對原填料進行粉碎、清除雜質，測含水量等工作，原填料在路基上攤鋪后，各項要求達到后，按5% ～7%的比例摻入石灰粉，用旋耕犁拌和均勻，使混合料色澤一致，沒有灰條、灰團和花面，且水分合適均勻，每層壓實厚度為30～40cm。每兩層結合部位進行拉毛處理，以加強上下層的黏結。

改良土填筑應采用重型機械碾壓，碾壓到一定程度后，噴水養(yǎng)護，再碾壓，同時配合使用核子密度儀、K30載荷板、輕型動力觸探等手段檢測，直到填土達到最佳密實度的90%以上;對于既有線應分段換填處理，采用小型機械夯實，并且特別注意路肩部分碾壓質量。

5 結語

(1)隨著鐵路運輸的發(fā)展，新建鐵路等級愈來愈高，特殊土路基的勘察、設計、施工應引起足夠的重視。

(2)利用生石灰改良膨脹土時，生石灰的最佳摻入量與膨脹土的礦物成分及其含量有關，必須通過試驗確定其配合比。改良深度應根據膨脹土的等級及大氣影響深度等因素確定，具體情況具體分析。

(3)本文僅就利用生石灰改良膨脹土路基基床進行了粗淺的探討，在實際工程中，應根據膨脹土的礦物成分、膨脹潛勢等級、大氣影響深度等因素綜合分析，配合使用土工材料，采用綜合措施，方能取得較好的效果。

［1］繆林昌．膨脹土的強度與含水量的關系．巖土力學，1999，20(2)．

［2］惠會清．石灰、粉煤灰改良膨脹土性質機理．長安大學學報自然科學版，2006，(2):34-37．

［3］邊加敏．石灰改良膨脹土強度試驗．長安大學學報自然科學版，2013，(2)．