生石灰改良膨脹土路基的應用效果探討

朱宏濤

中鐵十八局集團第三工程有限公司 河北 涿州 072750

在經(jīng)濟社會快速發(fā)展的時代，我國也在基礎建設工程中遭遇了越來越多膨脹土危害的影響。為盡量規(guī)避膨脹土對鐵路路基工程的不利影響，同時考慮到工程施工的便利性與經(jīng)濟性，國內(nèi)外通常選擇用生石灰對膨脹土性質(zhì)進行改良，進而得到滿足要求的路基土。因此，探究生石灰改良膨脹土在鐵路路基中的應用對當今鐵路基礎工程的發(fā)展意義重大[1]。

19世紀初，工程師與研究人員逐步認識到膨脹土對工程項目的危害，而后有關(guān)膨脹土規(guī)范的條則被逐步列入相關(guān)規(guī)范。

20世紀50年代，我國首次在鐵路修建過程中遭受膨脹土的危害，而后越來越多的科學家、研究者從各種角度對膨脹土的工程影響展開了研究。

秦朝輝[2]以某鐵路工程項目為研究背景，對原狀膨脹土的各種性質(zhì)進行試驗研究，探究了其強度、變形及力學特性與環(huán)境、時間和工程特點等因素的關(guān)系。

張魯軍[3]通過分析我國西南部某膨脹土鐵路路段的生石灰改良土特性，提出鐵路路段路基土的改良方案，為該工程建設提供了一定的依據(jù)。

譚松林等[4]進一步試驗研究了生石灰改良膨脹土的膨脹率、塑性指數(shù)和相關(guān)強度等性質(zhì)，為國內(nèi)許多類似工程提供了大量可靠的數(shù)據(jù)參考。

目前，大多數(shù)研究[5]僅針對膨脹土本身對鐵路路基的危害影響，對生石灰改良膨脹土的各種指標是否滿足工程規(guī)范要求的相關(guān)研究則相對缺乏。本文以我國西南部地區(qū)某鐵路路基工程某膨脹土路段的生石灰改良為背景，設計室內(nèi)擊實試驗、加州承載比試驗及脹縮性試驗，得到其在相應條件下的最佳含水率、最大干密度、承載比RCB值和膨脹量，進而對生石灰在鐵路地基膨脹土中的改良效果進行評估，希望能為我國鐵路路基工程的安全建設提供一定的幫助。

1 工程概況與試驗設計

1.1 工程概況

本次試驗工程背景為我國西南地區(qū)某鐵路通道骨干線路某路段，該設計路段全長逾270 km。所處地區(qū)地貌單元復雜，橫跨高原、盆地及其過渡區(qū)山地，其中某盆地區(qū)內(nèi)沿線分布大量膨脹土路段。膨脹土性質(zhì)較為特殊，對鐵路環(huán)境的濕度、溫度、壓力等因素反應敏感，環(huán)境因素改變時極易產(chǎn)生吸水膨脹、風化干裂和卸荷張裂等不良現(xiàn)象，因而會對鐵道路基造成極大危害。

1.2 試驗設計

為探究生石灰改良膨脹土在鐵路路基中的應用效果，設計了室內(nèi)擊實試驗、加州承載比試驗及脹縮性試驗。試驗相關(guān)要點及重要環(huán)節(jié)如下所述，詳細步驟參考相關(guān)試驗標準[6-7]。

1）生石灰改良膨脹土室內(nèi)擊實試驗：采用干法擊實，取原狀土除雜后與三級及以上石灰，按生石灰∶干土=5∶100的配比（每100 g干土加5 g石灰）進行均勻混合；而后制取5個不同含水率的試樣500 g（17%～18%、19%～20%、21%～22%、23%～24%、25%～26%，試樣編號為A-1—A-5），并使其濕潤均勻；置于擊實筒內(nèi)后，按照試驗規(guī)定進行擊實（擊實錘重 4.5 kg，落距45 cm，分5層擊實，每層擊數(shù)27次）；不同含水率擊實試驗完成后，取2個試樣中心樣品并測定其含水率。

2）生石灰改良膨脹土加州承載比試驗：將原狀土去雜加石灰（以上配比）處理后，按上步擊實試驗所得最佳含水率配方制備加州承載比試件，通過設置不同的擊實次數(shù)（30、50、98次，試樣編號B-1—B-3）來控制試樣在不同的干密度條件下RCB值的變化，并進行貫入試驗（45 N荷載、1.00～1.25 mm/min貫入速度），實時記錄各個百分表讀數(shù)，進而算出RCB值。

3）生石灰改良膨脹土脹縮性試驗：將原狀土去雜加石灰（以上配比）處理后，以上步擊實試驗所得最佳含水率配方按照重型擊實方法制樣（擊實次數(shù)30、50、98次，試樣編號C-1—C-3），進而進行膨脹試驗，注意控制槽內(nèi)水應高于試件頂面大約25 mm，浸泡時間為4 d，并讀取記錄對應試樣的初始值與終值，而后計算出膨脹量。

