■王江琛 ■中鐵武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430000

1 概況

宜昌紫云地方鐵路枝江至云池段鐵路線位于枝江紫荊嶺和宜昌猇亭區(qū)之間，為江漢平原西緣，丘陵與平原的過渡地帶，由低丘或坡度較緩、連綿不斷的長(zhǎng)江高階地經(jīng)長(zhǎng)期風(fēng)化、剝蝕和切割而成，為低丘壟崗和長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地地貌。低丘壟崗地段廣泛分布有第四系中、上更新沖洪積黏性土，具弱-中等膨脹性，遇水膨脹，失水收縮。全線膨脹土地段總長(zhǎng)約10．41km，占線路總長(zhǎng)44．7%。

表1 沿線膨脹土分布范圍一覽表

膨脹土對(duì)線路路基影響較大，因此，當(dāng)膨脹土作為路基填料時(shí)，需進(jìn)行改良整治，避免路基病害的發(fā)生。

2 工程地質(zhì)特征

2．1 地形地貌

該膨脹性黏土分布地段為紫云地方鐵路長(zhǎng)江的二、三級(jí)階地及高級(jí)階地與幕阜山北麓之間的丘陵。高級(jí)階地經(jīng)剝蝕呈壟崗地形，殘丘土崗和寬闊的坳溝相間排列，自然坡度平緩，具有典型的膨脹土地區(qū)地貌特征。

2．2 巖土物理力學(xué)性質(zhì)

沿線分布的膨脹性黏土為第四系中、上更新統(tǒng)(Q2～3)地層，以沖積、洪積為主，主要為黃色、棕紅色間灰白色網(wǎng)紋狀黏土，含較多黑色鐵錳結(jié)核及銹斑，層厚10～30米。自由膨脹率42～57%，蒙脫石含量7．24～16．3%，陽離子交換量 CEC(NH+4)183～256mmol/kg。其中在DK2+475～DK4+330段，取土樣試驗(yàn)結(jié)果如下表:

表2 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)《鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》(TB10077-2001 J123-2001)中對(duì)膨脹土按自由膨脹率FS、蒙脫石含量M、陽離子交換量CEC(NH+4)等膨脹潛勢(shì)指標(biāo)分級(jí)，判定紫云鐵路分布的老黏土屬弱膨脹土。

2．3 水文及氣象特征

沿線湖塘散布、水系發(fā)育。上部地層中的地下水主要是孔隙潛水，水位和水量受大氣降水影響。

沿線屬亞熱帶季風(fēng)區(qū)，處在北溫帶和亞熱帶過渡地帶，夏季炎熱多雨，冬季低溫少雨，秋溫高于春溫，春雨多于秋雨，春秋較長(zhǎng)，年平均降雨量1213mm。大氣急劇影響深度為1．2～1．5m。

3 膨脹土的脹縮機(jī)理及其影響因素

3．1 膨脹土的脹縮機(jī)理分析

黏性土中細(xì)微顆粒間并不直接接觸，而是通過各自的水化膜彼此連接。膨脹土中的黏粒主要是蒙脫石、伊利石等強(qiáng)親水性礦物，當(dāng)水滲入土體后，極性水分子被吸附在黏土礦物顆粒的周圍，形成表面結(jié)合水(水化膜)，由于水膜擴(kuò)散層加厚，使固體顆粒之間的距離增大，從而導(dǎo)致土體積產(chǎn)生膨脹。當(dāng)介質(zhì)條件發(fā)生改變，使土體中的結(jié)合水膜變薄或消失時(shí)，粒間距離縮小，從而導(dǎo)致土體積縮小。土顆粒與水溶液發(fā)生離子交換作用，容易引起土體顆粒之間的聯(lián)系被破壞，造成土體強(qiáng)度降低。［1］

綜上所述，膨脹土體濕度的變化，引起土顆粒間水化膜厚度變化，導(dǎo)致土體積的脹縮。此即為膨脹土脹縮機(jī)理的實(shí)質(zhì)和核心。

3．2 膨脹土脹縮性的影響因素

由以上分析可知，膨脹土的脹縮性與礦物成分、膠粒含量以及吸附的陽離子種類等因素有著直接的關(guān)系。土體的礦物成分和大氣降雨和蒸發(fā)等是膨脹土脹縮性影響的最主要因素。

(1)土體的礦物組成、化學(xué)成分及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，均對(duì)其脹縮性產(chǎn)生影響。蒙脫石的離子交換量、比表面積均較大，這樣極性水分子最容易進(jìn)入其單位晶層間，形成水膜夾層，產(chǎn)生晶格擴(kuò)張。由此可知，蒙脫石含量是影響膨脹土脹縮性的主要內(nèi)在因素。

(2)土體的初始含水量也是其膨脹性的影響因素。試驗(yàn)證明:土體的初始含水量越低，浸水后產(chǎn)生的膨脹量和膨脹力就越大;反之，則越小。

(3)土體的脹縮變形是由于土中濕度狀況變化的結(jié)果，而促使土的濕度發(fā)生改變的氣候諸因素，都是造成土體發(fā)生體變的誘發(fā)因素。

4 整治改良措施

4．1 生石灰對(duì)膨脹土的改良機(jī)理［2］

石灰是一種較為普遍而又經(jīng)濟(jì)的建筑材料，被廣泛應(yīng)用到地基土處理和改良中。將生石灰摻合到膨脹土中后，產(chǎn)生一系列的物理-化學(xué)反應(yīng)，即所謂的灰土作用。即空氣和水中溶解的CO2由混合料的孔隙滲入土體，生石灰遇水生成的Ca(OH)2，經(jīng)過碳酸化作用形成Ca-CO3，而具有較高的強(qiáng)度和水穩(wěn)性，它對(duì)土顆粒的膠結(jié)作用使得土的強(qiáng)度得到提高。

