重載鐵路膨脹土路基石灰摻和改性加固及其穩(wěn)定性研究

摘要：為研究重載鐵路膨脹土路基的改性加固技術(shù)，提升路堤邊坡的穩(wěn)定性與重載鐵路的建設(shè)質(zhì)量，對(duì)蒙華鐵路三荊段的膨脹土路基加固技術(shù)和路堤邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。采用掃描電鏡和力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)采集的膨脹土微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)參數(shù)和膨脹特性進(jìn)行研究，進(jìn)而對(duì)石灰改性加固膨脹土的基本原理和加固參數(shù)開展試驗(yàn)，分析了石灰改性機(jī)理。對(duì)采用石灰改性加固膨脹土路基試驗(yàn)段開展邊坡穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明：面-面疊聚體構(gòu)成的黏土基質(zhì)對(duì)膨脹性有決定性影響，而粒狀顆粒增加則造成膨脹性降低，黏土礦物蒙脫石含量與三荊段膨脹土的自由膨脹率正相關(guān)。由于石灰摻和改性加固，膨脹土中黏土礦物成分降低，微觀結(jié)構(gòu)更加致密，黏粒含量大幅減少，使原狀土的膨脹性大幅減弱，其黏聚力、內(nèi)摩擦角也顯著增加。路堤邊坡變形穩(wěn)定性較未改性加固前顯著提升。研究成果可為類似膨脹土地區(qū)的重載鐵路路基施工與鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供參考。

關(guān)鍵詞：重載鐵路； 膨脹土； 路基加固； 邊坡穩(wěn)定性

中圖法分類號(hào)：TU443 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.013

文章編號(hào)：1006-0081（2024）04-0078-07

0 引 言

重載鐵路具有載重量大、運(yùn)輸效率高、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為世界各國(guó)鐵路貨運(yùn)的主要發(fā)展方向。隨著1992年大秦鐵路通車，中國(guó)也正式步入重載鐵路國(guó)家行列，自此中國(guó)重載鐵路的建設(shè)不斷鋪開。蒙華鐵路［1-3］是中國(guó)新型重載鐵路的代表，沿途經(jīng)過多座大型水利水電工程。現(xiàn)階段多數(shù)大型水利水電工程需匹配火電廠提供原動(dòng)力和負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，通過水火共濟(jì)保證電力供應(yīng)穩(wěn)定。作為煤炭等關(guān)鍵能源物資的運(yùn)輸通道，蒙華鐵路的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全對(duì)保障沿途水利水電設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行，并保持可靠的供電能力意義重大。然而，由于蒙華鐵路橫跨7個(gè)省區(qū)多種地形地貌，所遭遇的地質(zhì)條件極為復(fù)雜危險(xiǎn)，尤其是三門峽-荊州段的膨脹土地層對(duì)蒙華鐵路的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定造成較大困擾，故亟需對(duì)該段涉及的膨脹土進(jìn)行改性加固，以保障建設(shè)質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)安全。

在TB 10625-2017《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中，膨脹土在鐵路路基工程中被歸為D類填料，不能直接用作路基填筑，需通過一定技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行改性加固，進(jìn)而對(duì)路基邊坡進(jìn)行專門設(shè)計(jì)分析，以保障施工和運(yùn)營(yíng)安全。目前，由于工程建設(shè)需要，國(guó)內(nèi)外學(xué)者［4-8］均開展了關(guān)于膨脹土改性加固和邊坡穩(wěn)定性的研究。占世斌等［9］對(duì)壩體土進(jìn)行不同摻灰比情況下的改性土試驗(yàn)，推薦了石灰摻量的膨脹土改性方案。許英姿等［10］采用摻碎石的方式對(duì)廣西南寧三塘地區(qū)的膨脹土進(jìn)行改良，試驗(yàn)結(jié)果也表明這種改性加固方式的有效性。于榮喜［11］對(duì)合蚌專線的膨脹土路基加固方式進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并評(píng)估了建設(shè)過程中的加固效果。李麗華等［12］開展了稻殼灰-礦渣固化膨脹土的力學(xué)試驗(yàn)研究，從宏微觀角度分析了該改性加固方式的效果。艾密等［13］對(duì)包括石灰在內(nèi)的多種固化劑對(duì)膨脹土的改性固化效果進(jìn)行了研究，并探討了膨脹土的改性固化機(jī)理。唐咸遠(yuǎn)等［14］、李建東等［15］均對(duì)膨脹土的改性固化技術(shù)開展了系統(tǒng)研究?？紤]到石灰的成本和易獲得性等特點(diǎn)，部分學(xué)者也開展了關(guān)于石灰摻和膨脹土改

