1、1铁路膨胀土改良的主要方法研究摘要：膨胀土具有吸水膨胀软化，失水收缩开裂及反复变化的特点，易形成路基病害。路堤在降雨后沉降、变形较大和边坡坍肩、路肩开裂以及造成发生路堑堑坡冲蚀、剥蚀、溜坍及滑坡等现象。本文通过试验研究, 总结出膨胀土改良的具体方法，为膨胀土路基施工技术提供了工程借鉴。 关键词：铁路膨胀土；改良方法；特性；试验 Abstract: expansive soil with water swelling softening, shrinkage cracking and repeated changes in the characteristics, easy to form su
2、bgrade disease. After raining embankment settlement, deformation and slope collapse subgrade cracks and shoulder, causing the cutting slope erosion, erosion, collapse and landslide phenomenon. In this paper, through test and study, summed up the concrete methods of expansive soil, expansive soil sub
3、grade construction technology for providing reference for the engineering. Keywords: Railway expansive soil; modified method of characteristics; test; 膨胀土主要是由强亲水性粘土矿物蒙脱石和伊利石组成的, 是具有膨胀性、多裂隙性和超固结性的高液限黏土。我国是膨胀土分布最广、2面积最大的国家之一, 发现膨胀土灾害的地区已有 20 多个。近年来, 随着铁路、公路等基础建设的迅猛发展, 在设计和施工中, 常常遇到膨胀土改良的课题。在填料缺乏地区, 膨胀
4、土通过改良后被广泛使用。采用膨胀土作为填料时, 必须要对改良前后填料材质的物理力学性质、水理性质、动力特性等方面进行大量试验, 以此作为科学施工的依据。 1.膨胀土的特性 膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩开裂的特种黏性土。其矿物成分以强亲水性矿物蒙脱石和伊利石为主。在自然条件下,多呈硬塑或坚硬状态,裂隙较发育,常见光滑面和擦痕,裂缝随气候变化张开和闭合,并具有反复胀缩的特性; 多出露于二级及二级以上的阶地,山前丘陵和盆地边缘,地形坡度平缓,无明显自然陡坎。主要特征有胀缩性、裂隙性和超固结性。 2.膨胀土的改良试验 处理施工膨胀土化学改良方法的试验, 如掺石灰、水泥、粉煤灰、合成固化剂、合成树脂和
5、磷酸等等, 使之发生一定的物理化学反应, 最终降低土的亲水性, 提高自身的稳定性, 以达到路基填料的要求。苏皖境内某新建高速铁路沿线地区填料大多为膨胀土, 主要表现为黄色的和褐色的高液限黏土, 为中等和弱等膨胀土。在施工中, 为了了解预期改良施工效果, 我们选取有代表性的中等和弱等膨胀土土样，采用掺加石灰的方法，进行一系列的理化试验。 2.1 填料级配分析 粒径组成是分析膨胀土性质的一项重要参数, 特别是粘粒含量, 粘粒含量越多往往意味着土体具有更大的膨胀潜势和更高的塑性。通过级3配分析试验, 其结果见表 1。 填料改良前后颗粒组成对比表 1 试验结果表明, 中等和弱等膨胀土虽然同为高液限黏土
6、, 但中等膨胀土的粘粒含量要比弱等膨胀土高。而膨胀土填料经石灰改良后其颗粒级配将发生较大的改变, 弱膨胀土的粘粒含量大幅减少, 从改良前的39.4%降低到了改良后的 12.1%14.2%;粉粒含量明显增大, 中膨胀土的粘粒含量大幅减少, 从改良前的 44.8%左右降低到了改良后的 7.9%15.9%;粉粒量明显增加。总的趋势是细颗粒含量( 特别是粘粒含量) 大幅降低, 粗颗粒含量增加。 2.2 填料的膨缩性质变化 膨胀土的胀缩性不仅取决于土的物质成份和微观结构, 还与它的初始含水量和干密度有着密切的关系。粘粒含量越多,蒙脱石含量越大的土胀缩性越大; 初始含水量越大, 干密度越低的土膨胀量越小,
