鐵路路基膨脹土填料改良試驗研究

連繼峰，楊有海

(蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070)

改建鐵路滬漢蓉通道襄樊至老河口東段增建二線，鐵路等級為國鐵Ⅰ級。正線線下設計速度目標值為200 km/h，線上設計速度目標值為160 km/h;該線地基大部分為軟土、松軟土或水塘等，填料大部分具有膨脹性。對于膨脹土的改良方法有摻石灰、水泥、粉煤灰、二灰(石灰和粉煤灰)等無機改良材料和聚丙烯酰胺等有機改良材料、微生物改良法等。

膨脹土的改良是膨脹土路基工程研究領域中的重要問題之一。文獻[1]結合合寧鐵路路基試驗工程，進行膨脹土填料的室內石灰改良，得出石灰摻灰比中膨脹土為6%，弱膨脹土為5%的結論。文獻[2]通過對濟南、淄博地區膨脹土的室內試驗分析，認為石灰劑量的最佳配比為6%。吳新明[3]通過室內不同水泥摻量比的系列試驗，認為水泥改良膨脹土8%的水泥為最佳摻量比。查甫生[4]通過室內試驗，認為摻入粉煤灰可有效降低膨脹土的膨脹性。文獻[5]研究了摻入石灰的粉煤灰強度特性，建議配合比為生石灰粉 ∶粉煤灰=(1∶9)～(2∶8)(干灰質量比)。

因此，筆者結合滬漢蓉通道武康二線鐵路路基膨脹土填料進行定量改良試驗，改良劑分別為5%石灰、5%水泥、20%粉煤灰和二灰(20%粉煤灰+2%石灰)。通過室內基本試驗對5%石灰改良膨脹土的脹縮性進行分析，且通過強度特性試驗對改良膨脹土的強度特性、齡期效應、干濕循環效應、水穩定性等方面做對比分析。

1 試驗的目的及方法

試驗的目的是通過室內基本試驗，研究素土(重塑膨脹土)和改良膨脹土的脹縮性、強度特性、齡期效應、水穩定性和抵抗干濕循環強度降低特性，根據試驗研究數據，綜合分析確定改良膨脹土的最佳改良方案，為今后路基膨脹土填料選用改良劑提供參考。

所進行的室內基本試驗包括界限含水率試驗、擊實試驗、壓縮試驗、自由膨脹率試驗、無荷膨脹率試驗、三軸壓縮試驗和無側限抗壓強度試驗。

強度特性試驗方法是對5%石灰改良土、5%水泥改良土、20%粉煤灰改良土、二灰改良土(20%粉煤灰+2%石灰)在各自最佳含水率(即非飽和)狀態下，在相同壓實系數(K=0.95)、相同養護齡期(t=28 d)及相同養護方法條件下進行三軸壓縮試驗和無側限抗壓強度試驗研究。三軸壓縮試驗的圍壓為σ3=25，50，100 kPa和150 kPa，試件規格為 39.1 mm2×80 mm。

2 膨脹土室內基本試驗

膨脹土是指土中黏粒成分主要由親水礦物組成，具有吸水顯著膨脹、軟化、崩解和失水急劇收縮、開裂，并能產生往復脹縮變形的黏性土[6]。通過室內試驗研究膨脹土和各種改良膨脹土的基本特性。

2.1 界限含水率試驗與擊實試驗

通過對土樣的液、塑限的測定也能對膨脹土的膨脹性能強弱進行定性判斷[7]。膨脹土的液限wL和塑性指數Ip越大，持水能力越強、水穩定性就越差、脹縮性能也越大;相反，液限wL和塑性指數Ip的減小將有利于膨脹土的水穩定性增加和強度增強。擊實試驗測定的最優含水率和最大干密度是控制路基填筑質量的重要指標。試驗結果如表1所示。由試驗結果可以看出:在膨脹土中摻入石灰、水泥和粉煤灰后，液限變化不明顯，塑限wL有所提高，塑性指數Ip降低，說明在膨脹土中這幾種改良劑均能夠降低土的膨脹性。

