陳娟CHEN Juan

（廣西世誠工程檢測有限公司，柳州545005）

1 工程簡介

在新建南寧至玉林鐵路№RZ1 標施工時，由于路基挖方土體約62 萬立方具有膨脹性，不能直接作為路基填料而丟棄。同時路基土方填筑量達156 萬立方，可用作路基填筑的合格挖方土體及隧道棄碴合計僅為89 萬元立方，即本項目需約借土67 萬立方。大量土體丟棄需設(shè)置大面積棄土場，大量借土也需征用大面積取土場，無疑對自然環(huán)境造成不良影響及增加施工成本，故本項目擬對挖方的膨脹土進行改良合格后用于路基填筑，不僅能把對環(huán)境的破壞降至最低，且節(jié)約了施工成本。

2 膨脹土加固方案的選定

國內(nèi)外對于膨脹土的改良、處治技術(shù)分為物理及化學(xué)方法。物理方法主要含換填、外加剛性加固物等。物理方法治理膨脹土具有耗時耗力，施工成本高等缺點，在實際施工時應(yīng)用較少；化學(xué)方法主要是摻入固化劑，化學(xué)方法因為效果顯著、施工快速及施工成本低而得廣泛的應(yīng)用?；瘜W(xué)固化法也從傳統(tǒng)的水泥、石灰作固化劑發(fā)展到有機聚合物再到最新的表面活性劑等；因摻入有機聚合物及表面活性劑技術(shù)尚未完全成熟，存在一定的技術(shù)風(fēng)險，故本項目重點還是考慮摻入石灰或是水泥對膨脹土進行化學(xué)改良的方法。

經(jīng)對以往施工的成功經(jīng)驗進行總結(jié)，并結(jié)合項目所在地南寧地區(qū)石灰和水泥市場供應(yīng)情況、施工成本等各方面因素進行綜合考慮，本項目決定采用摻入水泥對膨脹土進行改良。

因施工實踐表明，沒有任何一處的膨脹土加固的技術(shù)參數(shù)是萬能通用的，對于每一個具體的工程項目均需根據(jù)該項目的膨脹土特性、工程要求、施工工期、施工機械設(shè)備、加固措施及加固成本等因素進行膨脹土加固試驗，以確認該方法的技術(shù)可行性和經(jīng)濟可行性，同時獲得現(xiàn)場施工參數(shù)，重點是最佳水泥摻入比例，以達到科學(xué)有效，經(jīng)濟可行的目標。

3 水泥加固膨脹土室內(nèi)試驗研究

3.1 試驗方案

3.1.1 試驗土樣的選擇及特性

選取本項目2 處膨脹性最強的土體作為研究對象，分別于施工里程DK104+580、DK125+795 處進行取土，編號分別為A、B。

土樣呈灰色，粘性，表面光滑呈蠟狀，具有膨脹土的典型外觀特征。經(jīng)過試驗及檢測分析，土樣礦物成分如表1所示，土樣性能指標如表2 所示。

表1 土樣的礦物成分（采用X 射線試驗所得）

表2 膨脹土性能指標

據(jù)上述表1、表2 可得，該土樣的礦物成分中蒙脫石含量最高達26%，塑性指數(shù)超過25%，自由膨脹率超過60%，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GB50112-2013）、《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》（TB10038-2012）評判標準，可判定A、B 土樣均是具有中等膨脹性的膨脹土。

3.1.2 加固劑選用

加固劑選用廣西魚峰水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥（P.O）。

3.1.3 試驗方法

試驗的目的是驗證水泥處治膨脹土在本項目的技術(shù)可行性，并在技術(shù)可行的基礎(chǔ)上，通過對比不同水泥摻入量下膨脹土的強度和膨脹性等指標變化情況，得出水泥的最佳摻入量。

