石武客運專線膨脹土路基CMA改性劑應用研究

李同海

(中鐵十七局集團有限公司,太原 030006)

膨脹土在我國分布廣泛,其礦物組成多以伊利石、蒙脫石為主,夾少量高嶺石。這些親水性的黏土礦物遇水膨脹,失水收縮,具有明顯的脹縮性、多裂隙性、超固結性,以及強度減弱性。容易造成沉陷、溜塌、縱裂、坍塌事故。在客運專線鐵路工程建設中,不可避免地要經過膨脹土地區,對路基的基底和開挖邊坡如何治理和改良,效果如何,這些問題在設計和施工時必須高度重視,否則,將直接影響工程質量和鐵路運營安全。

對于膨脹土挖方邊坡傳統的處理方案一般采用緩邊坡、全封閉形式的剛性防護,基底則采用灰土或水泥土進行換填。其主要觀點認為:膨脹土邊坡失穩的主要原因是受降水影響,當土體吸水由非飽和態進入飽和態這一過程中,土體的抗剪強度由強逐漸變弱,當土體的剪切指標值隨含水量增加而衰減時,其邊坡穩定性隨之遞減直至產生變形破壞(如滑坡或坍塌)。因此采用邊坡封閉防護以阻止降水的影響[1]。實踐證明這些剛性防護方案治理膨脹土效果較差,不能從根本上解決在大氣風化作用層影響深度范圍內膨脹土體的脹縮問題,基底采用石灰土或水泥土施工時與土體本身的反應速度較慢,所生成的水化物耐久性較差,而且石灰摻量在8%、水泥摻量在6%以上才能達到一定效果,在施工中需要反復拌和均勻,周期長,施工速度慢,邊坡膨脹土體施工非常困難[2]。因此,有必要繼續探索膨脹土改良的新方法或新材料,應用CMA生態改性劑改良膨脹土就是一種有益嘗試,也取得了一定效果[3]。

1 工程概述

新建石家莊至武漢鐵路客運專線9標段位于河南省信陽市,全長 39.3 km,起訖里程為DK980+018～DK1020+220,路基段總長為17.2 km,地表為沖積平原區,局部為剝蝕丘陵、崗地及風成地貌,地形平坦、開闊,支流水系發達,降雨量大,線路通過區域主要為膨脹軟土,一般層厚為5～25 m,軟土層強度低、壓縮性高。設計需對膨脹土邊坡及挖方段基底進行改良處理,共計處理面積為270 000 m2。

2 CMA生態改性劑及改性原理

2.1 CMA生態改性劑

CMA(changing the montmoriuonite's absorbent)膨脹土生態改性劑是由一種復合化學配方,經加工生產形成的一種濃縮液。其性狀為紅棕色至黃棕色黏稠狀液體,屬有機化合物,主要成分包括各種具活性的金屬氧化物和具活性的非金屬氧化物以及成核材料,施工時,現場按一定比例摻入水、生石灰粉攪拌均勻而成[1]。經CMA改良處理后的邊坡能種植灌木和花草,不同于其他固性材料改性邊坡,具有綠化美化環境、防眩吸噪的功能,滿足水土保持,屬生態環保產品。

2.2 CMA生態改性劑改性原理

CMA生態改性劑具有電解和離子交換的作用,有較強的滲透性,能溶于水,在水中離解出帶正電荷的陽離子[X]n+和帶負電荷的陰離子[Y]n-,陽離子與膨脹土膠體表面的陽離子[M]n+產生交換作用,將這些原本吸附在膨脹土顆粒表面、親水性極高的陽離子趕走,代之以親水性低、黏結力較強的鋁離子及其水合物,使膨脹土顆粒上的吸附水的化學鍵破壞形成自由水,改性后土顆粒形成鍵狀和網狀結構加快反應和離子交換,自由水通過重力、蒸發、壓實作用排除,改變了膨脹土顆粒的結構特征,從而提高膨脹土的抗剪強度,增強膨脹土的水穩性,永久地改變膨脹土的屬性,將膨脹土改為非膨脹土,從而達到將膨脹土改性的目的[4]。