性加固的研究。趙紅華等［16］對(duì)石灰加固膨脹土的機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)和梳理，明確了石灰加固的機(jī)理。王學(xué)廣等［17］對(duì)換填法和石灰樁法加固的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行比較研究，對(duì)石灰樁的加固參數(shù)進(jìn)行研究。王斯海等［18］對(duì)工業(yè)膨脹土進(jìn)行了壓縮和膨脹率試驗(yàn)，對(duì)酸、堿環(huán)境下的膨脹土脹縮變形規(guī)律進(jìn)行研究。目前來看，大多數(shù)石灰改性膨脹土的研究都集中在公路［14］、普通鐵路［11］或邊坡加固［4］領(lǐng)域，由于中國(guó)缺乏在膨脹土地區(qū)修建重載鐵路的實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)，以往石灰改良膨脹土在普通鐵路與高速鐵路應(yīng)用技術(shù)，并不能完全照搬到重載鐵路路基工程中。

為研究石灰改性膨脹土的力學(xué)特性和加固機(jī)理，并為重載鐵路膨脹土路基加固和維護(hù)提供參考，本文依托蒙華鐵路三荊段，開展膨脹土路基改性技術(shù)與邊坡穩(wěn)定性研究。對(duì)石灰改性技術(shù)的研究方案進(jìn)行分析，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行介紹。采用現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)膨脹土樣品的微觀結(jié)構(gòu)、膨脹特性等進(jìn)行研究，為石灰摻和改性提供參考。研究了石灰摻和改性后的樣品力學(xué)性能，并對(duì)摻和機(jī)理進(jìn)行分析。最后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和穩(wěn)定性分析，對(duì)未加固中、低膨脹土和改良后的路基邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，檢驗(yàn)石灰摻和改性的效果。

1 工程概況及研究方案

1.1 工程概況

蒙西至華中鐵路全長(zhǎng)1 837 km，起自內(nèi)蒙古自治區(qū)浩勒?qǐng)?bào)吉站，止于江西省吉安站，跨越七省區(qū)。由于三門峽至荊門段（約211 km）地處北亞熱帶季風(fēng)型大陸性氣候，形成了大量膨脹土。膨脹土地區(qū)普遍存在嚴(yán)重的邊坡變形與基床變形，容易導(dǎo)致邊坡溜塌、滑坡、線路不均勻下沉等變形病害現(xiàn)象。鑒于此，研究膨脹土的石灰改性技術(shù)、力學(xué)特性以及加固機(jī)理至關(guān)重要，通過改良膨脹土路基，可提高鐵路的穩(wěn)定性，降低工程維護(hù)成本，確保水力水電工程的可持續(xù)運(yùn)行，從而支持整個(gè)區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

三荊段DK1044+300～DK1076+050段地處磨旗山和楊家大山間丘間盆地，膨脹土厚度一般不超10 m，此段以中等膨脹土為主，長(zhǎng)度約23.05 km，占比72.60%；弱膨脹土長(zhǎng)度約8.70 km，占比27.40%。由于膨脹土的工程特性，為防止上拱下沉對(duì)重載鐵路平順性及運(yùn)營(yíng)安全的影響，需對(duì)膨脹土路基進(jìn)行改性加固，提升工程質(zhì)量。

