南廣高鐵膨脹土路基水泥及石灰改良試驗(yàn)研究

王曉燕

摘要： 新建南寧至廣州鐵路沿線廣泛分布有中、弱膨脹土，為減少借土及棄土數(shù)量，以保護(hù)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境和控制工程造價(jià)，擬對(duì)膨脹土進(jìn)行化學(xué)改良后用作路基基床以下路堤的填筑。本項(xiàng)目進(jìn)行了一系列采用石灰及水泥作為摻和劑進(jìn)行膨脹土改良的試驗(yàn)及研究，并以試驗(yàn)研究的結(jié)果作為依據(jù)，創(chuàng)新地采用6%石灰+2%水泥對(duì)膨脹土進(jìn)行化學(xué)改良的方案，為膨脹土化學(xué)改良的方法提供了新的思路。

Abstract： Medium and weak expansive soil is widely distributed along the New Nanning-Guangzhou Railway. In order to reduce the amount of soil borrowing and spoil and protect the local natural environment and control the project cost， the expansive soil is improved as the roadbed filler. In this project， a series of experiments and studies on the improvement of expansive soils using lime and cement as blending agents were carried out. Based on the results of the experimental study， 6% lime and 2% cement was used to chemically improve the expansive soil， which provide a new way of thinking for the expansion of soil chemical improvement method.

關(guān)鍵詞： 高鐵；膨脹土；化學(xué)改良；試驗(yàn)研究；路基填料

Key words： high-speed railway；expansive soil；chemical modification；experimental study；roadbed filler

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）21-0114-03

0 引言

膨脹土在我國(guó)分布較為廣泛，膨脹土作為一種特殊的高塑性黏性土，具有對(duì)含水量變化非常敏感的特性，即遇水時(shí)產(chǎn)生很大的膨脹率，少水則干縮。因其在自然環(huán)境下含水量往復(fù)變化，導(dǎo)致土體體積反復(fù)收縮及膨脹，無(wú)疑對(duì)建設(shè)在膨脹土上的建筑物及由其本身構(gòu)成的路基及邊坡等構(gòu)造物造成極大的破壞性影響，其工程地質(zhì)條件非常差。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，鐵路、公路等基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模迅猛增漲，隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)重視程度的提高及工程造價(jià)控制方面的考慮，往往要求將膨脹土改良后作為路基及場(chǎng)坪等的回填填料。因此，研究膨脹土的改良問(wèn)題具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

新建鐵路南寧至廣州線NGZQ-3標(biāo)段包括正線（起訖里程為DIKO+OOO～DK44+000，總長(zhǎng)44km。）及柳廣上下行聯(lián)絡(luò)線（單線合計(jì)總長(zhǎng)12.466km），本標(biāo)段位于廣西省賓陽(yáng)縣、貴港市境內(nèi)，標(biāo)段所在地膨脹土多有發(fā)育，設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)勘察資料表明，標(biāo)段內(nèi)共有23.5km（單線長(zhǎng)度）建于膨脹土地基上，涉及膨脹土的挖方量約為26萬(wàn)立方?？紤]大量的棄方及借土?xí)?duì)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境造成巨大的破壞，本項(xiàng)目決定對(duì)膨脹土進(jìn)行化學(xué)改良后用于基床以下路基的填筑。

南寧至廣州鐵路列車行駛整速度為250km/h，其對(duì)路基的穩(wěn)定性、工后沉降及承載能力要求非常高。因此，需采取有效措施進(jìn)行膨脹土的改良，以確保達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范所規(guī)定的質(zhì)量要求。

2 判別是否為膨脹土及分類

2.1 判別膨脹土的依據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)

進(jìn)行路基施工前需采取一定的技術(shù)手段以判別路塹是否為膨脹土，并進(jìn)行科學(xué)分類，以便依據(jù)類別采取相應(yīng)的技術(shù)措施進(jìn)行改良，確保消除膨脹土的危害性，同時(shí)將造價(jià)控制在合理水平內(nèi)。

