沈偉升

1 概述

膨脹土中含有強親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石,是具有膨脹性、多裂隙性和超固結(jié)性的高塑性黏性土。膨脹土在我國云南、廣西、四川、安徽、湖南、湖北、河南、山東、吉林、甘肅等多個省市均有分布。膨脹土的脹縮性、超固結(jié)性和多裂隙性給鐵路建設(shè)帶來了相當大的危害。從以往常規(guī)鐵路的工程實踐看,膨脹土地區(qū)既有線的路基完好率僅為 25%,路基基床病害相當普遍,常見的病害有：基床翻漿冒泥、路肩鼓脹、路塹側(cè)溝壁擠出等,邊坡淺層滑坍和深層滑動的比率也較大,而且具有漸進性和長期性的特點。本文以合寧鐵路膨脹土試驗為例,闡述膨脹土改良前后的工程性質(zhì)變化及其改良效果。

2 試驗填料的物理性質(zhì)

選取大榆樹取土場(1號土樣)和王財取土場(2號土樣)土樣作為代表性土樣進行試驗研究,兩取土場的膨脹性分別為弱膨脹土和中等膨脹土,其物理性質(zhì)指標和膨脹性指標見表 1,表 2。

表1 試驗土樣物理性質(zhì)指標

表2 試驗土樣膨脹性指標

粒徑組成是膨脹土性質(zhì)的一項重要參數(shù),特別是粘粒含量,粘粒含量越多往往意味著土體具有更大的膨脹潛勢和更高的塑性。從表 1中可以看出弱膨脹及中膨脹土的顆粒組成以粉粘粒為主,含量均超過90%,粉粒含量要多于粘粒含量。

從兩個取土場的膨脹性指標來看,取土場土源均不宜用作填料,否則土的膨脹性將對路堤造成破壞。室內(nèi)試驗還對每種土源在Kh=0.90,0.95進行了3組濕化試驗,從試驗情況看：浸水 1 h后,土樣呈粒狀崩解約 90%,浸水 2h后,即完全崩解。這說明未經(jīng)改良的膨脹土水穩(wěn)性極差,不宜用作填料。

3 石灰改良膨脹土室內(nèi)試驗

3.1 改良方案

目前處理膨脹土的方法主要是化學改性,如摻石灰、水泥、粉煤灰、氯化納、氯化鈣、瀝青、合成固化劑、合成樹脂和磷酸等等,使之與土壤發(fā)生一定的物理化學反應(yīng),以改變原土的物理力學性質(zhì)來穩(wěn)定膨脹土。路堤填料改良是將粉碎的土和其他添加劑、水進行充分拌合后,再用機械壓實養(yǎng)護而形成穩(wěn)定的土體。本次試驗采用石灰(包括生石灰、熟石灰)對膨脹土進行改良,石灰的摻入比(石灰占干土質(zhì)量的百分比)分別為4%,5%,6%,7%,8%。試驗項目包括改良前后土的顆粒分析、物理性質(zhì)、膨脹性、強度試驗、水理性質(zhì)等。

3.2 顆粒級配變化

從膨脹土改良前后土的電鏡試驗結(jié)果可以明顯看出改良土樣品的結(jié)構(gòu)致密,孔隙明顯減少,蒙脫石球狀集合體的顆粒變粗,比較直觀地說明了石灰改良膨脹土時對其粒徑改變的作用效果。

土樣經(jīng)生、熟石灰改良后顆粒分析結(jié)果見圖 1。試驗土樣經(jīng)石灰改良后其顆粒級配將發(fā)生較大的改變,總的趨勢是細顆粒含量特別是粘粒含量大幅降低,粗顆粒含量增加;熟石灰與生石灰相比,對改良土樣的級配效果上沒有明顯區(qū)別。1號土樣：粘粒含量大幅減少,從改良前的 35.4%～36.8%降低到了改良后的10.0%～23.8%;粉粒含量有所增加,從改良前的 59.3%～60.2%增大到改良后的60.1%～77.4%;砂粒含量明顯增加,從改良前的3.9%～4.4%增大到改良后的5.2%～24.8%。2號土樣：粘粒含量大幅減少,從改良前的34.4%～35.9%左右降低到了改良后的13.2%～24.2%;粉粒含量有所增加,從改良前的 60.4%～61.9%增加到55.9%～76.5%;砂粒含量也明顯增加,從改良前的2.2%～5.4%增加到4.5%～30.3%。