1.2 研究方案

本文針對(duì)路基正線段的膨脹土路基改性加固技術(shù)進(jìn)行研究，通過采集土樣、開展室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段，對(duì)路基正線段的膨脹土改性加固技術(shù)和邊坡穩(wěn)定性開展研究分析，為類似項(xiàng)目的膨脹土路基摻石灰改性加固提供參考。本文所研究的路基正線段填筑試驗(yàn)段里程為DK1063+800～DK1064+000，全長(zhǎng)200 m。故試驗(yàn)段內(nèi)路基的路堤本體采用3.5%石灰改良土，基床底層采用5%石灰改良土，設(shè)DK1063+975斷面為監(jiān)測(cè)斷面。

本文DK1063+975斷面監(jiān)測(cè)布置如圖1所示，路基中心與左線基底埋設(shè)單點(diǎn)沉降計(jì)，右線埋設(shè)沉降板，兩側(cè)路肩內(nèi)2 m處埋設(shè)沉降監(jiān)測(cè)樁，基床底層右側(cè)邊坡與土工格柵上每間隔1.2 m埋設(shè)柔性位移計(jì)，用于監(jiān)測(cè)路基與邊坡變形特征；路基右側(cè)坡腳擋墻內(nèi)設(shè)兩組應(yīng)變傳感器用于監(jiān)測(cè)擋墻變形特性。

2 膨脹土特性研究

2.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

對(duì)工段涉及的弱膨脹土和中膨脹土試樣開展電鏡掃描，對(duì)兩種膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)分析，探究試驗(yàn)段膨脹土自由膨脹率與黏粒含量的關(guān)系，為后續(xù)改性加固提供技術(shù)支持。從雷家大堰取土點(diǎn)獲取的弱膨脹土和從楊河村取土點(diǎn)獲取的中膨脹土的SEM掃描結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知：弱膨脹土微觀結(jié)構(gòu)為粒徑堆疊狀，微結(jié)構(gòu)單元粒徑較大，顆粒形貌以粒狀及扁平狀為主，可見多處單粒體結(jié)構(gòu)，卷曲片狀顆粒少見，結(jié)構(gòu)致密，未見明顯的結(jié)構(gòu)裂隙，黏土礦物少且與碎屑礦物結(jié)合緊密，水分子難與親水礦物結(jié)合，因而表現(xiàn)為膨脹性質(zhì)較弱。中膨脹土微觀結(jié)構(gòu)主要以粒徑堆疊為主，局部為紊流結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)單元粒徑大小不一，顆粒形貌以扁平狀顆粒聚集體和片狀顆粒為主，有彎曲或卷曲狀片狀顆粒，單粒體多見，結(jié)構(gòu)松散，結(jié)構(gòu)裂隙多處可見，但貫通性不強(qiáng)，黏土礦物含量較高，易與水分子結(jié)合，表現(xiàn)為具有明顯的脹縮性。研究發(fā)現(xiàn)：蒙脫石在微觀上形成曲片狀面-面疊聚體，其脹縮性較高，伊利石形成的平片狀面-面疊聚體脹縮性稍低，所以面-面疊聚體的黏土片形態(tài)在一定程度上影響了土的脹縮性。土中不僅要有面-面疊聚體，且這種疊聚體必須大量地以自相集聚的方式構(gòu)成黏土基質(zhì)。由于粒狀顆粒本身不起脹縮作用，而黏土基質(zhì)才是發(fā)生膨脹的根源，當(dāng)粒狀顆粒含量增多就會(huì)明顯地使膨脹性降低。

