滬渝蓉高速鐵路合寧段路基膨脹土填料改良試驗研究

江濤

中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043

滬渝蓉高速鐵路合寧段主要位于安徽省東部，線路東銜接南京北站與南京南站，經(jīng)滁州市，向西至合肥樞紐合肥南站。合寧段沿線廣泛分布有第四系沖積、殘積粉質(zhì)黏土，黏土，黏粒含量較高，含有蒙脫石、伊利石等親水性礦物。滁河河谷區(qū)黏土層厚度約15～25 m，包公鎮(zhèn)至合肥樞紐段黏土層厚度約30～45 m，其余地段黏土層厚約1～15 m；低山丘陵區(qū)、剝蝕丘陵區(qū)、剝蝕殘丘區(qū)殘積粉質(zhì)黏土，一般厚度約0.5～5.0 m。根據(jù)膨脹性試驗結果，自由膨脹率為2%～100%，陽離子交換量為88.90～578.29 mmol/kg、蒙脫石含量為8.04%～45.03%，以弱～中等膨脹性為主。

天然狀態(tài)下膨脹土常處于較堅硬的狀態(tài)，對氣候溫度、水文條件等極為敏感，具有強親水性、強脹縮性、多裂隙性等缺點，對路基工程會產(chǎn)生較嚴重的危害，且這種危害具有反復性和長期潛在性，給工程實踐帶來很大的困難［1-5］。膨脹土吸水膨脹時將對路基結構物或上部軌道結構產(chǎn)生膨脹變形及膨脹力，失水收縮時對路基工后沉降產(chǎn)生影響。

膨脹土作為D組路基填料，宜采用石灰、水泥等進行改良，摻入量應根據(jù)試驗確定［6］。符策嶺等［7］通過石灰改良膨脹土在不同石灰摻量和養(yǎng)護齡期的一系列室內(nèi)試驗，建議石灰摻量為4%，養(yǎng)護齡期為7 d。劉曉義等［8］在滬漢蓉通道武康二線建設中，通過試驗研究揭示石灰改良膨脹土的抗剪強度與摻和比、養(yǎng)護齡期、壓實系數(shù)均呈正相關，且石灰改良土具有明顯的齡期效應。楊常所［9］認為天河機場附近膨脹土在摻入6%生石灰改良后可以作為無砟軌道鐵路路基本體的填料。張立偉等［10］通過試驗得出具有膨脹特性的泥質(zhì)砂巖最佳水泥摻量為6%。李同海［11］應用CMA生態(tài)改性劑改良膨脹土取得了一定效果。查甫生等［12］研究使用水泥石灰、石灰粉煤灰等改良劑來驗證膨脹土的改良效果。陳濤等［13］對石灰、水泥和粉煤灰的改良效果進行了對比分析。以上這些材料雖然取得了一些效果，但是考慮到應用較少，在高速鐵路建設中應慎重使用。

膨脹土改良雖然在安徽類似鐵路工程中有所應用，但系統(tǒng)的改良試驗研究積累有限，同時通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)水泥和石灰等材料在當?shù)厥袌鲋休^為充足。對于滬渝蓉高速鐵路合寧段的膨脹土，究竟采用水泥還是采用石灰改良，其摻入比如何控制是滬渝蓉高速鐵路合寧段路基設計和保障鐵路建設的關鍵問題之一。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

選取滬渝蓉高速鐵路合寧段合肥樞紐地區(qū)肥東至合肥站聯(lián)絡線SSDzK4+970為代表性取土場，取6組膨脹土土樣進行室內(nèi)試驗，土樣物理指標與化學指標見表1，土樣顆粒分析成果見表2。

表1 土樣物理指標與化學指標

表2 土樣顆粒分析成果

試驗選用的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥和熟石灰來自當?shù)厣a(chǎn)廠家。水泥和熟石灰外摻料的材料試驗結果見表3和表4。

