江濤

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043

滬渝蓉高速鐵路合寧段主要位于安徽省東部，線路東銜接南京北站與南京南站，經(jīng)滁州市，向西至合肥樞紐合肥南站。合寧段沿線廣泛分布有第四系沖積、殘積粉質(zhì)黏土，黏土，黏粒含量較高，含有蒙脫石、伊利石等親水性礦物。滁河河谷區(qū)黏土層厚度約15～25 m，包公鎮(zhèn)至合肥樞紐段黏土層厚度約30～45 m，其余地段黏土層厚約1～15 m；低山丘陵區(qū)、剝蝕丘陵區(qū)、剝蝕殘丘區(qū)殘積粉質(zhì)黏土，一般厚度約0.5～5.0 m。根據(jù)膨脹性試驗(yàn)結(jié)果，自由膨脹率為2%～100%，陽(yáng)離子交換量為88.90～578.29 mmol/kg、蒙脫石含量為8.04%～45.03%，以弱～中等膨脹性為主。

天然狀態(tài)下膨脹土常處于較堅(jiān)硬的狀態(tài)，對(duì)氣候溫度、水文條件等極為敏感，具有強(qiáng)親水性、強(qiáng)脹縮性、多裂隙性等缺點(diǎn)，對(duì)路基工程會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的危害，且這種危害具有反復(fù)性和長(zhǎng)期潛在性，給工程實(shí)踐帶來(lái)很大的困難［1-5］。膨脹土吸水膨脹時(shí)將對(duì)路基結(jié)構(gòu)物或上部軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生膨脹變形及膨脹力，失水收縮時(shí)對(duì)路基工后沉降產(chǎn)生影響。

膨脹土作為D組路基填料，宜采用石灰、水泥等進(jìn)行改良，摻入量應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)確定［6］。符策嶺等［7］通過(guò)石灰改良膨脹土在不同石灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的一系列室內(nèi)試驗(yàn)，建議石灰摻量為4%，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d。劉曉義等［8］在滬漢蓉通道武康二線建設(shè)中，通過(guò)試驗(yàn)研究揭示石灰改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度與摻和比、養(yǎng)護(hù)齡期、壓實(shí)系數(shù)均呈正相關(guān)，且石灰改良土具有明顯的齡期效應(yīng)。楊常所［9］認(rèn)為天河機(jī)場(chǎng)附近膨脹土在摻入6%生石灰改良后可以作為無(wú)砟軌道鐵路路基本體的填料。張立偉等［10］通過(guò)試驗(yàn)得出具有膨脹特性的泥質(zhì)砂巖最佳水泥摻量為6%。李同海［11］應(yīng)用CMA生態(tài)改性劑改良膨脹土取得了一定效果。查甫生等［12］研究使用水泥石灰、石灰粉煤灰等改良劑來(lái)驗(yàn)證膨脹土的改良效果。陳濤等［13］對(duì)石灰、水泥和粉煤灰的改良效果進(jìn)行了對(duì)比分析。以上這些材料雖然取得了一些效果，但是考慮到應(yīng)用較少，在高速鐵路建設(shè)中應(yīng)慎重使用。

膨脹土改良雖然在安徽類似鐵路工程中有所應(yīng)用，但系統(tǒng)的改良試驗(yàn)研究積累有限，同時(shí)通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)水泥和石灰等材料在當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)中較為充足。對(duì)于滬渝蓉高速鐵路合寧段的膨脹土，究竟采用水泥還是采用石灰改良，其摻入比如何控制是滬渝蓉高速鐵路合寧段路基設(shè)計(jì)和保障鐵路建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取滬渝蓉高速鐵路合寧段合肥樞紐地區(qū)肥東至合肥站聯(lián)絡(luò)線SSDzK4+970為代表性取土場(chǎng)，取6組膨脹土土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，土樣物理指標(biāo)與化學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1，土樣顆粒分析成果見(jiàn)表2。

表1 土樣物理指標(biāo)與化學(xué)指標(biāo)

表2 土樣顆粒分析成果

試驗(yàn)選用的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥和熟石灰來(lái)自當(dāng)?shù)厣a(chǎn)廠家。水泥和熟石灰外摻料的材料試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表3 水泥性能指標(biāo)