由鐵路總公司制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——《鐵路工程地質(zhì)膨脹土勘查規(guī)程》（TB 10038-2012）的規(guī)定。判別膨脹土按初判和詳判兩個(gè)步驟進(jìn)行。初判時(shí)，如果環(huán)境地貌、土質(zhì)特征、土體顏色、土體結(jié)構(gòu)及自然地質(zhì)現(xiàn)象等各方面與膨脹土所具有的特性相符，且其自由膨脹率（Fs）大于等于40%，液限大于等于40%時(shí)，可初步判定為膨脹土。

詳判則是通過(guò)自由膨脹率、蒙脫石含量與陽(yáng)離子交換量等3大指標(biāo)進(jìn)行判定及分級(jí)。詳判時(shí)按膨脹潛勢(shì)進(jìn)行膨脹土分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

2.2 膨脹土判別結(jié)果

選擇了DK18+137～+552節(jié)段路塹挖方的膨脹土作為本次的研究對(duì)象。經(jīng)初判，本段路塹土地質(zhì)為膨脹土，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取土樣進(jìn)行試驗(yàn)，其典型斷面DK18+360膨脹土主要的物理及力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2所示。

從表2結(jié)果能夠看出，該土樣有較高的自由膨脹率和陽(yáng)離子交換量，液限超過(guò)40%，按表1的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該土樣判定為中等膨脹土，需采取相應(yīng)技術(shù)措施進(jìn)行有效改良后方可用作路基基床以下填料。

3 膨脹土改良措施的選擇

膨脹土改良方法按其原理的不同，主要分為物理方法、化學(xué)方法與生物方法。目前我國(guó)對(duì)于采用生物方法進(jìn)行膨脹土改良的研究及應(yīng)用較少，方法尚未成熟，故本項(xiàng)目不作考慮。物理方法改良膨脹土的技術(shù)方法比較多，但分別存在改良不夠徹底、造價(jià)高、施工難度大或運(yùn)營(yíng)期間保護(hù)結(jié)構(gòu)易遇破壞而失效等種種問(wèn)題。因此，本項(xiàng)目主要從化學(xué)改良中進(jìn)行技術(shù)方法的選擇。

考慮到本項(xiàng)目所在地廣西的水泥及石灰產(chǎn)量豐富，價(jià)格便宜，擬分別采用水泥及石灰進(jìn)行膨脹土的改良試驗(yàn)，然后再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制定具體的改良方案。

4 水泥及石灰改良膨脹土試驗(yàn)研究的結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)采用水泥和石灰改良膨脹土作為研究對(duì)象，對(duì)不同水泥和石灰摻量改良膨脹土的效果進(jìn)行試驗(yàn)研究。

水泥采用在貴港當(dāng)?shù)亟◤S生產(chǎn)的海螺牌水泥。試驗(yàn)采用4%、6%、8%、10%的水泥摻量改良膨脹土。

石灰采用貴港地區(qū)最大的一家石灰生產(chǎn)供應(yīng)廠。試驗(yàn)采用4%、6%、8%、10%的石灰摻量改良膨脹土。

通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行脹縮性試驗(yàn)、承載比CBR試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)等來(lái)評(píng)價(jià)改良效果。

4.1 水泥及石灰摻量對(duì)膨脹土強(qiáng)度的影響

本次試驗(yàn)中，試樣制備、試驗(yàn)操作過(guò)程均按《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》（TB0102-2010）進(jìn)行，試樣強(qiáng)度分析指標(biāo)采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力。結(jié)果如圖1、2、3所示。

由圖1可以看出，膨脹土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻入量的增加而增強(qiáng)。但無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加值隨著水泥的摻入量增加呈由大變小的趨勢(shì)，水泥摻入量超過(guò)8%后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)已不明顯，對(duì)于改善無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)而言，建議的水泥摻入量為8%。

由圖1可以看出，起初，膨脹土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著石灰摻入量的增加而增強(qiáng)，但在石灰摻入量為8%時(shí)達(dá)到峰值，對(duì)于改善無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)而言，建議的石灰摻入量為8%。

圖1曲線形狀表明，在相同摻入量的情況下，水泥對(duì)增強(qiáng)膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的效果要較石灰明顯。