表3 水泥性能指標

表4 熟石灰性能指標

1.2 試驗方法

對土樣分別采用水泥、熟石灰進行改良，水泥摻入比為3%、4%、5%，熟石灰摻入比為4%、5%、6%。對原土、水泥改良土、熟石灰改良土分別進行界限含水率試驗、顆粒分析、重型擊實試驗、飽和無側限抗壓強度試驗（7 d、14 d、28 d）、膨脹性試驗、壓縮試驗、直剪快剪試驗以及不固結不排水三軸試驗，進行系統(tǒng)的對比分析。采用TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規(guī)程》［14］中的試驗方法進行試驗。

依據(jù)TB 10001—2016《鐵路路基設計規(guī)范》［15］，鐵路路基基床及基床以下的壓實標準分別不小于0.93和0.90，因此本次試驗按照壓實系數(shù)0.93和0.90分級進行。

2 試驗結果與研究分析

2.1 重型擊實試驗

對原土、水泥改良土、熟石灰改良土進行重型擊實試驗，試驗結果見表5。

表5 重型擊實試驗成果

由表5可知：①和原土相比，水泥或熟石灰改良都使得土樣的最大干密度有所減少，而最優(yōu)含水率有所增加。②和水泥改良相比，熟石灰改良后土最大干密度下降得更多，最優(yōu)含水率也增加得更多。③無論水泥改良還是熟石灰改良，最大干密度都隨著摻入比的增大而減小，最優(yōu)含水率隨著摻入比的增大而增大。

在原土化學改良的過程中，膨脹土的離子交換等化學作用需要水分的參與，使得最優(yōu)含水率有所增大，而土粒結構重組后相對疏松，最大干密度有所降低。從重型擊實試驗的成果來看，熟石灰改良的效果更明顯，優(yōu)于水泥改良。

2.2 無側限抗壓強度試驗

對水泥改良土、熟石灰改良土進行7 d、14 d、28 d飽和無側限抗壓強度試驗，試驗結果見圖1。

圖1 不同改良土各齡期無側限抗壓強度

由圖1可知：①無論水泥改良還是熟石灰改良，隨著摻入比的增加，無側限抗壓強度都有明顯提高。②對于同一摻入比，養(yǎng)生齡期越長，無側限抗壓強度越大。③對于同一養(yǎng)生齡期，水泥改良后，壓實系數(shù)0.93時土的無側限抗壓強度大于壓實系數(shù)0.90時。④對于同一摻入比和同一養(yǎng)生齡期，熟石灰改良土的無側限抗壓強度大于水泥改良土，說明熟石灰改良優(yōu)于水泥改良。⑤無論水泥改良土還是熟石灰改良土，養(yǎng)護齡期7 d的無側限抗壓強度均大于350 kPa，符合規(guī)范要求，建議改良土養(yǎng)護齡期為7 d。

從以上分析可以看出，兩種改良土抵抗壓縮破壞的能力都有了不同程度的提高且熟石灰改良要優(yōu)于水泥改良。

2.3 膨脹性試驗

對不同土進行膨脹性試驗，測定不同摻入比、壓實系數(shù)情況下土的膨脹力、無荷膨脹率和有荷膨脹率。不同土的主要膨脹性指標見表6，膨脹力見圖2。

表6 不同土的膨脹性指標

圖2 不同摻入比、壓實系數(shù)時不同改良土的膨脹力

由表6、圖2可知：①原土摻入3%～5%的水泥后，膨脹力從42～50 kPa下降到21～41 kPa；無荷膨脹率從12.4%～14.6%下降到0.1%～0.6%；有荷膨脹率從1.9%～2.4%下降到0～0.2%，有荷膨脹率基本消除。②原土摻入4%～6%的熟石灰后，膨脹力從42～50 kPa下降到22～34 kPa；無荷膨脹率從12.4%～14.6%下降到0.1%～0.6%；有荷膨脹率從1.9%～2.4%下降到0～0.2%，有荷膨脹率基本消除。③水泥改良或者熟石灰改良在摻入比相同的情況下，均為壓實系數(shù)越大膨脹力越小。

從以上分析可以看出，經(jīng)過水泥改良或者熟石灰改良后，土的各項膨脹性指標都有了較大幅度的減小，水泥摻入比大于4%和熟石灰摻入比大于5%后，改良土膨脹性基本消失。