表4 熟石灰性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)土樣分別采用水泥、熟石灰進(jìn)行改良，水泥摻入比為3%、4%、5%，熟石灰摻入比為4%、5%、6%。對(duì)原土、水泥改良土、熟石灰改良土分別進(jìn)行界限含水率試驗(yàn)、顆粒分析、重型擊實(shí)試驗(yàn)、飽和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（7 d、14 d、28 d）、膨脹性試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、直剪快剪試驗(yàn)以及不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比分析。采用TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》［14］中的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

依據(jù)TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》［15］，鐵路路基基床及基床以下的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)分別不小于0.93和0.90，因此本次試驗(yàn)按照壓實(shí)系數(shù)0.93和0.90分級(jí)進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與研究分析

2.1 重型擊實(shí)試驗(yàn)

對(duì)原土、水泥改良土、熟石灰改良土進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 重型擊實(shí)試驗(yàn)成果

由表5可知：①和原土相比，水泥或熟石灰改良都使得土樣的最大干密度有所減少，而最優(yōu)含水率有所增加。②和水泥改良相比，熟石灰改良后土最大干密度下降得更多，最優(yōu)含水率也增加得更多。③無(wú)論水泥改良還是熟石灰改良，最大干密度都隨著摻入比的增大而減小，最優(yōu)含水率隨著摻入比的增大而增大。

在原土化學(xué)改良的過(guò)程中，膨脹土的離子交換等化學(xué)作用需要水分的參與，使得最優(yōu)含水率有所增大，而土粒結(jié)構(gòu)重組后相對(duì)疏松，最大干密度有所降低。從重型擊實(shí)試驗(yàn)的成果來(lái)看，熟石灰改良的效果更明顯，優(yōu)于水泥改良。

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)水泥改良土、熟石灰改良土進(jìn)行7 d、14 d、28 d飽和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同改良土各齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖1可知：①無(wú)論水泥改良還是熟石灰改良，隨著摻入比的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都有明顯提高。②對(duì)于同一摻入比，養(yǎng)生齡期越長(zhǎng)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。③對(duì)于同一養(yǎng)生齡期，水泥改良后，壓實(shí)系數(shù)0.93時(shí)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于壓實(shí)系數(shù)0.90時(shí)。④對(duì)于同一摻入比和同一養(yǎng)生齡期，熟石灰改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于水泥改良土，說(shuō)明熟石灰改良優(yōu)于水泥改良。⑤無(wú)論水泥改良土還是熟石灰改良土，養(yǎng)護(hù)齡期7 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于350 kPa，符合規(guī)范要求，建議改良土養(yǎng)護(hù)齡期為7 d。

從以上分析可以看出，兩種改良土抵抗壓縮破壞的能力都有了不同程度的提高且熟石灰改良要優(yōu)于水泥改良。

2.3 膨脹性試驗(yàn)

對(duì)不同土進(jìn)行膨脹性試驗(yàn)，測(cè)定不同摻入比、壓實(shí)系數(shù)情況下土的膨脹力、無(wú)荷膨脹率和有荷膨脹率。不同土的主要膨脹性指標(biāo)見(jiàn)表6，膨脹力見(jiàn)圖2。

表6 不同土的膨脹性指標(biāo)

圖2 不同摻入比、壓實(shí)系數(shù)時(shí)不同改良土的膨脹力

由表6、圖2可知：①原土摻入3%～5%的水泥后，膨脹力從42～50 kPa下降到21～41 kPa；無(wú)荷膨脹率從12.4%～14.6%下降到0.1%～0.6%；有荷膨脹率從1.9%～2.4%下降到0～0.2%，有荷膨脹率基本消除。②原土摻入4%～6%的熟石灰后，膨脹力從42～50 kPa下降到22～34 kPa；無(wú)荷膨脹率從12.4%～14.6%下降到0.1%～0.6%；有荷膨脹率從1.9%～2.4%下降到0～0.2%，有荷膨脹率基本消除。③水泥改良或者熟石灰改良在摻入比相同的情況下，均為壓實(shí)系數(shù)越大膨脹力越小。

從以上分析可以看出，經(jīng)過(guò)水泥改良或者熟石灰改良后，土的各項(xiàng)膨脹性指標(biāo)都有了較大幅度的減小，水泥摻入比大于4%和熟石灰摻入比大于5%后，改良土膨脹性基本消失。

從機(jī)理上分析，熟石灰或水泥中的Ca2+、Mg2+等離子與膨脹土中的Na+、K+等離子進(jìn)行了置換，從而原土的膨脹性大大消除，隨著置換反應(yīng)的減弱，膨脹性指標(biāo)維持在較低的水平。