它與其他的膠合材料或固性材料不同,自身與土并不結合,而且具有再生功能,它與膨脹土作用時其總量并沒有減少。其功效并不會隨著時間的推移而逐漸減弱,相反,只要膨脹土中有水分,它的功效就會延續下去,這種作用是永久的不可逆的[6]。作用過程大致是:當膨脹土生態改性劑噴灑在土體表面上通過滲透達到一定深度將其改性,還可以通過土體本身含水量經土體毛細孔隙到達一定深度,更重要的是膨脹土生態改性劑具有較強的滲透性,能溶于水,它可以隨雨水滲透,到達雨水能到達的深度,這樣就從根本上解決了雨水滲入對膨脹土的影響,做到對大氣風化作用層影響深度范圍內膨脹土體的徹底治理。

3 CMA生態改性劑改良膨脹土施工方法

CMA生態改性劑施工是按照一定比例將濃縮液、水、石灰混合,并充分攪拌均勻,采用專用噴灑設備直接噴灑于新開挖土體表面上,總噴灑量約20 kg/m2。基本配合比為:改性劑濃縮液∶水∶石灰=1∶100∶5。因CMA生態改性劑可針對不同膨脹土體進行改性,施工前需對施工點原狀土體取樣做試驗,以確定改性劑噴灑次數和噴灑量。

3.1 實際噴灑量確定

(1)認真進行現場調查,收集當地氣候條件的相關資料及雨水的滲透深度、大氣風化作用層影響深度等相關數據。根據膨脹土處于段落位置和工程量大小確定原狀土取樣組數,其邊坡改良及基底改良土體需單獨取樣。本工程確定為8組。

(2)現場由試驗室取土樣做對比試驗。主要試驗指標有:顆粒分析、液塑性、脹縮特性、剪切、無側限抗壓強度、擊實、膨脹率、膨脹力等。各種試驗結果見表1～表4。

表1 液塑性、顆粒分析試驗成果對比

表2 脹縮特性試驗成果對比

表3 剪切、無側限抗壓強度試驗成果對比

表4 擊實承載比試驗成果對比

(3)根據試驗數據和對比分析,確定施工噴灑次數和實際噴灑量。基底噴灑按2次施工,第一次噴灑量為12kg/m2,第二次噴灑量為9 kg/m2,總噴灑量為21 kg/m2;路塹邊坡按3次噴灑,第一次噴灑量為≥9 kg/m2,第二次噴灑量為≥7 kg/m2,第三次噴灑量≥5 kg/m2,總噴灑量為21 kg/m2。

3.2 現場準備

(1)相關聯工程施工應在改良處理前按設計要求完成并驗收,路塹基底挖至設計填筑高程,并設置橫向排水坡,改性后不宜再擾動土體以免影響改性效果。

(2)改性施工前應認真檢查土體的干濕程度,要求土體干燥,以土體表面出現裂紋為宜,應選擇在晴天施工,連續暴曬路基4d以后進行施工。如路基表面裂縫較少,可采用人工在表面進行打孔,孔深為30 cm,50 cm×50 cm梅花形布置。

(3)改性劑施工在路基沖擊碾壓夯實完成后進行。

(4)對基面進行網格布線,使每次拌和料剛好能充盈一個網格。

(5)準備好施工設備和生石灰,生石灰需提前2 d進場,石灰采用經水熟化的熟石灰粉,其活性CaO+MgO含量不低于70%,機械設備配置見表5。

3.3 施工

(1)溶液配制:根據容器大小確定每次配制的溶液數量,利用配合比計算CMA濃縮液、水、石灰的用量,采用計量器具進行準確稱量,按水、濃縮液、石灰的順序投料并充分攪拌。先加入大容器1/5的水,后加入濃縮液及石灰,邊加入邊沖水并進行攪拌,至容器加滿時濃縮液及石灰按質量加夠,其中加入石灰時必須采用25目/cm2的篩網過濾[3]。配制膨脹土生態改良劑水溶液用水應符合下列要求:

表5 CMA施工機械設備配置

①色度不超過15度,并不得呈現其他異色;

②渾濁度不超過5度;

③無肉眼可見的懸浮物;