2.2 膨脹特性研究

自由膨脹率是指一定質(zhì)量的烘干、過篩土顆粒在無結(jié)構(gòu)約束狀態(tài)下自由吸水的體積膨脹量與原始體積之比，以百分率表示，是反映土的膨脹特性的最直接度量指標(biāo)之一。本節(jié)采用自由膨脹率為試驗(yàn)工點(diǎn)的膨脹特性指標(biāo)，探究膨脹特性與黏粒含量的關(guān)系。結(jié)合項(xiàng)目其他試驗(yàn)段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步探索蒙脫石含量與自由膨脹率的關(guān)系，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

根據(jù)TB 10077-2019《鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50112-2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》等規(guī)定，自由膨脹率在60%～65%以內(nèi)的屬于弱膨脹土，自由膨脹率在60%～90%的屬于中膨脹土，自由膨脹率大于90%屬于強(qiáng)膨脹土。從圖3可知：膨脹土的膨脹性隨其黏粒含量增加而明顯增強(qiáng)，兩者呈正相關(guān)，弱膨脹土的黏粒含量?jī)H為24.2%，而中膨脹土中的黏粒含量達(dá)到了45%。結(jié)合2.1節(jié)中關(guān)于微觀結(jié)構(gòu)對(duì)膨脹特性的作用，可以發(fā)現(xiàn)蒙脫石含量與自由膨脹率也呈正相關(guān)，這驗(yàn)證了蒙脫石形成的面-面堆疊體對(duì)黏性基質(zhì)和膨脹性的重要作用，也為后續(xù)改性加固提供指引，即破壞或者減少黏性基質(zhì)的含量以降低膨脹性。

2.3 力學(xué)參數(shù)

為充分了解試驗(yàn)段膨脹土的抗剪強(qiáng)度特性，本次試驗(yàn)共開展了9組殘余剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，9組不排水不固結(jié)三軸剪切試驗(yàn)（UU）以及109組直接剪切（快剪）試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可知：試驗(yàn)段弱膨脹土室內(nèi)直剪強(qiáng)度黏聚力在24.0～74.0 kPa，平均值為40.38kPa，內(nèi)摩擦角在8.2°～22.6°，平均值為16.16°；中膨脹土在21.0～101.0 kPa，平均值為49.21 kPa，內(nèi)摩擦角在8.5°～30.2°，平均值為17.71°。由此可見，隨著膨脹土的黏聚力隨其膨脹性的增強(qiáng)而增大，而內(nèi)摩擦角相差不大。因此可以說明，試驗(yàn)段膨脹土的堅(jiān)硬程度為中膨脹土大于弱膨脹土。

3 石灰摻和改性加固

3.1 加固機(jī)理

石灰改良膨脹土的主要機(jī)理主要分為離子交換作用、固化作用、凝膠作用和結(jié)晶作用4個(gè)部分。離子交換作用指在土中水作用下，生石灰迅速消解，Ca2+、Mg2+置換膨脹土顆粒所吸附的K+、Na+等離子，降低了土樣結(jié)合水的成分，使膨脹土的分散性、坍塌性、親水性和膨脹性降低，形成早期強(qiáng)度；固化作用指石灰遇水反應(yīng)生成CaCO3和MgCO3堅(jiān)硬的固體顆粒，具有較高的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，由于CaCO3對(duì)土體的膠結(jié)作用使得土體形成石灰穩(wěn)定土；凝膠作用指膨脹土中的硅膠、鋁膠與石灰進(jìn)一步反應(yīng)形成含水硅酸鈣、鋁酸鈣，這兩種凝膠能夠在水環(huán)境下發(fā)生硬化，在膨脹土的黏粒外圍形成穩(wěn)定的保護(hù)膜，黏結(jié)力較強(qiáng)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使石灰改良土強(qiáng)度增長(zhǎng)，并保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。結(jié)晶作用指石灰摻入膨脹土中后，溶解度小，除了離子交換和碳酸化作用外，絕大部分以氫氧化鈣結(jié)晶水的形式析出，進(jìn)一步提高了膨脹土的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。