2 試驗結(jié)果分析

為探究生石灰改良膨脹土在環(huán)境因素變化下對鐵路路基的影響，設置以上試驗測定生石灰改良膨脹土的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)處理得到相關(guān)評價指標，與相關(guān)工程規(guī)范對比來驗證鐵路地基是否滿足工程標準要求。本文引入最佳含水率、最大干密度、加州承載比RCB值和膨脹量作為評價指標來體現(xiàn)生石灰改良膨脹土的應用效果，其相關(guān)分析如下。

2.1 生石灰改良膨脹土的最大干密度與最優(yōu)含水率

在鐵路路基工程的建設過程中，路基的承載力和強度是否達標是至關(guān)重要的一環(huán)。為驗證經(jīng)生石灰改良后的膨脹土能否滿足強度和承載力要求，通常我們將最優(yōu)含水率時的最大干密度作為一個中間指標，結(jié)合相關(guān)公路土工試驗規(guī)程來進行初步評判。在進行的干法擊實試驗中，通過預定的幾組不同含水率的試樣來探究其最優(yōu)含水率下的最大干密度（圖1）。圖1中的最終試驗數(shù)據(jù)顯示：在含水率從17.2%升至21.3%這個階段，干密度與含水率基本呈正相關(guān)關(guān)系，且干密度逐漸增大至1.65 g/cm3；而隨著含水率的繼續(xù)增大，干密度則呈逐漸減小的趨勢，直至含水率達到26.1%時，干密度降至1.57 g/cm3。

圖1 生石灰改良膨脹土含水率與干密度關(guān)系曲線

分析含水率與干密度的變化規(guī)律，其內(nèi)因在于：在含水率到達最優(yōu)含水率之前，土顆粒間隙隨著含水率的增加（有潤滑作用）而減小，因而干密度逐漸增大；而當含水率超過最優(yōu)含水率之后，過多的水充斥在土顆粒間隙之間，因而干密度逐漸減小。

2.2 生石灰改良膨脹土的加州承載比

加州承載比試驗作為發(fā)達國家認可度較高的一種評價土基承載力的強度指標[8]，是生石灰改良膨脹土綜合質(zhì)量評價的一個關(guān)鍵指標（圖2）。

圖2 不同擊實次數(shù)下單位壓力與貫入量關(guān)系曲線

由圖2可知，在3種不同擊實試驗的條件下（每層30、50、98次），單位壓力對貫入量的影響規(guī)律大致相同：隨著單位壓力的逐步提升，貫入量也相應增大，且單位壓力越高，貫入量的提升趨勢也越來越快。在3組不同試驗條件下，當選定貫入量為2.5 mm時，其對應的RCB值為7.8%、10.5%、11.7%；而當選定貫入量為5.0 mm時，其對應的RCB值為7.0%、10.2%、10.8%。

在3組不同試驗條件下，RCB值隨干密度的變化關(guān)系曲線（圖3）中，無論貫入量是2.5 mm還是5.0 mm，對應的RCB值都隨擊實次數(shù)的增加而增大，同時，同情況下貫入量2.5 mm對應的RCB值始終大于貫入量5.0 mm的RCB值。參考相應土基規(guī)范，3種情況下的RCB值均滿足路基填土的基本標準。

2.3 生石灰改良膨脹土的脹縮性

膨脹土會受路基周圍環(huán)境的影響，吸水膨脹而使土的體積大幅增大，進而影響地基的承載能力；而周圍環(huán)境水分減少時土體會發(fā)生收縮，很可能造成承載力喪失等嚴重的工程質(zhì)量問題[9]。因此，對于生石灰改良膨脹土的質(zhì)量，膨脹性指數(shù)是尤為重要的指標。

根據(jù)膨脹試驗數(shù)據(jù)（表1），用相關(guān)的計算公式算出膨脹量分別為3.28%、2.78%、1.81%，進而做出圖4膨脹量隨干密度的變化關(guān)系曲線。

表1 膨脹試驗數(shù)據(jù)

圖3 承載比（RCB值）在不同擊實次數(shù)下隨干密度的變化關(guān)系

圖4 膨脹量隨干密度的變化關(guān)系曲線

結(jié)合表1與圖4可以得知，擊實次數(shù)的增加可使生石灰改良膨脹土更加密實，干密度更大，但隨著干密度增大，試樣在泡水后膨脹的程度也越大。從圖4中的折線看出，干密度與膨脹量的關(guān)系基本呈線性增加趨勢。

3 結(jié)語

通過室內(nèi)擊實試驗、加州承載比試驗及脹縮性試驗，得到生石灰改良膨脹土在相應條件下的最佳含水率、最大干密度、RCB值和膨脹量，深入探討了生石灰改良膨脹土的可行性與工程應用情況，并得出以下結(jié)論：

1）在超過最優(yōu)含水率之后，隨著含水率的繼續(xù)增加，干密度呈減小趨勢?？傮w上，含水率與干密度的變化關(guān)系曲線呈拋物線形。

2）單位壓力對貫入量的影響規(guī)律均為隨單位壓力增加，貫入量呈加速度增加的趨勢。而擊實次數(shù)越多，改良的膨脹土干密度越大。

3）在生石灰改良膨脹土的膨脹性試驗中，生石灰改良膨脹土的膨脹量均較低，且隨著每層擊實次數(shù)（30、50、98次）的增加，其干密度在隨之增大的同時，試樣吸水膨脹的程度也呈線性趨勢逐步增加。