表1 界限含水率試驗和擊實試驗結果

另外，在膨脹土中摻入石灰后，最佳含水量wopt增加，而最大干密度ρdmax減小，這是因為隨著石灰的摻入，石灰和膨脹土發生了一系列化學作用(離子交換作用、碳酸化作用、膠凝作用和結晶作用等)，促使其結構單元發生有規律的變化，細小孔隙增多，結構變疏松，從而有助于增強膨脹土的穩定性。

2.2 壓縮試驗

由于土體具有壓縮性，所以在上部荷載作用下必然會發生壓縮沉降。一般用壓縮系數來評價土體的壓縮性，它是評價路基沉降變形的重要指標。試驗結果如表2所示。由表2可以看出:重塑膨脹土屬于中等壓縮性土(壓縮系數 av1－2在 0.1 MPa－1～ 0.5 MPa－1之間);壓縮系數av1－2隨壓實系數K增大而減小，壓縮模量Es1－2隨壓實系數K增大而增大，這是因為同一含水量下壓實系數小時，土的結構較為疏松，土顆粒容易相互錯動而產生高的壓縮變形。隨著壓實系數的增大，土顆粒相對移動不顯著，產生很小的壓縮變形，即壓縮模量Es1－2較大。相比素土，各改良膨脹土土的壓縮系數 av1－2均降低，壓縮模量 Es1－2增加，由中等壓縮性土變為低壓縮性土(壓縮系數 av1－2小于 0.1 MPa－1)，但5%石灰和5%水泥改良膨脹土的壓縮性的效果最好。

表2 壓縮試驗結果

2.3 自由膨脹率試驗與無荷膨脹率試驗

自由膨脹率Fs是反映黏性土的膨脹性的指標之一，它與黏土礦物成分、膠粒含量、化學成分和水溶液性質等有著密切的關系。自由膨脹率試驗的目的是測定黏性土在無結構力影響下的膨脹潛勢，初步評定黏土的脹縮性。無荷膨脹率VH是試樣在有側限條件下浸水后的單向膨脹量與試樣原始高度之比值。試驗結果見表3。由表3看出:摻入5%的石灰改良膨脹土的自由膨脹率Fs由原來的43%降為4%，效果最為顯著，其次是水泥。因膨脹土的自由膨脹率 Fs≥40%[7]，可知石灰能有效降低膨脹土的膨脹性。并且膨脹土無荷膨脹率VH隨著壓實系數K的增大而增加，5%石灰改良土的無荷膨脹率VH在相同的壓實系數K下均有顯著的減小，且隨著壓實系數K的增大而減小，這也充分說明了石灰可以改良膨脹土的脹縮性。

表3 膨脹率試驗結果

3 各種改良膨脹土試驗結果分析

3.1 強度指標對比

對重塑膨脹土及其改良膨脹土的強度指標進行分析。各種改良膨脹土試樣在養護齡期t為28 d，壓實系數K為0.95，非飽和(最佳含水率wopt)狀態時的內摩擦角φ、黏聚力c和無側限抗壓強度qu試驗結果如表4所示。

表4 不同改性方案強度指標對比結果

從表4中可見，重塑土經各種改良后內摩擦角φ除二灰土外均有增加，摻和比aw為5%的石灰改良土的內摩擦角φ增加最為明顯，為39.6°;且改良后的黏聚力c和無側限抗壓強度qu較重塑土均有大幅增加。摻5%水泥改良后各強度指標也有明顯增加，但改良效果較石灰弱。二灰改良膨脹土后的c值和qu值則介于石灰和粉煤灰之間。從某個角度來說，二灰土中起主要作用的還是石灰。對比二灰改良土與粉煤灰改良土，在粉煤灰改良土中摻入少量的石灰后，所形成的二灰土強度就有很大的提高，進一步說明二灰土中石灰所起的主要作用。綜合以上分析，可以得出從改良土強度以及經濟角度來說，石灰改良土效果更佳。

3.2 齡期效應的對比

根據不同改良方案，在壓實系數K為0.95，非飽和狀態時，討論在養護齡期t分別為7、28、90 d時無側限抗壓強度qu的變化情況。如圖1所示。

圖1 無側限抗壓強度隨齡期的變化曲線

由圖1可以看出:各種改良試樣的值均隨齡期t的增加而增大，但5%石灰改良后的無側限抗壓強度qu值隨齡期t增加增長最大，且齡期t在90 d時，qu值增大到2 500 kPa。其次是5%水泥，但t為28 d以后增長緩慢，二灰土的早期qu值較水泥并不大，但t為90 d時卻與水泥改良土的qu相差不多，且從圖中可看出t在90 d以后qu仍有增加，而粉煤灰在t為28 d以后qu值呈水平狀態，因此可以看出，二灰土中石灰的作用是顯而易見的。