3.2 黏粒含量變化

從上文可知，膨脹土的黏粒含量與其膨脹性指標(biāo)自由膨脹率呈正相關(guān)。為研究石灰摻和改性加固膨脹土的實(shí)際效果，本節(jié)對(duì)2%、3%、4%、5%、6%的5種摻入比的生石灰、熟石灰改良土進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)，所得結(jié)果如圖4所示。從圖4中可知：

（1） 由于石灰的化學(xué)反應(yīng)及凝膠作用，改良土的黏粒含量明顯降低，粉粒及砂粒含量也都有不同程度地提高，且膨脹趨勢(shì)越大，石灰改良的效果越明顯，具體而言，弱膨脹土的黏粒含量下降12.4%～23.8%，粉粒含量上升4.2%～8.4%，砂粒含量上升7.2%～15.0%，中膨脹土的黏粒含量下降28.8%～37.1%，粉粒含量上升16%～28%，砂粒含量上升9.7%～12.1%。

（2） 生石灰及熟石灰對(duì)于膨脹土內(nèi)的顆粒粒徑改變無明顯區(qū)別，隨摻灰率的增加，膨脹土顆粒級(jí)配變化逐漸變緩，當(dāng)摻灰率達(dá)到5%后，膨脹顆粒粒徑趨于穩(wěn)定。

可見石灰改性使膨脹土的黏粒、粉粒和砂粒組分產(chǎn)生了顯著變化，并進(jìn)一步改變了土體的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)。黏粒含量的降低，可有效抑制了土體的膨脹與收縮能力，提高了土壤的穩(wěn)定性。與此同時(shí)，粉粒含量的增加填補(bǔ)了土壤的顆粒間的微小空隙，可有效提升土體的抗壓抗剪性能，增加鐵道基礎(chǔ)穩(wěn)定。此外，砂粒含量的上升有助于提高土壤的排水性能，減少土壤的孔隙壓力，改善土壤的抗?jié)B透性，可有效抵御水利水電工程周邊富水環(huán)境引起的鐵道基礎(chǔ)變形。因此，石灰改性能有效的保障膨脹土的力學(xué)性質(zhì)和工程性質(zhì)，為能源運(yùn)輸鐵路及其相關(guān)水利水電工程長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要支撐。

3.3 力學(xué)性質(zhì)

研究石灰改良土摻灰率與其抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，制作了2%、3%、4%、5%、6%摻灰率的改良土試樣，在室內(nèi)開展了快速剪切試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，從圖5可知：石灰能大幅增強(qiáng)膨脹土的抗剪強(qiáng)度，主要表現(xiàn)在黏聚力的大幅增加以及內(nèi)摩擦角的少量提高。具體而言，改良后弱膨脹土的黏聚力增加31.3～66.2 kPa，內(nèi)摩擦角增加到4°～9°，中膨脹土的黏聚力增加30.7～74 kPa，內(nèi)摩擦角增加7°～21°。生石灰改良效果較熟石灰要更好，且土體膨脹性越強(qiáng)，石灰改良的效果越好，黏聚力和內(nèi)摩擦角在摻灰率為5%左右時(shí)存在明顯拐點(diǎn)，到達(dá)拐點(diǎn)后，強(qiáng)度增加緩慢，甚至不變，路堤改良強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求250 kPa，基床底層改良強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求為350 kPa，從室內(nèi)試驗(yàn)的情況來看，改良土在摻灰3%的情況下均能滿足這一要求。從強(qiáng)度隨摻灰率的試驗(yàn)可知，石灰發(fā)揮最大效益的摻灰比為5%左右。因此從強(qiáng)度因素考慮，三荊段DK1044+300～DK1076+050段膨脹土改良的石灰摻入量不宜小于3%，故試驗(yàn)段內(nèi)路基的路堤本體采用3.5%石灰改良土，基床底層采用5%石灰改良土。