④不得有異味。

(2)噴灑:容器內的溶液充分攪拌均勻后,用水泵抽取在基面上均勻噴灑,邊噴灑邊攪拌。噴灑完成一次后需待基層面均勻滲透,表面再次出現裂縫時進行第2次或第3次噴灑。當土體表面裂縫較少也可采用人工打孔后進行混合液噴灑。兩個容器輪流使用,可保證一天噴灑1萬m2。

3.4 質量要求與控制

(1)質量要求:總噴灑量滿足施工配比要求,經膨脹土生態改性劑改性后路基、邊坡土體穩定,水穩性好,增強土體的強度,可還原生態。改性后的效果各項指標必須達到非膨脹土的標準[7]。

(2)質量控制:改性施工的質量控制主要兩個方面,一是掌握土體的干燥程度,土體一定要干燥,施工時應控制在當膨脹土水溶液按設計量和次數均勻噴灑在土體表面上被土體吸收不流淌為宜[8]。二是噴灑要均勻,噴灑速度不宜過快,噴灑過程中需隨時對混合液進行攪拌[4]。

路基基底CMA生態改性劑施工完成待表面干燥后應及時施作防水層,鋪設防水布及時進行路基填筑封閉基底,不得受雨水浸泡[9]。

4 CMA生態改性劑處理后的實施效果

根據目測和試驗對比綜合分析,在改性施工范圍內深度為0～30 cm和30～60 cm的土體經改性處理后膨脹土改為非膨脹土、土體強度增強,水穩性好,改性后的路基、邊坡穩定,改良效果較好[10]。處理完成后的基面如圖1所示。

5 CMA改性劑處理膨脹土的優點

(1)工環保性:其CMA生態改性劑pH 值6～7,無毒、無腐蝕、不易燃易爆,無污染,屬生態環保產品。

圖1 處理完成后的基底面

(2)生態環境保護:改性后的土體能種植灌木和花草,具有綠化美化環境的功能,滿足水土保持,對高鐵運營具有消聲斂光等特點。

(3)經濟適用:能按不同的土體配制,適合強、中、弱各種類型膨脹土的改性處理,改性后的邊坡,可按正常土質邊坡坡率施工,節約用地,減少挖方量,工程造價低。

(4)施工方便:施工簡單,工期短,施工進度快,可多組同時施工,平行流水作業。

(5)處理效果顯著:經過現場對比試驗,經處理后的膨脹土體可塑性指標有明顯改善,黏粒和膠粒的含量明顯下降,表層30 cm范圍內有荷膨脹率為0,降低膨脹土的膨脹力。

6 結語

通過CMA改性劑改良膨脹土在石武鐵路客運專線膨脹土路基施工中的應用實踐,使用CMA改性劑改良膨脹土,具有生態環保、經濟適用、施工操作簡單、施工速度快的特點,實踐證明,膨脹土路基改良后的效果明顯。在今后鐵路客運專線膨脹土路基施工中,值得借鑒和推廣。

[1]余 頌,陳善雄,許錫昌,等.中膨脹土CMA改性室內試驗研究[J].巖土力學,2006(9):39-40.

[2]曹光倫,陳善雄,余 飛.合肥膨脹土CM A改性效果對比試驗研究[J].中南公路工程,2006(6):11-12.

[3]邱歆平,楊 明,陳善雄,等.膨脹土粉煤灰改性與石灰改性對比試驗研究[J].遼寧省交通高等專科學校學報,2007(1):6-8.

[4]周 岳,侍 倩.鐵路工程中膨脹土路基處理深度確定方法初探[J].工程建設與設計,2006(2):54-55.

[5]容玲聰,劉銀生,趙純健,等.高液限土路堤縱向裂縫形成分析[J].公路,2003(11):43-44.

[6]張 茹.土石壩心墻料及壩基細砂礫料動力特性試驗研究[D].成都:四川大學,2002:46-49.

[7]鄧 哲.改良膨脹土及路堤填筑控制[D].成都:西南交通大學,2002:33-39.

[8]楊云飛.膨脹土滑坡抗滑樁設計與施工[D].成都:西南交通大學,2003:61-62.

[9]王建軍.《廣西膨脹土地區建筑技術條例》修訂的若干問題研究[D].南寧:廣西大學,2003:26-28.

[10]陳增明.合徐高速公路北段膨脹土改性研究及膨脹土與構造的關系[D].合肥:合肥工業大學,2003:32-35.