水泥摻入量按土體干質(zhì)量的4%、6%、8%、10%分級進行。

化學(xué)處治膨脹土控制土體處于最佳含水量及最大干密度時，可達到最佳的處治效果，故本項目進行驗證試驗時，按最佳含水量及最大干密度進行指標控制。

3.2 試驗結(jié)果及分析

3.2.1 界限含水量試驗研究

在進行工程地質(zhì)勘察時，土體液限（WL）、塑限（WP）和塑性指數(shù)（IP）是進行土樣類別劃分和評價土體工程性質(zhì)的關(guān)鍵依據(jù)和指標，由《土工試驗規(guī)程》（SL237-199）的相關(guān)規(guī)定，進行粘性土的工程性能評價時，需進行土體液塑限等項目的試驗。對于膨脹土的工程特性而言，界限含水量也是一個重要指標，能夠反映土體的膨脹特性，其指標值的變化在一定程度上能夠反映水泥改良膨脹土的效果。

采用液塑限聯(lián)合測定儀進行液塑限測定，先向土體按干重量4%、6%、8%、10%的比例摻入水泥，按規(guī)定的試驗環(huán)境及要求進行7d 養(yǎng)護。然后將不同比例的水摻入烘干土體中，使土體具有不同的含水量，然后悶料1d，使水份與土體充分和均勻混合后進行液塑限測定。

本項目土樣界限含水量試驗研究結(jié)果匯總于表3，圖1 為水泥不同摻量下液限、塑性指數(shù)變化曲線。

表3 土樣液塑限試驗結(jié)果

從表3 的試驗數(shù)據(jù)及圖1 可以看出，摻入水泥后土樣的液限、塑限和塑性指數(shù)出現(xiàn)明顯的下降，說明膨脹土的水穩(wěn)定性在摻入水泥后能夠得到很好的改善，大幅降低了土體顆粒對于液相水的敏感性，即改變了土樣的遇水膨脹性。

由表3 的試驗數(shù)據(jù)及圖1 還可以看出，隨著水泥摻入比例從由小至大，土樣的液限、塑限降幅較大，但當水泥摻入比例超過6%后，以上指標的降低幅度明顯趨緩，甚至沒有明顯變化，表明就降低土體界限含水量而言，最佳水泥摻入量是6%。

3.2.2 擊實試驗

土體的最大干密度和最佳含水率是本次試驗研究不可或缺的參數(shù)指標，故需進行擊實試驗，以測定上述兩個指標在不同水泥摻入量時的變化情況。

采用輕型擊實方法進行擊實試驗，通常取5～6 個不同含水量（不同土樣含水量級差2%）的土樣，拌和均勻后同樣密封悶樣24h，以使土與水充分混合。試驗結(jié)果匯總表4中，圖2 為水泥不同摻量下最大干密度變化曲線。

圖1 水泥不同摻量下液限、塑性指數(shù)變化曲線

表4 擊實試驗結(jié)果表

圖2 水泥不同摻量下最大干密度變化曲線

由表4、圖2 可看出，隨著水泥摻入量的增加，土體的最大干密度值增大，最佳含水量降低，且最大干密度的增長與水泥摻入量基本成正比的關(guān)系。

3.2.3 自由膨脹率試驗研究

膨脹土對建（構(gòu)）筑物造成破壞來自于其膨脹性，故降低其膨脹性能是本次試驗的最重要目的。為對比各種水泥摻入量的加固有效性，通過無荷載膨脹量試驗以驗證不同摻量下的固化效果。試驗結(jié)果匯總表5 中，圖3 為自由膨脹率變化曲線圖。

將不同比例的水泥摻入土體后，其膨脹性得到顯著的降低，由表5、圖3 可看出，中等膨脹性的天然原狀土經(jīng)過水泥化學(xué)改良后，其膨脹率顯著下降，隨著水泥摻入比例的上升，自由膨脹率也隨之下降，當水泥摻入量為6%時，A、B 土樣的膨脹率均小于40%，表明已消除膨脹土的膨脹性。當水泥摻入比例為8%時，自由膨脹率為最小，此后隨著水泥摻量達到10%時，自由膨脹率稍有增加，呈現(xiàn)上升趨勢，總體而言，膨脹率的衰減與水泥摻入比例呈下凹曲線形狀。

