連繼峰，楊有海

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)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(jí)為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)。正線線下設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為200 km/h，線上設(shè)計(jì)速度目標(biāo)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(duì)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(wú)機(jī)改良材料和聚丙烯酰胺等有機(jī)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(lǐng)域中的重要問題之一。文獻(xiàn)[1]結(jié)合合寧鐵路路基試驗(yàn)工程，進(jìn)行膨脹土填料的室內(nèi)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(jié)論。文獻(xiàn)[2]通過對(duì)濟(jì)南、淄博地區(qū)膨脹土的室內(nèi)試驗(yàn)分析，認(rèn)為石灰劑量的最佳配比為6%。吳新明[3]通過室內(nèi)不同水泥摻量比的系列試驗(yàn)，認(rèn)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(nèi)試驗(yàn)，認(rèn)為摻入粉煤灰可有效降低膨脹土的膨脹性。文獻(xiàn)[5]研究了摻入石灰的粉煤灰強(qiáng)度特性，建議配合比為生石灰粉 ∶粉煤灰=(1∶9)～(2∶8)(干灰質(zhì)量比)。

因此，筆者結(jié)合滬漢蓉通道武康二線鐵路路基膨脹土填料進(jìn)行定量改良試驗(yàn)，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(nèi)基本試驗(yàn)對(duì)5%石灰改良膨脹土的脹縮性進(jìn)行分析，且通過強(qiáng)度特性試驗(yàn)對(duì)改良膨脹土的強(qiáng)度特性、齡期效應(yīng)、干濕循環(huán)效應(yīng)、水穩(wěn)定性等方面做對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)的目的及方法

試驗(yàn)的目的是通過室內(nèi)基本試驗(yàn)，研究素土(重塑膨脹土)和改良膨脹土的脹縮性、強(qiáng)度特性、齡期效應(yīng)、水穩(wěn)定性和抵抗干濕循環(huán)強(qiáng)度降低特性，根據(jù)試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，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(jìn)行的室內(nèi)基本試驗(yàn)包括界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、自由膨脹率試驗(yàn)、無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

強(qiáng)度特性試驗(yàn)方法是對(duì)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(tài)下，在相同壓實(shí)系數(shù)(K=0.95)、相同養(yǎng)護(hù)齡期(t=28 d)及相同養(yǎng)護(hù)方法條件下進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究。三軸壓縮試驗(yàn)的圍壓為σ3=25，50，100 kPa和150 kPa，試件規(guī)格為 39.1 mm2×80 mm。

2 膨脹土室內(nèi)基本試驗(yàn)

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(chǎn)生往復(fù)脹縮變形的黏性土[6]。通過室內(nèi)試驗(yàn)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(yàn)與擊實(shí)試驗(yàn)

通過對(duì)土樣的液、塑限的測(cè)定也能對(duì)膨脹土的膨脹性能強(qiáng)弱進(jìn)行定性判斷[7]。膨脹土的液限wL和塑性指數(shù)Ip越大，持水能力越強(qiáng)、水穩(wěn)定性就越差、脹縮性能也越大;相反，液限wL和塑性指數(shù)Ip的減小將有利于膨脹土的水穩(wěn)定性增加和強(qiáng)度增強(qiáng)。擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定的最優(yōu)含水率和最大干密度是控制路基填筑質(zhì)量的重要指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由試驗(yàn)結(jié)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(shù)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(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)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?yàn)殡S著石灰的摻入，石灰和膨脹土發(fā)生了一系列化學(xué)作用(離子交換作用、碳酸化作用、膠凝作用和結(jié)晶作用等)，促使其結(jié)構(gòu)單元發(fā)生有規(guī)律的變化，細(xì)小孔隙增多，結(jié)構(gòu)變疏松，從而有助于增強(qiáng)膨脹土的穩(wěn)定性。

2.2 壓縮試驗(yàn)

由于土體具有壓縮性，所以在上部荷載作用下必然會(huì)發(fā)生壓縮沉降。一般用壓縮系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)土體的壓縮性，它是評(píng)價(jià)路基沉降變形的重要指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)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(shù) av1－2在 0.1 MPa－1～ 0.5 MPa－1之間);壓縮系數(shù)av1－2隨壓實(shí)系數(shù)K增大而減小，壓縮模量Es1－2隨壓實(shí)系數(shù)K增大而增大，這是因?yàn)橥缓肯聣簩?shí)系數(shù)小時(shí)，土的結(jié)構(gòu)較為疏松，土顆粒容易相互錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生高的壓縮變形。隨著壓實(shí)系數(shù)的增大，土顆粒相對(duì)移動(dòng)不顯著，產(chǎn)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(shù) av1－2均降低，壓縮模量 Es1－2增加，由中等壓縮性土變?yōu)榈蛪嚎s性土(壓縮系數(shù) 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(yàn)結(jié)果

2.3 自由膨脹率試驗(yàn)與無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)