3.3 塑性變化

表3為試樣經(jīng)不同摻灰量石灰改良前后塑性的變化。從表 3中可以看出：膨脹土改良后液限變化不大,但塑限明顯增加,摻灰率超過5%以后,1號土樣從17.0%增加到23.6%～33.7%,2號土樣從16.7%增加到24.6%～36.2%;塑性指數(shù)大幅減小,1號土樣從24.5減小到 5.7～13.3,中等膨脹土從25.8左右減小到4.7～11.5。熟石灰與生石灰相比,對土樣的塑性變化影響沒有明顯區(qū)別。

表3 填料改良前后塑性的變化

3.4 脹縮性變化

對 1號土樣摻 6%石灰、2號土樣摻 7%石灰進行改良前后的膨脹性試驗,結(jié)果見表 4。從膨脹性判別指標來看,石灰改良后土的自由膨脹率降幅較大,蒙脫石含量有一定程度的降低;只有陽離子交換量變化不大,這是受石灰成分的影響。無荷膨脹率和25 kPa,50 kPa有荷膨脹率指標,經(jīng)石灰改良后基本降低到 0;膨脹力指標,從改良前的89 kPa～163 kPa降低到改良后的0 kPa～7 kPa。這些數(shù)據(jù)說明膨脹土經(jīng)石灰改良后膨脹性可以大幅降低,可見石灰改良其膨脹性的效果是明顯的。從表 4中還可以看出,膨脹土經(jīng)石灰改良后的收縮系數(shù)也有較大程度的降低,說明石灰改良能改善膨脹土的失水收縮特性。綜上所述,膨脹土經(jīng)石灰改良以后,能夠大大改善其吸水膨脹、失水收縮的不良工程特性。

表4 膨脹土摻石灰改良前后的膨脹性指標變化

3.5 無側(cè)限強度變化

對土樣石灰改良前后的7 d齡期飽和無側(cè)限抗壓強度(養(yǎng)護6 d,浸水 1 d)和無側(cè)限抗壓強度對每種配比進行了 6組試驗,取平均值,其結(jié)果見圖 2,圖 3?？梢钥闯?試樣經(jīng)石灰改良后其 7 d齡期飽和無側(cè)限強度大幅增加,為改良以前的 2倍 ～7倍,無側(cè)限強度增幅較小,為改良以前的 1倍～2倍。

對于最佳摻灰率(1號土樣6%,2號土樣7%),當K=0.90時(對應(yīng)基床以下路堤),飽和無側(cè)限強度平均值為375 kPa～488 kPa;當K=0.95時(對應(yīng)基床底層路堤),飽和無側(cè)限強度平均為534 kPa～768 kPa,均滿足TB 10621-2009高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)的要求。

試樣改良前的無側(cè)限強度為306 kPa～770 kPa,飽和無側(cè)限強度僅為6 kPa～13 kPa,試樣飽和后其無側(cè)限抗壓強度降幅超過95%;改良后飽和無側(cè)限抗壓強度比無側(cè)限強度降低12%～61%,飽和無側(cè)限強度的增幅明顯高于無側(cè)限強度的增幅,說明石灰改良膨脹土對改善其在浸水條件下的力學性能具有明顯作用。

3.6 剪切強度變化

對試樣改良前后進行了直剪(快剪)、排水反復(fù)直剪試驗和三軸固結(jié)不排水剪切試驗,每種情況各做 3組～6組試驗,取其平均值,結(jié)果見表 5。從表 5中可以看出,石灰改良后直剪 C值無明顯規(guī)律的變化,φ值增幅較大,從25.1°～31.0°增加到35.0°～49.1°。改良后殘余強度指標Cr值有一定的增加,增幅為 11%～353%,φr值變化不大;三軸試驗表明,改良后粘聚力、有效粘聚力指標均大幅增加,增幅分別為3.7倍～13.7倍、1.5倍 ～8.4倍;內(nèi)摩擦角、有效內(nèi)摩擦角指標有一定程度的增加,增幅分別為 18%～57%, 10%～55%。