7、 收缩量越大, 反之亦然。试验中分别对 2 种填料( 中、弱膨胀土) 掺灰量 5%情况下的自由膨胀率、膨胀力试验, 试验结果见图 1 图 1 改良前后自由膨胀率变化 从图 1 可以看出, 改良后膨胀土的自由膨胀率和膨胀力减小 , 由此4可见石灰改良对减弱膨胀土的膨胀性效果是明显的。 3.铁路施工处理膨胀土主要方法:掺无机结合料改性 目前铁路施工处理膨胀土的方法主要是化学改性, 如掺石灰、水泥、粉煤灰、氯化纳、氯化钙、沥青、合成固化剂、合成树脂和磷酸等等,使之与土壤发生一定的物理化学反应, 以改变原土的物理力学性质来稳定膨胀土。路堤填料改良是将粉碎的土和其他添加剂、水进行充分拌合后,再用机械压实
8、养护而形成稳定的土体。综合分析各种改良方法已有的成果及经验教训,特别借鉴近年来的试验成果,考虑到石灰在改良高塑性黏土所具有的优势，以及合宁线沿线被改良土质的特性、料源、施工设备以及试验成果的推广前景等各种条件,本次室内改良试验选用的改良剂为石灰(包括生石灰、熟石灰)。石灰改良的室内试验研究中, 掺灰量的确定是试验的主要内容之一。 3.1 以某一线路基施工为工程背景,通过实验分析填料的矿物成分、颗粒级配及其物理性质, 探究填料的膨胀性质及其影响因素。本工程试验是石灰(包括生石灰、熟石灰) 的掺入重量比分别为4%、5%、6%、7%、8%。试验项目包括改良前后，土的颗粒分析、物理性质、水理性质、强度
9、试验和土的膨胀性指标测定等。为了解全段土源在改良前后的物理力学性质、胀缩特性、水理性能等指标,在对全段取土场土源的膨胀性指标进行详细查明后，选取了两种有代表性的土样（一号土场和二号土场）:一种弱膨胀性土源和一种中等膨胀性土源取样，进行室内改良试验研究。 对改良土的强度、颗粒级配、胀缩性等综合分析发现,取一号土场最5佳掺灰比(包括生、属石灰)定为 6%(石灰含量与干土质量百分比) ,取二号土场最佳掺灰比取 7% 。现场室内试验的目的，主要是检验现场填筑压实的改良膨胀土的工程特性。试验方法: 要求 7 天龄期, 可以选在基床底层填筑时进行, 在压实完毕检测合格的路面取样,在规定的温度下保湿养生 7
10、 天后进行各项试验。 3.2 经过生石灰、熟石灰改良后, 膨胀土的物理力学性质，主要在以下方面发生明显变化:颗粒级配方面:黏粒含量大幅减少,粉粒含量有所增加,砂粒含量明显增加。对最佳配比,改良后黏粒含量 10.215.5,粉粒含量 59.8%72.7%,砂粒含量 13.9%25.7%。塑性方面: 膨胀土改良后塑性指数明显降低,改良后的塑性指数为 3.713.9。胀缩性方面: 膨胀土改良后自由膨胀率、收缩系数都有不同程度的降低, 膨胀力、无荷膨胀量、有荷膨胀量大幅度降低。说明膨胀土经石灰改良以后, 能够大大改善其吸水膨胀、失水收缩的不良工程特性。 1）抗压强度方面: 膨胀土改良后浸水无侧限强度、
11、无侧限强度均得到较大提高。而且, 改良前浸水无侧限抗压强度比无侧限强度降低幅度高达 97%98%,而改良后浸水无侧限抗压强度比无侧限强度降低 12%61%,说明石灰改良膨胀土，对改善膨胀土在浸水条件下的力学性能具有明显作用。经过理论计算及试验对比分析,基床底层改良土填料现场 7 天龄期浸水无侧限强度定为 450kPa,路堤本体的现场 7 天龄期浸水无侧限强度定为 300kPa。 2）剪切强度方面:直剪:膨胀土经石灰改良后直剪 C 值无明显规律的变化, 值有一定的增加;排水反复直剪:改良后残余强度指标 Cr 值6有一定的增加,r 值变化不大;三轴固结不排水剪:改良后(有效)黏聚力指标大幅增加,(
12、有效)内摩擦教指标有一定程度的增加。 3）压缩性方面: 改良后膨胀土压缩系数减小、压缩模量增大,说明用改良土做填料填筑路堤比用膨胀土填筑路堤, 可以减小路堤本体的压缩量。 4）水理性: 浸水 2 小时后, 膨胀土素土击实样即完全崩解;经石灰改良以后,浸水 48 小时无崩解。这说明膨胀土经石灰改良后水稳性大大提高。 5）渗透性方面: 膨胀土改良后的渗透系数主要集中在 10-710-8数量级,在土体结构不被破坏的情况下,具有较好的防渗性。 这些性质都说明膨胀土经改良后可用作填料。从膨胀土改良的整体效果来看,生石灰与熟石灰的差别不明显。考虑到生石灰在降低含水量上的优势, 当气候条件不利于土料晾晒时可以优先考虑, 但必须注意石灰的粒径控制。 4结束语 通过苏皖境内某新建高速铁路路基的施工实践表明, 在缺乏适合的填筑料源时, 采用膨胀土石灰改良方案是可行的, 从经济效益方面比远距运土置换有明显优势, 工后本体沉降达到规范要求。可以认为, 在膨胀土分部地区采用石灰改良处理的办法, 具有很好的推广应用价值。