從圖2可以看出，膨脹土內(nèi)摩擦角隨著水泥或石灰摻入量的增加而增大，但是水泥或石灰摻入量超過(guò)8%后，膨脹土內(nèi)摩擦角的變化值隨摻量的增加值趨緩。改善膨脹土自由膨脹率的建議水泥和石灰摻入量均為8%。

圖2曲線形狀表明，在相同摻入量的情況下，水泥對(duì)降低膨脹土自由膨脹率的效果要較石灰明顯。

由圖3可以看出，膨脹土承載比CBR值隨著水泥摻入量的增加而增大，但隨著水泥的摻入量增大值呈由大變小的趨勢(shì)，水泥摻入量超過(guò)6%后，承載比CBR增加值已不明顯，對(duì)于改善承載比CBR指標(biāo)而言，建議的水泥摻入量為6%。

由圖3可以看出，起初，膨脹土承載比CBR值隨著石灰摻入量的增加而增大，但在石灰摻入量為8%時(shí)達(dá)到峰值，對(duì)于提高承載比CBR指標(biāo)值而言，建議的石灰摻入量為8%。

圖3曲線形狀表明，在相同摻入量的情況下，水泥對(duì)增強(qiáng)膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的效果要較石灰明顯。

4.2 水泥和石灰摻量對(duì)脹縮性的影響

對(duì)試樣進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)，從圖4可以看出，膨脹土自由膨脹率隨著水泥或石灰的摻入量的增加而減少，摻量達(dá)到6%時(shí)，試樣的自由膨脹率已小于40%，已有效解決了膨脹土的膨脹性問(wèn)題。當(dāng)是水泥或石灰摻入量超過(guò)8%后，膨脹土自由膨脹率的減少值隨摻量的增加變化不大。故改善膨脹土自由膨脹率較佳的水泥和石灰摻入量均為8%。

圖4曲線形狀表明，在相同摻入量的情況下，石灰對(duì)降低膨脹土的自由膨脹率的效果要較水泥明顯。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工膨脹改良配合比

從試驗(yàn)研究中可以得知，對(duì)于提高膨脹土強(qiáng)度的效果而言，摻入水泥要較摻入石灰更為有效。而對(duì)于改善膨脹土膨脹性的效果而言，而是摻入石灰為更佳。

本項(xiàng)目在該段路基現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工時(shí)，充分考慮試驗(yàn)結(jié)果，決定綜合利用水泥及石灰在改善膨脹土?xí)r對(duì)相同試驗(yàn)指標(biāo)的不同作用和效果，發(fā)揮各自長(zhǎng)處，采取摻入6%石灰+2%水泥進(jìn)行膨脹土的改良。采用較大石灰摻入量以達(dá)到本次研究的關(guān)鍵目的——降低膨脹土的膨脹，同時(shí)又摻入2%水泥以使改良后的膨脹土達(dá)到較高的強(qiáng)度值，從而使膨脹土路基質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。

采用6%石灰+2%水泥進(jìn)行膨脹土的改良后的膨脹土后，其主要的物理及力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表3所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

①對(duì)膨脹土進(jìn)行改良后用于鐵路路基填筑，可減少大量的棄方及借土，不僅利于環(huán)境保護(hù)，同時(shí)也能顯著降低工程造價(jià)，是類似工程的建設(shè)們應(yīng)考慮的方向。②在以往項(xiàng)目施工中，往往僅是采用石灰和水泥中的一種進(jìn)行膨脹土的改良，本項(xiàng)目創(chuàng)造性地采用了同時(shí)摻加石灰和水泥對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，使兩種不同摻和劑起到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的作用，施工實(shí)踐證明，對(duì)降低膨脹土的膨脹性及提高土體承載強(qiáng)度方面較僅摻單一的摻和劑起到更好的效果。③由于施工現(xiàn)場(chǎng)的土塊粉碎、混和料拌和及后期的養(yǎng)護(hù)均難達(dá)到室內(nèi)試驗(yàn)的理想條件，故現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，石灰及水泥的摻入量均提高了0.5%。

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