上述數(shù)據(jù)表明，石灰改性對(duì)膨脹土的力學(xué)性能影響顯著，主要表現(xiàn)為黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化。其中，黏聚力的增加表明土壤顆粒之間的黏著性增強(qiáng)，這有助于提高土壤的整體黏結(jié)性和穩(wěn)定性。而內(nèi)摩擦角的增加意味著土壤顆粒之間的咬合效應(yīng)有所提升，土體抗剪能力顯著增強(qiáng)，使土壤能承受更高的外部荷載和剪切力的作用。這些結(jié)果表明，石灰改性策略對(duì)土壤微觀結(jié)構(gòu)和顆粒間相互作用的改善作用明顯。改性后的土壤更有利于鐵道基礎(chǔ)長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定，從而保障工程項(xiàng)目運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

4 改性膨脹土路基穩(wěn)定性分析

4.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

為研究堆填改性膨脹土后的路基邊坡穩(wěn)定性，本節(jié)對(duì)DK1063+975監(jiān)測(cè)斷面邊坡變形量和擋墻位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所得的變形量和擋墻變形數(shù)據(jù)如圖6所示。從圖6中5處柔性位移計(jì)的監(jiān)測(cè)成果可以發(fā)現(xiàn)，距路基面越遠(yuǎn)，邊坡的變形越大，具體而言，路肩下6 m邊坡穩(wěn)定變形幅值為1.45 mm，路肩下4.8 m處填筑完成后邊坡變形穩(wěn)定值分別為0.81 mm，路肩下3.6 m處填筑完成后邊坡變形穩(wěn)定值分別為0.552 mm，路肩下2.4 m處填筑完成后邊坡變形穩(wěn)定值分別為0.33 mm。邊坡變形主要發(fā)生在填筑完成后的30～60 d內(nèi)，不同深度的路基邊坡，變形穩(wěn)定的時(shí)間也各不相同，深度越大，變形穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)。整體而言，路堤邊坡的變形幅值不超過1.55 m，且邊坡受雨水沖刷下滲嚴(yán)重，但其變形未出現(xiàn)明顯波動(dòng)起伏。因此可認(rèn)為，膨脹土石灰改良填筑路堤邊坡穩(wěn)定性較強(qiáng)，未發(fā)現(xiàn)明顯脹縮變形，石灰改良土填筑路堤的邊坡膨脹性基本消除。

4.2 計(jì)算模型

為研究采用不同填料填筑時(shí)膨脹土路堤邊坡的合理坡率，選取了弱膨脹土、中膨脹土、改良土3種填料，邊坡坡率分別為1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0時(shí)，采用rocscience軟件，分別采用極限平衡法、強(qiáng)度折減法，研究了大氣影響范圍達(dá)到0，1，2，3 m和4 m條件下路堤邊坡的穩(wěn)定特性，計(jì)算模型如圖7所示。

路堤邊坡分析時(shí)，考慮膨脹土受外界影響條件下的強(qiáng)度參數(shù)降低，對(duì)于大氣影響帶深度范圍內(nèi)采用干濕循環(huán)后的殘余抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，大氣影響帶深度范圍之外（即路堤內(nèi)部）采用干濕循環(huán)前的峰值強(qiáng)度指標(biāo)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分別確定了基床以下路堤范圍采用弱膨脹土、中膨脹土、改良土（摻3.5%石灰）填筑（壓實(shí)度K=0.90）的力學(xué)指標(biāo)，如表2所示。