從機理上分析，熟石灰或水泥中的Ca2+、Mg2+等離子與膨脹土中的Na+、K+等離子進行了置換，從而原土的膨脹性大大消除，隨著置換反應的減弱，膨脹性指標維持在較低的水平。

2.4 壓縮試驗

對不同土進行壓縮試驗，測定不同摻入比、壓實系數(shù)情況下土的壓縮系數(shù)、壓縮模量，結果見圖3。

圖3 不同土的壓縮系數(shù)和壓縮模量

由圖3可知：①原土摻入3%～5%的水泥或摻入4%～6%的熟石灰改良后，壓縮系數(shù)明顯減小，壓縮模量明顯增加。②水泥改良或熟石灰改良后，都呈現(xiàn)壓縮系數(shù)與摻入比負相關、壓縮模量與摻入比正相關的特點。③水泥改良或熟石灰改良后，對于同一摻入比，壓實系數(shù)越大，壓縮系數(shù)越小，壓縮模量越大。④原土摻入3%～5%的水泥后，壓縮系數(shù)從0.11～0.17 MPa-1下降到0.05～0.08 MPa-1；壓縮模量從18.2～27.8 MPa增加到25.0～41.2 MPa。原土摻入4%～6%的熟石灰后，壓縮系數(shù)從0.11～0.17 MPa-1下降到0.05～0.07 MPa-1；壓縮模量從18.2～27.8 MPa增加到26.4～42.2 MPa。熟石灰改良后土的壓縮系數(shù)小于水泥改良后土的壓縮系數(shù)，壓縮模量大于水泥改良后土的壓縮模量。熟石灰改良效果略優(yōu)于水泥改良。

2.5 抗剪強度試驗

對不同土進行直剪快剪試驗、不固結不排水三軸試驗，測定不同摻入比、壓實系數(shù)情況下土的黏聚力和內(nèi)摩擦角，結果見圖4。

圖4 不同改良土的抗剪強度

由圖4可知：①原土摻入3%～5%的水泥或摻入4%～6%的熟石灰改良后，無論直剪快剪還是三軸不固結不排水剪，其黏聚力和內(nèi)摩擦角都有不同程度的增大。②水泥改良或熟石灰改良后，對于同一摻入比，壓實系數(shù)越大，黏聚力和內(nèi)摩擦角越大。③水泥摻入比大于4%和熟石灰摻入比大于5%后，抗剪強度指標提高有限。

通過對比膨脹土經(jīng)水泥改良或熟石灰改良后抗剪強度值，可以看到兩種改良措施抗剪強度提高差別不大。

3 結論與建議

1）合肥樞紐廣泛分布有第四系沖積、殘積粉質(zhì)黏土，黏土，以弱-中等膨脹性為主，考慮到合肥樞紐地區(qū)取土場設置困難，需高度重視膨脹土化學改良作為路基填料的現(xiàn)實需求，通過試驗研究，膨脹土摻入水泥或熟石灰加以改良作為路基填料是技術上可行的。

2）和原土相比，水泥或熟石灰改良都使得土樣的最大干密度有所減少，而最優(yōu)含水率有所增加；隨著摻入比增加，無側限抗壓強度和抗剪強度都有明顯的提高；水泥摻入比大于4%和熟石灰摻入比大于5%后，改良土膨脹性基本消失；養(yǎng)護齡期7 d的無側限抗壓強度即大于350 kPa，符合規(guī)范要求，建議改良土養(yǎng)護齡期為7 d。

3）對比水泥改良和熟石灰改良，通過分析改良后的最大干密度和最優(yōu)含水量、無側限抗壓強度和壓縮模量等試驗成果，可以得出熟石灰改良效果優(yōu)于水泥改良。

4）對于滬渝蓉高速鐵路合寧段膨脹土建議使用熟石灰進行改良。滬渝蓉高速鐵路合寧段膨脹土改良土熟石灰摻入比，基床底層建議采用6%，基床以下建議采用5%。

5）合肥地區(qū)降雨量大，膨脹土地段低路堤和路塹基床表層以下應設置隔水層防止水分浸入路基本體，同時需完善排水系統(tǒng)，防止積水和匯水。本試驗對滬渝蓉高速鐵路合寧段設計和施工具有指導作用。