表5 水泥不同摻量下自由膨脹率變化表

圖3 水泥不同摻量下自由膨脹率變化曲線圖

3.2.4 改良土的力學(xué)特性

通過水泥的加固作用，使土樣的細觀結(jié)構(gòu)得到重塑，從而引起土體力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，我們需要知道摻入水泥固化劑后，土體的強度變化情況，評估水泥摻入對土體強度的影響。故進行了不同水泥摻入量下的無側(cè)限抗壓強等試驗。

在土樣中摻入不同比例的水泥后，無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果匯總表6 中，圖4 為強度指標變化曲線圖。

表6 水泥改良膨脹土強度指標變化表

圖4 水泥不同摻量下土樣強度變化曲線

由表6 數(shù)據(jù)及圖4 可看出，將水泥摻入膨脹土，對于提高土體抗壓強度的效果非常明顯的，從強度變化曲線來看，隨水泥摻入比例的提高，土體的無側(cè)限抗壓強度基本呈線性增長趨勢。說明水泥與膨脹土間出現(xiàn)凝硬的化學(xué)反應(yīng)，生成難溶于水的水化物，提高了土體強度，改善了土體的工程性質(zhì)，雖然本試驗的主要目的是處治土體的膨脹性，但在處理膨脹性的同時，還提高了土體強度，具有重要的工程意義。

4 加固效果評價及確定最佳摻入量

自由膨脹率和界限含水量是判斷土體膨脹性的兩大指標，而工程設(shè)計的重要指標是無側(cè)抗壓強度。因此，需根據(jù)各比例水泥摻入量得到的各指標變化情況及經(jīng)濟角度來分析、確定水泥的最佳摻入量具有實際的工程意義。

①膨脹率指標確定：從試驗結(jié)果可得知，當水泥摻入量為8%時，自由膨脹率最低，故從膨脹率指標而言，8%為最佳水泥摻入比例。

②塑性指數(shù)確定：由表3 的試驗數(shù)據(jù)及圖1 可以看出，隨著水泥按由小至大比例的摻入，土樣的液限、塑限幅度非常大，但當水泥摻入比例超過6%后，以上指標的降低明顯趨緩，甚至沒有明顯變化，說明從降低土體界限含水量而言，最佳水泥摻入量是6%。

③土體強度確定：因水泥本身具有膠結(jié)、凝結(jié)固化的作用，故隨著水泥摻入比例的增長，土體無側(cè)限抗壓強度與摻入量呈線性正比增長，在各比例水泥摻入量下，其無側(cè)限抗壓強度均能滿足鐵路路基規(guī)范的強度要求，且遇水不崩解，呈現(xiàn)了較好的抗?jié)B性。圖4 為單增長曲線，即水泥摻入量越大，強度越高。

④從經(jīng)濟角度確定：水泥摻量越大，施工成本也就最高，經(jīng)測算，水泥摻入量不超過12%時，對于經(jīng)濟指標而言是可以接受的。

綜上所述，本次試驗表明，采用水泥進行膨脹土的處理是技術(shù)可行的。8%的水泥摻入量是本項目的最佳比例。

5 結(jié)束語

試驗研究表明，水泥的摻入能夠顯著改良膨脹土，且提高了土體的強度，改善了土體的工程特性，滿足規(guī)范及設(shè)計對土體改良的要求。因本項目僅需摻入8%的水泥，成本較低，且該方法改良膨脹土施工簡單，故推廣應(yīng)用的潛力巨大。

由于膨脹土構(gòu)成和特性、摻入的固化劑的使用成本具有較強的地域差異，故改良膨脹土的辦法需根據(jù)當?shù)厍闆r進行選用，并通過試驗論證其可行性，同時獲取最佳施工參數(shù)，達到技術(shù)可行，經(jīng)濟合理的目的。