鐵路路基工程中紅粘土的處治方式分析

李 海 鵬

(中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 安康 266100)

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鐵路路基工程中紅粘土的處治方式分析

李 海 鵬

(中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 安康 266100)

以某鐵路工程為背景，通過室內(nèi)試驗(yàn)，分析了鐵路沿線紅粘土的物理力學(xué)性能，從摻入砂礫、石灰、二灰、水泥四方面，探討了紅粘土的改良方式，旨在選出最佳的土體改良方案。

鐵路，紅粘土，力學(xué)性能，塑性指數(shù)

0 引言

在紅層軟巖地區(qū)的鐵路路基建設(shè)中，紅粘土作為一種特殊的土體往往會給工程帶來很大的困難，影響鐵路建設(shè)的健康正常進(jìn)行。紅粘土的性能隨含水量的多少具有顯著的不同，當(dāng)土體飽水時，由于反彈給壓實(shí)帶來了困難；而含水量較低時，由于粘性使得土體堅(jiān)硬如鐵，同樣影響壓實(shí)性能。鐵路建設(shè)中往往沒有依托工程進(jìn)行有針對性的處理措施，由于各種原因最終選擇了將紅粘土換填，換填使得紅粘土大量被廢棄，不僅需要大量的地方來堆砌，而且還得考慮環(huán)保，在影響鐵路建設(shè)進(jìn)度的同時，還增加了建設(shè)費(fèi)用。論文通過結(jié)合實(shí)際鐵路建設(shè)項(xiàng)目，對沿線不同地段的紅粘土進(jìn)行取樣試驗(yàn)，提出不同路段的紅粘土處治方案，最后從設(shè)計(jì)到施工對高液限紅粘土挖方路塹處治注意事項(xiàng)進(jìn)行了說明，以保證紅粘土在鐵路建設(shè)應(yīng)用中的安全性。

1 試驗(yàn)介紹

為了對依托項(xiàng)目紅粘土的性能進(jìn)行分析，文章選取沿線不同路段的紅粘土，分別進(jìn)行土體礦物組成，化學(xué)成分及物理力學(xué)性能的測試。具體的試驗(yàn)結(jié)果見表1～表3。

1)土體礦物組成。在測試礦物成分組成中，采用X射線衍射法測試其中高嶺石、石英、赤鐵礦及白云母含量。

表1 試驗(yàn)用紅粘土礦物組成 %

2)土體化學(xué)成分。對A，B，C，D處的紅粘土樣品進(jìn)行成分化學(xué)分析，結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)用紅粘土化學(xué)成分 %

3)物理、力學(xué)性能。依據(jù)(TB 10102—2010)中土工要求，對紅粘土樣品進(jìn)行物理、力學(xué)性能檢測，結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)用紅粘土物理、力學(xué)性能

2 結(jié)果分析

2.1 礦物成分、化學(xué)成分分析

由表1可知，所取紅粘土礦物組成中高嶺石和石英占了絕大部分比例，A，B，C，D四種樣品高嶺石和石英的總含量均超過了80%，赤鐵礦和白云母的含量則相對較少。由此可知，紅粘土絕大部分是在酸性條件下形成的。由表2可知，A，B，C，D四種樣品中SiO2的含量均占據(jù)了絕大部分(都在50%以上)，Al2O3次之，Na2O，P2O5，CaO的含量最少，由此可知SiO2和Al2O3的含量主要影響了紅粘土的性能，且其Al2O3，SiO2，F(xiàn)e2O3，TiO2含量范圍和SiO2/Al2O3，SiO2/Fe2O3含量范圍是使土體具有易飽水、高液限、高塑性指數(shù)的重要原因[4]。

2.2 物理、力學(xué)性能分析

1)液限和塑性指數(shù)。根據(jù)TB 10102—2010鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程的相關(guān)要求，用于路基填筑的土體其天然稠度應(yīng)不大于1.1。而紅粘土的塑性指數(shù)通常大于18，液限通常大于40，這樣能夠飽水的土體在用于路基填筑時應(yīng)合理的控制含水量，以保證其壓實(shí)。論文通過采取沿線不同區(qū)域的紅粘土(共計(jì)30組)進(jìn)行液塑限試驗(yàn)，將其液限與塑性指數(shù)的概率分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到如圖1所示結(jié)果。

由圖1可知，按照規(guī)范要求，能滿足液限與塑性指數(shù)指標(biāo)要求的紅粘土中可直接作為路基填料的占30%，需要改良的占53.4%，而屬于不良土質(zhì)的則占16.6%。