自由膨脹率Fs是反映黏性土的膨脹性的指標(biāo)之一，它與黏土礦物成分、膠粒含量、化學(xué)成分和水溶液性質(zhì)等有著密切的關(guān)系。自由膨脹率試驗(yàn)的目的是測(cè)定黏性土在無(wú)結(jié)構(gòu)力影響下的膨脹潛勢(shì)，初步評(píng)定黏土的脹縮性。無(wú)荷膨脹率VH是試樣在有側(cè)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(yàn)結(jié)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(lái)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(wú)荷膨脹率VH隨著壓實(shí)系數(shù)K的增大而增加，5%石灰改良土的無(wú)荷膨脹率VH在相同的壓實(shí)系數(shù)K下均有顯著的減小，且隨著壓實(shí)系數(shù)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(yàn)結(jié)果

3 各種改良膨脹土試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比

對(duì)重塑膨脹土及其改良膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行分析。各種改良膨脹土試樣在養(yǎng)護(hù)齡期t為28 d，壓實(shí)系數(shù)K為0.95，非飽和(最佳含水率wopt)狀態(tài)時(shí)的內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同改性方案強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比結(jié)果

從表4中可見，重塑土經(jīng)各種改良后內(nèi)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(nèi)摩擦角φ增加最為明顯，為39.6°;且改良后的黏聚力c和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu較重塑土均有大幅增加。摻5%水泥改良后各強(qiáng)度指標(biāo)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(gè)角度來(lái)說，二灰土中起主要作用的還是石灰。對(duì)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(qiáng)度就有很大的提高，進(jìn)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(qiáng)度以及經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說，石灰改良土效果更佳。

3.2 齡期效應(yīng)的對(duì)比

根據(jù)不同改良方案，在壓實(shí)系數(shù)K為0.95，非飽和狀態(tài)時(shí)，討論在養(yǎng)護(hù)齡期t分別為7、28、90 d時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu的變化情況。如圖1所示。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu值隨齡期t增加增長(zhǎng)最大，且齡期t在90 d時(shí)，qu值增大到2 500 kPa。其次是5%水泥，但t為28 d以后增長(zhǎng)緩慢，二灰土的早期qu值較水泥并不大，但t為90 d時(shí)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(tài)，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(huán)對(duì)比

在實(shí)際路基工程中，路基本體會(huì)經(jīng)常受到地表水和地下水的浸濕，表5為各種改良土在養(yǎng)護(hù)齡期t為28 d，壓實(shí)系數(shù)K為0.95，非飽和狀態(tài)時(shí)在反復(fù)干濕循環(huán)下的強(qiáng)度指標(biāo)。從表5中可以看出:經(jīng)干濕循環(huán)10次后，5%石灰改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu最高，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，20%粉煤灰改良膨脹土的很低，5%水泥改良膨脹土的強(qiáng)度要比5%石灰改良膨脹土的低得多，但經(jīng)過10次循環(huán)后無(wú)側(cè)限強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，這是水泥改良膨脹土齡期效應(yīng)的作用，而20%的粉煤灰改良土經(jīng)過1次干濕循環(huán)，其無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度qu就由905.8 kPa降到了100.9 kPa，并且隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加并沒有出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。二灰改良膨脹土后無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度 qu逐漸下降，經(jīng)過10次后由1 415 kPa下降到604.3kPa。另外黏聚力c在各個(gè)改良土試驗(yàn)中也有類似的變化趨勢(shì)，依舊是5%的石灰改良膨脹土從干濕循環(huán)1次到10次有增大的趨勢(shì)，且黏聚力c值第10次干濕循環(huán)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(huán)后強(qiáng)度降低的特性。

表5 各種改良方案干濕循環(huán)下的指標(biāo)

3.4 水穩(wěn)定性對(duì)比

在壓實(shí)系數(shù)K分別在0.90和0.95時(shí)養(yǎng)護(hù)齡期t為28 d，討論各種改性方案的水穩(wěn)定性指標(biāo)，軟化系數(shù)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(shù)η在0.30～0.38，與重塑土相差不大，說明粉煤灰對(duì)膨脹土的水穩(wěn)定性的改良效果并不明顯;水泥改良膨脹土的軟化系數(shù) η在0.52～0.65，未達(dá)到0.70以上，水泥改良土的水穩(wěn)定性仍不滿足路基工程的要求;5%石灰改良膨脹土的水穩(wěn)定性軟化系數(shù)η在0.7以上，且當(dāng)K為0.95時(shí)，軟化系數(shù)η為0.92，說明5%石灰改良膨脹土具有很好的水穩(wěn)定性;二灰土改良膨脹土軟化系數(shù)η在0.44～0.51，可以認(rèn)為二灰土中隨著石灰摻量的增加，軟化系數(shù)也在增大，即二灰改良膨脹土的水穩(wěn)定性與石灰摻量有關(guān)，石灰摻量越大，水穩(wěn)定性越好。

表6 不同改性方案的水穩(wěn)定性指標(biāo)

4結(jié)論

通過室內(nèi)基本試驗(yàn)和強(qiáng)度特性試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析得出如下結(jié)論。

(1)該段膨脹土經(jīng)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(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，可以使膨脹土的基本特性發(fā)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(duì)膨脹土強(qiáng)度特性提高及水穩(wěn)定性改善均有作用，對(duì)比其他改良膨脹土強(qiáng)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(yīng)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu隨著養(yǎng)護(hù)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(yǎng)護(hù)齡期28 d以后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(huán)的特性，而且其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu和黏聚力c隨著干濕次數(shù)的增加有逐漸增大的趨勢(shì)。

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

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