CaO+H2O→Ca(OH)2Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

灰土作用的強(qiáng)度是生石灰改良膨脹土的關(guān)鍵所在。大氣和雨水中的CO2通過孔隙滲入到土體，經(jīng)過碳酸化作用形成CaCO3是一個(gè)緩慢的過程，故改良土從初始強(qiáng)度到后期強(qiáng)度形成，需要一定的時(shí)間:初始強(qiáng)度形成→水穩(wěn)性提高→灰土強(qiáng)度的延續(xù)→后期強(qiáng)度形成。

4．2 石灰對(duì)膨脹土的改良效果［3］

4．2．1 石灰對(duì)膨脹土脹縮性的改良

將不同配合比的石灰土(生石灰與土的干重比)進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3和圖1。

表3 不同摻灰量石灰土的自由膨脹率

圖1 不同配合比灰土的自由膨脹率Fs

試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入石灰的膨脹土較天然土樣的自由膨脹率急劇降低。隨石灰含量的增加而減小的趨勢(shì)是由陡到緩。

4．2．2 灰土強(qiáng)度的提高

對(duì)摻入石灰比例為0%、3%、5%、7%、9%、12%、15%的石灰土試樣均在含水量為26%左右條件下保水養(yǎng)護(hù)3天和28天后，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖2:

表4 不同灰土比的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)果表明，石灰土的擊實(shí)樣比天然土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)提高了2．5～9倍，提高后的強(qiáng)度已能滿足鐵路路基床基的強(qiáng)度要求。

從圖2可以直觀地發(fā)現(xiàn)，兩種情況下，都是摻入石灰量為5%的無側(cè)限抗壓強(qiáng)最大，而摻入石灰量為3%、7%、9%、12%、15%的較之均小。這一特點(diǎn)在兩種養(yǎng)護(hù)方法中均有不同程度的體現(xiàn)。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3天和28天的強(qiáng)度不同，則反映了灰土從初期強(qiáng)度到后續(xù)強(qiáng)度的形成。養(yǎng)護(hù)3天時(shí)，只是灰土初期強(qiáng)度形成，因而強(qiáng)度較低;而灰土后期強(qiáng)度一般需在3～4周后才能形成，故養(yǎng)護(hù)28天后，灰土的強(qiáng)度大幅度提高。

綜合考慮摻入生石灰量對(duì)膨脹性改善和強(qiáng)度提高的影響，5%～7%的配合比是最佳配合比的參考值。

4．3 改良土施工質(zhì)量的控制

膨脹土中加入生石灰不僅能顯著降低膨脹土的脹縮性，還可以提高膨脹土的強(qiáng)度，增強(qiáng)基床土水穩(wěn)性。在施工過程中，要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，嚴(yán)格按配合比進(jìn)行拌和，將混合料的含水量控制在最優(yōu)含水量值上下，嚴(yán)格按程序施工。

為保證生石灰與膨脹土拌和的均勻性，改良土拌和前應(yīng)首先對(duì)原填料進(jìn)行粉碎、清除雜質(zhì)，測(cè)含水量等工作，原填料在路基上攤鋪后，各項(xiàng)要求達(dá)到后，按5% ～7%的比例摻入石灰粉，用旋耕犁拌和均勻，使混合料色澤一致，沒有灰條、灰團(tuán)和花面，且水分合適均勻，每層壓實(shí)厚度為30～40cm。每?jī)蓪咏Y(jié)合部位進(jìn)行拉毛處理，以加強(qiáng)上下層的黏結(jié)。

改良土填筑應(yīng)采用重型機(jī)械碾壓，碾壓到一定程度后，噴水養(yǎng)護(hù)，再碾壓，同時(shí)配合使用核子密度儀、K30載荷板、輕型動(dòng)力觸探等手段檢測(cè)，直到填土達(dá)到最佳密實(shí)度的90%以上;對(duì)于既有線應(yīng)分段換填處理，采用小型機(jī)械夯實(shí)，并且特別注意路肩部分碾壓質(zhì)量。

5 結(jié)語

(1)隨著鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，新建鐵路等級(jí)愈來愈高，特殊土路基的勘察、設(shè)計(jì)、施工應(yīng)引起足夠的重視。

(2)利用生石灰改良膨脹土?xí)r，生石灰的最佳摻入量與膨脹土的礦物成分及其含量有關(guān)，必須通過試驗(yàn)確定其配合比。改良深度應(yīng)根據(jù)膨脹土的等級(jí)及大氣影響深度等因素確定，具體情況具體分析。

(3)本文僅就利用生石灰改良膨脹土路基基床進(jìn)行了粗淺的探討，在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)膨脹土的礦物成分、膨脹潛勢(shì)等級(jí)、大氣影響深度等因素綜合分析，配合使用土工材料，采用綜合措施，方能取得較好的效果。

［1］繆林昌．膨脹土的強(qiáng)度與含水量的關(guān)系．巖土力學(xué)，1999，20(2)．

［2］惠會(huì)清．石灰、粉煤灰改良膨脹土性質(zhì)機(jī)理．長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2006，(2):34-37．

［3］邊加敏．石灰改良膨脹土強(qiáng)度試驗(yàn)．長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2013，(2)．