2)CBR強(qiáng)度特征。鐵路路基CBR指標(biāo)的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠反映路基填料在最不利條件下的強(qiáng)度，按照規(guī)定，路基上部的CBR強(qiáng)度不宜小于8、下部不宜小于5，路堤上部不宜小于4、下部不宜小于3，路塹及零填不宜小于8。從表3可知，所取的幾種紅粘土土樣按照CBR指標(biāo)要求沒有能夠直接用于路基上部填筑的，能用于路基下部填筑的也占了很少部分，絕大多數(shù)的紅粘土都不能直接用于路基填筑。

3 紅粘土改良方式

3.1 摻砂礫改良

紅粘土中摻入砂礫改良土體性能的機(jī)理是通過改變土體的物質(zhì)組成，即增大粗顆粒土含量以達(dá)到改善土體性能的目的，并且隨著土體中砂礫含量增加，不良紅粘土可直接變?yōu)榇至Ｍ痢榱蓑?yàn)證砂礫對紅粘土性能的影響，試驗(yàn)采用級配良好的天然砂礫，緊裝密度為1.80 g/cm3，堆積密度為1.70 g/cm3，控制最大粒徑在50 mm以內(nèi)，按照紅粘土∶砂礫為2∶1，3∶2，1∶1，2∶3的設(shè)置，進(jìn)行液限、塑性指數(shù)與CBR指標(biāo)的測試，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，隨著砂礫摻量的不斷增加，所用紅粘土的液限、塑性指數(shù)分別從55.5%，28.9逐漸降低至34.9%，14.2；同時CBR值從17.4%增大到46.5%。并且由上圖看出當(dāng)摻量為30%左右時，液限、塑性指數(shù)及CBR指標(biāo)已經(jīng)能夠滿足鐵路路基填料的要求。因此，鐵路建設(shè)中如果砂礫儲備不足時，可以考慮以30%作為經(jīng)濟(jì)配比。當(dāng)然，如果砂礫來源充足，也可以考慮適當(dāng)?shù)奶岣邠搅恳赃_(dá)到更佳效果。

3.2 摻石灰改良

不良紅粘土中摻加石灰改良土體性能的機(jī)理是讓石灰中的Mg，Ca離子與紅粘土中的Na，K離子發(fā)生陽離子交換，形成分散性較好、親水性較弱的團(tuán)粒，并且加入的石灰長期的與原紅粘土進(jìn)行著結(jié)晶、碳酸化及凝膠作用，這些作用逐漸改變了粘土的粒徑組成與化學(xué)成分，進(jìn)而影響了土體的性質(zhì)。由此可知，石灰改良紅粘土的重點(diǎn)在于要使土體中的Na，K離子與石灰中的Mg，Ca離子發(fā)生陽離子互換。為了驗(yàn)證石灰的改良性能，試驗(yàn)中設(shè)置石灰與紅粘土的比例從3%～7%按1%階梯遞增，測得液限、塑性指數(shù)與CBR變化見圖3。

從圖3可以看出，隨著石灰摻量從3%增加到7%，紅粘土的液限和塑性指數(shù)雖經(jīng)歷波折，但7%的數(shù)值和3%的數(shù)值相差無幾，變化很小。而CBR值則從最初比值為3%的17.0%增加到7%時的56.5%，可見石灰對紅粘土強(qiáng)度的提高具有顯著作用。

3.3 摻二灰改良

鐵路路基處理中經(jīng)常摻入二灰改良，二灰主要是指粉煤灰和生石灰，二者的比例通常在5∶1～4∶1之間，二灰改良路基土的原理與石灰改良差不多，都是通過改變粘土的粒徑組成與化學(xué)成分，進(jìn)而改變土體的性質(zhì)。為了驗(yàn)證二灰的改良性能，試驗(yàn)中設(shè)置二灰與紅粘土按14%，17%，20%，23%比例遞增，測得液限、塑性指數(shù)與CBR變化,見圖4。

從圖4可以看出，隨著二灰摻量從14%增加到23%，紅粘土的液限和塑性指數(shù)總體在降低，但降低幅度不大，效果不太明顯。而CBR值則隨著摻量增加逐漸增大，效果較為顯著，但在10%～15%增大到極大值后開始降低，說明二灰與紅粘土之間的化學(xué)反應(yīng)不強(qiáng)，主要為物理混合。