表5 膨脹土改良后直剪強度指標統(tǒng)計表

3.7 水穩(wěn)性變化

室內(nèi)試驗還對每種土源在K=0.90,0.95改良前后各種配比進行了 3組濕化試驗,從試驗情況看：浸水 1 h后,素土夯實土樣呈粒狀崩解約 90%,浸水 2 h后,即完全崩解。這說明未經(jīng)改良的膨脹土水穩(wěn)性極差,不宜用作填料;改良以后,浸水 48 h無崩解,這說明膨脹土經(jīng)石灰改良后水穩(wěn)性大大提高,這是改良膨脹土作為路堤填料比膨脹土直接作為填料的最大優(yōu)勢之一。

為了了解改良土在長時間浸水條件下的強度變化特點,試驗進行了改良土養(yǎng)護 7 d后浸水7 d,14 d的無側(cè)限強度試驗,試驗結(jié)果見表 6。從表6中可以看出,各種情況下的 14 d無側(cè)限強度均要大于7 d無側(cè)限強度,而且其強度均大于1 MPa,浸水時間對強度衰減的影響被改良土的強度增長所抵消。生、熟石灰改良對試樣強度的影響在其他試驗中表現(xiàn)得并不明顯,但在浸水條件下生石灰改良土表現(xiàn)出了比較明顯的優(yōu)勢,其強度要超過熟石灰改良土強度的 22%～36%。這說明了改良土路堤初期保濕養(yǎng)生的重要性,特別是對生石灰改良土來說,保持適當?shù)暮繉ζ涑浞峙c土發(fā)生反應(yīng),提高強度是有益的。總的來說,膨脹土經(jīng)石灰改良后,水穩(wěn)性大大改善,在浸水 14 d條件下仍能保持較高的強度,濕化試驗也未見明顯崩解。

表6 長期泡水飽和無側(cè)限強度 kPa

3.8 動力特性

同濟大學在合寧鐵路進行了改良膨脹土路堤的激振試驗,驗證了改良土的動力特性,詳見文獻[2]。從試驗結(jié)果來看,當動應(yīng)力水平在90 kPa～100 kPa時,經(jīng)過150萬次激振,基床表層的彈性變形為0.29mm～0.32mm,塑性變形為0.9mm～1.1mm,滿足高速鐵路對路基填料的要求。

4 結(jié)語

通過對合寧線代表性膨脹土試樣進行石灰改良前后的室內(nèi)試驗對比,得出了膨脹土經(jīng)石灰改良前后的物理力學性質(zhì)的變化：1)顆粒級配：粘粒含量大幅減少,粉粒含量有所增加,砂粒含量明顯增加,從電鏡照片上看,試樣改良后土體結(jié)構(gòu)更為致密,孔隙明顯減小。2)塑性：膨脹土改良后塑性指數(shù)明顯降低,由改良前的 24.5～25.8降低到 4.7～13.3。3)脹縮性：膨脹土改良后自由膨脹率、膨脹力、無荷膨脹率、有荷膨脹率、收縮系數(shù)大幅度降低,說明膨脹土經(jīng)石灰改良以后,能夠大大改善其吸水膨脹、失水收縮的不良工程特性。4)強度：膨脹土改良后飽和無側(cè)限強度、無側(cè)限強度、抗剪強度均得到較大提高,石灰改良膨脹土對改善膨脹土在浸水條件下的力學性能具有明顯作用。5)水穩(wěn)性：浸水2 h后,改良前膨脹土素土擊實樣即完全崩解;經(jīng)石灰改良以后,浸水48 h無崩解;重型擊實試樣,養(yǎng)護7 d浸水7 d～14 d,其無側(cè)限強度大于 1MPa,這說明膨脹土經(jīng)石灰改良后水穩(wěn)性大大提高。

[1] TB 10621-2009,高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S].

[2] 鄭大為,王炳龍,周順華,等.合寧快速客運專線膨脹土不同剛度路堤振動特性研究[J].巖石力學與工程學報,2006,25 (2)：18-19.

[3] 朱忠林,馬偉斌,史存林.合寧線試驗段路塹基床地基動力特性試驗研究[J].鐵道建筑,2007(2)：44-45.

[4] 李慶鴻.新建時速 200公里鐵路改良膨脹土路基施工技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社,2007.

[5] 譚松林,黃 玲,李玉花.加石灰改性后膨脹土的工程性質(zhì)研究[J].工程地質(zhì)學報,2009(3)：36-37.