2.4 壓縮試驗(yàn)

對(duì)不同土進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，測(cè)定不同摻入比、壓實(shí)系數(shù)情況下土的壓縮系數(shù)、壓縮模量，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同土的壓縮系數(shù)和壓縮模量

由圖3可知：①原土摻入3%～5%的水泥或摻入4%～6%的熟石灰改良后，壓縮系數(shù)明顯減小，壓縮模量明顯增加。②水泥改良或熟石灰改良后，都呈現(xiàn)壓縮系數(shù)與摻入比負(fù)相關(guān)、壓縮模量與摻入比正相關(guān)的特點(diǎn)。③水泥改良或熟石灰改良后，對(duì)于同一摻入比，壓實(shí)系數(shù)越大，壓縮系數(shù)越小，壓縮模量越大。④原土摻入3%～5%的水泥后，壓縮系數(shù)從0.11～0.17 MPa-1下降到0.05～0.08 MPa-1；壓縮模量從18.2～27.8 MPa增加到25.0～41.2 MPa。原土摻入4%～6%的熟石灰后，壓縮系數(shù)從0.11～0.17 MPa-1下降到0.05～0.07 MPa-1；壓縮模量從18.2～27.8 MPa增加到26.4～42.2 MPa。熟石灰改良后土的壓縮系數(shù)小于水泥改良后土的壓縮系數(shù)，壓縮模量大于水泥改良后土的壓縮模量。熟石灰改良效果略優(yōu)于水泥改良。

2.5 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)不同土進(jìn)行直剪快剪試驗(yàn)、不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，測(cè)定不同摻入比、壓實(shí)系數(shù)情況下土的黏聚力和內(nèi)摩擦角，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同改良土的抗剪強(qiáng)度

由圖4可知：①原土摻入3%～5%的水泥或摻入4%～6%的熟石灰改良后，無(wú)論直剪快剪還是三軸不固結(jié)不排水剪，其黏聚力和內(nèi)摩擦角都有不同程度的增大。②水泥改良或熟石灰改良后，對(duì)于同一摻入比，壓實(shí)系數(shù)越大，黏聚力和內(nèi)摩擦角越大。③水泥摻入比大于4%和熟石灰摻入比大于5%后，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)提高有限。

通過(guò)對(duì)比膨脹土經(jīng)水泥改良或熟石灰改良后抗剪強(qiáng)度值，可以看到兩種改良措施抗剪強(qiáng)度提高差別不大。

3 結(jié)論與建議

1）合肥樞紐廣泛分布有第四系沖積、殘積粉質(zhì)黏土，黏土，以弱-中等膨脹性為主，考慮到合肥樞紐地區(qū)取土場(chǎng)設(shè)置困難，需高度重視膨脹土化學(xué)改良作為路基填料的現(xiàn)實(shí)需求，通過(guò)試驗(yàn)研究，膨脹土摻入水泥或熟石灰加以改良作為路基填料是技術(shù)上可行的。

2）和原土相比，水泥或熟石灰改良都使得土樣的最大干密度有所減少，而最優(yōu)含水率有所增加；隨著摻入比增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度都有明顯的提高；水泥摻入比大于4%和熟石灰摻入比大于5%后，改良土膨脹性基本消失；養(yǎng)護(hù)齡期7 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度即大于350 kPa，符合規(guī)范要求，建議改良土養(yǎng)護(hù)齡期為7 d。

3）對(duì)比水泥改良和熟石灰改良，通過(guò)分析改良后的最大干密度和最優(yōu)含水量、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和壓縮模量等試驗(yàn)成果，可以得出熟石灰改良效果優(yōu)于水泥改良。

4）對(duì)于滬渝蓉高速鐵路合寧段膨脹土建議使用熟石灰進(jìn)行改良。滬渝蓉高速鐵路合寧段膨脹土改良土熟石灰摻入比，基床底層建議采用6%，基床以下建議采用5%。

5）合肥地區(qū)降雨量大，膨脹土地段低路堤和路塹基床表層以下應(yīng)設(shè)置隔水層防止水分浸入路基本體，同時(shí)需完善排水系統(tǒng)，防止積水和匯水。本試驗(yàn)對(duì)滬渝蓉高速鐵路合寧段設(shè)計(jì)和施工具有指導(dǎo)作用。