3.4 摻水泥改良

紅粘土中摻水泥進(jìn)行土體改良的機(jī)理與上面幾種有很大的區(qū)別，主要是紅粘土中的水與水泥發(fā)生水化分解，析出Ca(OH)2等化合物，析出的Ca(OH)2等化合物與土顆粒發(fā)生反應(yīng)或自行硬化后形成固體顆粒骨架，這些骨架增加了土體的穩(wěn)定性與強(qiáng)度，從而達(dá)到改善土體性質(zhì)的目的。為了驗(yàn)證水泥改良紅粘土的性能，試驗(yàn)中設(shè)置水泥與紅粘土按3%，5%，7%的比例遞增，其中水泥采用華宏的P.O32.5普通硅酸鹽水泥，測得液限、塑性指數(shù)與CBR變化見圖5。

從圖5可以看出，隨著水泥摻量從3%遞增到7%，同上面幾種改良方式相似，紅粘土的液限和塑性指數(shù)總體在降低，但降低幅度不大，效果不太明顯，達(dá)不到工程應(yīng)用的條件。但是考慮到土中水泥作用的時效性，在摻水泥10 d后再進(jìn)行液塑限測試，其值基本都降低了4%以上，可以滿足鐵路建設(shè)的需要；而從圖5的右圖可以看出，摻加水泥能夠顯著提高土體CBR的強(qiáng)度，其關(guān)系基本呈開口向上的二次拋物線方式，在水泥摻量7%時其CBR強(qiáng)度達(dá)到了71.5%。

通過上面的幾種改良方案可以發(fā)現(xiàn)，對依托工程沿線的紅粘土改良后其液限、塑性指數(shù)兩個指標(biāo)變化不是太明顯，而CBR值則提高的較為顯著，說明依托工程地區(qū)的紅粘土與外摻物質(zhì)較難發(fā)生離子交互反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)不明顯，大部分是物理混合，紅粘土惰性較強(qiáng)。對比以上幾種方案，并考慮工程目前的材料儲備情況，第一種方案摻加30%的改良方案是最富有成效，也是最經(jīng)濟(jì)的方案。另外，摻加水泥也是一種可行方案，但費(fèi)用較高，且施工也存在一定的困難。

4 結(jié)語

紅粘土作為一種高液限粘土，是路基的不良填筑材料，在鐵路施工時往往棄之不用，造成了大量浪費(fèi)和增加了費(fèi)用。文章通過依托工程進(jìn)行了紅粘土的試驗(yàn)研究，提出了根據(jù)不同礦物成分，化學(xué)成分，物理、力學(xué)的紅粘土進(jìn)行不同的土體改良方案，并且對改良的性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析。最后，文章對依據(jù)依托工程進(jìn)行的幾種紅粘土改良方案從液限、塑性指數(shù)和CBR指標(biāo)進(jìn)行了比較，優(yōu)選出最佳的土體改良方案，以期對類似工程起到借鑒作用。

[1] 劉銀生.高液限粘土適于直接填筑分類指標(biāo)研究[J].中南公路工程，2004，29(1)：77-78.

[2] 黃質(zhì)宏.不同應(yīng)力路徑下紅粘土的力學(xué)特性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，23(15)：103-104.

[3] 趙穎文，孔令偉.廣西紅粘土擊實(shí)樣強(qiáng)度與脹縮性能[J].巖土學(xué)，2004，25(3)：369-373.

[4] 張文敏.廣東韶關(guān)紅粘土特性研究[J].巖土力學(xué)，1991，12(4)：41-51.

[5] 劉龍武，楊和平.紅粘土填料的路用性質(zhì)研究[J].公路，2002，47(6)：126-128.

[6] 白 冰，肖宏彬.軟土若干理論與應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

[7] 閻明禮.地基處理技術(shù)[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1996.

[8] 地基處理手冊編寫委員會.地基處理手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1988.

Railway subgrade engineering approach of red clay

Li Haipeng

(China Railway 20th Bureau Group 4th Engineering Co., Ltd, Ankang 266100, China)

Taking the railway engineering as the background, through indoor test, the paper analyzes physical and mechanical properties of red clay along the railway line. Starting from aspects of gravel, lime, two ash and cement, it explores the red clay improving methods, with a view to select optimal soil improving scheme.

railway, red clay, mechanical property, plastic index

1009-6825(2016)12-0127-03

2016-02-16

李海鵬(1987- )，男，助理工程師

U416.1

A