4.3 計(jì)算結(jié)果

弱膨脹土、中膨脹土、改良土3種填料類型，邊坡坡率1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0時(shí)，大氣影響范圍分別達(dá)到0，1，2，3 m和4 m條件下路堤邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)詳見表3。分析表明：① 在填料相同的條件下，邊坡坡率越陡邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)越低，大氣影響范圍越大邊坡安全系數(shù)越低。② 采用中膨脹土直接填筑邊坡坡率1∶2.0條件下大氣影響深度達(dá)到3 m時(shí)，以及采用弱膨脹土直接填筑邊坡坡率1∶1.75 條件下大氣影響深度達(dá)到3 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)將不足，由于工程中常采用這2種形式的坡率進(jìn)行填筑，這也基本驗(yàn)證了膨脹土直接填筑路堤邊坡受大氣急劇影響的深度為2～3 m。③ 采用改良土填筑后，受坡體強(qiáng)度增加影響，邊坡穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，改良土路堤邊坡穩(wěn)定性良好。

5 結(jié) 論

本文研究重載鐵路膨脹土路基的改性加固技術(shù)，提升路堤邊坡的穩(wěn)定性，并采用了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等多種手段，主要結(jié)論如下。

（1） 室內(nèi)試驗(yàn)表明，膨脹土的膨脹特性指標(biāo)自由膨脹率主要與其黏粒含量有關(guān)，并受到微觀的面-面疊聚體影響，貢獻(xiàn)面-面疊聚體的蒙脫石含量可有效反映膨脹性。

（2） 室內(nèi)試驗(yàn)表明，中、低膨脹性膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)的均值差異不大。

（3） 生、熟石灰摻和均可通過減少黏粒含量降低膨脹土的膨脹性，摻和生熟石灰改性效果差異不大，當(dāng)摻灰率達(dá)到5%后，黏粒含量趨于穩(wěn)定，摻和石灰后可以有效提升膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角，且提升效果與摻和量成正相關(guān)。

（4） 膨脹土邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)與膨脹土的膨脹性強(qiáng)弱、坡度、大氣影響帶范圍相關(guān)性較大。采用改良土填筑后，邊坡穩(wěn)定性有明顯增強(qiáng)且穩(wěn)定性系數(shù)大于1.5，改良土路堤邊坡穩(wěn)定性良好。

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（編輯：唐湘茜）

Study on reinforcement and stability of lime blending of expansive soil subgrade for heavy-haul railway

HUANG Qiyou

（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China）

Abstract： In order to study the modification and reinforcement technology of expanded soil subgrade for heavy-haul railway and to improve the stability of embankment slopes so as to improve the construction quality of heavy-haul railway，the reinforcement technology of expanded soil subgrade and the stability of embankment slopes of Sanjing section of Menghua railway was analyzed.The micro-structure，mechanical parameters and expansion characteristics of the expanded soil collected from the construction site were analyzed by scanning electron microscope and mechanical test，which provided the basis for the development of the subsequent reinforcement technology.Experimental research was carried out on the basic principle of lime-modified reinforced expansive soil，reinforcement parameters and the mechanism of lime modification.The slope stability analysis was carried out on the test section of the lime-modified and reinforced expansive soil roadbed.The relevant results showed that the clay matrix consisting of face-side superposition had a decisive influence on the swelling，while the increase of granular particles caused a decrease in the swelling，and the content of the clay mineral montmorillonite was positively correlated with the free swelling rate of the swelling soil in the Sanjing section.Due to the modification of lime mixed reinforcement，the clay mineral composition in the swelling soil was decreased，the microstructure became denser，and the content of clay particles decreased dramatically，causing the swelling of the in-situ soil to weaken dramatically，and its cohesion and angle of internal friction also increased significantly.The stability was significantly improved compared with that of the unmodified reinforced slope.The research results can provide a reference for the construction of heavy-haul railway superstructure and railway operation and maintenance in similar expansive soil areas.

Key words： heavy-haul railway； expansive soils； subgrade reinforcement； slope stability

收稿日期：2023-09-11

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵建股份有限公司科技研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“數(shù)字化融合勘察設(shè)計(jì)一體化成套技術(shù)研究與應(yīng)用”（2022-A02）

作者簡(jiǎn)介：黃啟友，男，工程師，主要從事鐵路工程路基設(shè)計(jì)及研究工作。E-mail：604580822@qq.com