3.3 干濕循環對比

在實際路基工程中，路基本體會經常受到地表水和地下水的浸濕，表5為各種改良土在養護齡期t為28 d，壓實系數K為0.95，非飽和狀態時在反復干濕循環下的強度指標。從表5中可以看出:經干濕循環10次后，5%石灰改良膨脹土無側限抗壓強度qu最高，且隨著循環次數的增加強度呈增長趨勢，20%粉煤灰改良膨脹土的很低，5%水泥改良膨脹土的強度要比5%石灰改良膨脹土的低得多，但經過10次循環后無側限強度呈現增大的趨勢，這是水泥改良膨脹土齡期效應的作用，而20%的粉煤灰改良土經過1次干濕循環，其無側向抗壓強度qu就由905.8 kPa降到了100.9 kPa，并且隨干濕循環次數的增加并沒有出現增長趨勢。二灰改良膨脹土后無側向抗壓強度 qu逐漸下降，經過10次后由1 415 kPa下降到604.3kPa。另外黏聚力c在各個改良土試驗中也有類似的變化趨勢，依舊是5%的石灰改良膨脹土從干濕循環1次到10次有增大的趨勢，且黏聚力c值第10次干濕循環后為最大356.7 kPa。因此，石灰改良膨脹土具有很好的抵抗干濕循環后強度降低的特性。

表5 各種改良方案干濕循環下的指標

3.4 水穩定性對比

在壓實系數K分別在0.90和0.95時養護齡期t為28 d，討論各種改性方案的水穩定性指標，軟化系數由η表示，如表6所示。從表6中可以看出，粉煤灰改性膨脹土的軟化系數η在0.30～0.38，與重塑土相差不大，說明粉煤灰對膨脹土的水穩定性的改良效果并不明顯;水泥改良膨脹土的軟化系數 η在0.52～0.65，未達到0.70以上，水泥改良土的水穩定性仍不滿足路基工程的要求;5%石灰改良膨脹土的水穩定性軟化系數η在0.7以上，且當K為0.95時，軟化系數η為0.92，說明5%石灰改良膨脹土具有很好的水穩定性;二灰土改良膨脹土軟化系數η在0.44～0.51，可以認為二灰土中隨著石灰摻量的增加，軟化系數也在增大，即二灰改良膨脹土的水穩定性與石灰摻量有關，石灰摻量越大，水穩定性越好。

表6 不同改性方案的水穩定性指標

4結論

通過室內基本試驗和強度特性試驗結果的對比分析得出如下結論。

(1)該段膨脹土經石灰改良后其物理特性、脹縮特性均得到明顯改善，說明石灰與膨脹土之間發生一系列的化學反應，可以使膨脹土的基本特性發生改變，并可以有效地減小膨脹土的脹縮性。

(2)石灰、水泥、粉煤灰以及二灰對膨脹土強度特性提高及水穩定性改善均有作用，對比其他改良膨脹土強度特性，石灰改良膨脹土效果最好，其次是水泥改良膨脹土，粉煤灰最弱，二灰介于石灰改良與粉煤灰改良之間。

(3)石灰改良膨脹土具有明顯的齡期效應，其無側限抗壓強度qu隨著養護齡期t的增加而增大;水泥改良膨脹土和粉煤灰改良膨脹土在養護齡期28 d以后，無側限抗壓強度qu不再增大。

(4)石灰改良膨脹土具有良好的抵抗干濕循環的特性，而且其無側限抗壓強度qu和黏聚力c隨著干濕次數的增加有逐漸增大的趨勢。

(5)對比其他改良方案，石灰改良膨脹土的軟化系數η均在0.70以上，具有良好的水穩定性;二灰改良膨脹土的水穩定性與石灰摻量有關，石灰摻量越大，水穩定性越好。從經濟和技術方面看，摻石灰改良膨脹土是一種有效的方法。

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