劉強

摘要： 某鐵路工程擬采用水泥對膨脹土進行改良后做為路基填料。通過對內摩擦角、自由膨脹率、承載比CBR、無側限抗壓強度等試驗的分析，研究在不同摻合量情況下水泥改良土的物理力學指標變化規(guī)律，評估改良方案是否可行，并確定可行方案的水泥最佳摻合量，以指導現場施工。

Abstract： A railway project is planned to adopt improved expansive soil with cement for subgrade filling. Through analyzing the experiments of the angle of internal friction， the free expansion rate， bearing ratio CBR and unconfined compression strength， study the change trend of physical and mechanical indexes of cement improved soil in different admixture amount， evaluate whether improved scheme is feasible， and determine the best cement admixture amount of the feasible scheme， so as to guide the construction in site.

關鍵詞： 膨脹土；化學改良；水泥摻量；自由膨脹率；CBR；無側限抗壓

Key words： expansive soil；chemical modification；cement admixture；free swelling ratio；CBR；unconfined compression

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）36-0095-03

0 引言

我國廣泛分布有膨脹土，其為高塑性黏土，具有吸水后體積膨脹及承載力能急劇下降，失水后干縮發(fā)育裂隙等特征。

在自然條件的作用下，膨脹土反復脹縮變形，工程性質不穩(wěn)定。其不均勻沉降或水平脹縮變形，導致建（構）筑物出現偏移、裂隙甚至完全破壞等一系列工程問題，造成的問題往往修復難度大。同樣的，膨脹對鐵路路基造成的破壞也不容低估，在以往的鐵路建設中因對膨脹的不了解和不夠重視等原因，常常造成路基或邊坡深陷、坍塌等災害，嚴重影響到鐵路行車安全。為了確保鐵路路基長時間的穩(wěn)定，達到安全運營的目的，必須解決膨脹土這一不良地質問題。

1 工程概況

某鐵路DK263+850～DK276+185段線路所經處為膨脹土，線路多以路基形式通過，本段路基挖方約為46.8萬m3，填方為35.1萬m3。挖方土體基本均為膨脹土，不能直接作為路基填料。如果將路基挖方全部進行運棄，需要設置大型棄土場及進行棄土場的防護，不僅對當自然環(huán)境造成不利影響，且工程造價高。經對當地土源進行調查，符合路基標準的填料需進行45km的遠運。一方面要棄土，另一方面卻遠距離借土，無疑需要較大施工投入。

為減少對當地自然環(huán)境的不良影響及降低工程造價，經項目參建各方進行研究及評估后，決定對挖方的膨脹土進行化學改良后用于填筑。

本項目對挖方段的膨脹土各類工程特性及化學改良效果進行了系統(tǒng)試驗研究，以確定改良方案及化學改良的最佳試驗參數，以指導現場施工，確保鐵路路基的穩(wěn)定。

2 膨脹土評判及分類

2.1 膨脹土評判及分類標準

對膨脹土進行改良試驗研究，首先必須對當前的土質是否為膨脹土進行判別，對判明的膨脹土再進一步進行分類，并進行深入研究及分析，從而提出針對性改良處理方案，最終明確改良處理的最終參數及相應的施工技術措施。

膨脹土的判別與分類在工程地質界一直存在多種評判及分類方法，尚未形成統(tǒng)一的分類法。根據本工程的特點，主要采用《鐵路工程地質膨脹土勘查規(guī)程》（TB10038-2001）中的標準并結合其它評判辦法進行膨脹土的判別與分類。

鐵路工程膨脹土評判及分類標準見表1。

2.2 現場取樣試驗

因本區(qū)段跨度線路較長，各處膨脹土的地質特性可能差異較大，故實際試驗時，通常按各挖路塹點作為一個試驗取土源，進行單獨的試驗研究，以確保試驗結果的適用性、準確性。

表2為對本項目DK271+520～+865段路塹的取土樣進行土工試驗研究的成果。

試驗室根據線路長度及工程量等分布情況，現場設置了具有代表性的6處取土點鉆孔取土進行土工試驗，試驗結果見表2。

從土樣外觀上看，土樣呈現黃褐色，粘土中含少量粉砂，可塑性較強，表面光滑，裂隙較發(fā)育，易風化呈碎粒狀，含鈣質結核。

由表1的試驗結果，結合現場地貌，土樣外觀等特征，可綜合判明土樣為中等膨脹等級的膨脹土。

3 膨脹改良試驗

3.1 改良方案的確定

本項目決定采用化學方式對膨脹土進行改良，目前使用較為廣泛的化學改良有石灰改良、陽離子型添加劑改良、水泥改良、NCS固化劑改良等。

經對當地的材料供應情況、改良效果及施工設備情況進行綜合比較，決定采用水泥作為摻合劑進行膨脹土改良。

3.2 摻水泥改良膨脹土原理

膨脹土中摻入水泥后，一方面，水泥發(fā)生凝固的化學反應，在土體中形成整體的水化水泥骨架，骨架對土體原本離散的顆粒形成約束，一定程度上制約了土體自由形變；另一方面，摻入的水泥與土中的水分產生水解及水化反應的產生物與土體發(fā)生離子交換作用，從而改良了土體，提高了土體強度。其改良土體的原理主要歸結為如下三種形式。

①離子交換作用。摻入的水泥與土體中水份產生水化反應，析出Ca2+離子與土顆粒表面著附的Na+、K+離子發(fā)生吸附交換，使土顆粒表面水膜厚度變薄，即將原本細小離散的土顆粒凝結成粗粒，從而提高了土體強度。

②硬凝反應。隨著水化應的持續(xù)進行，析出Ca2+離子完成超過吸附交換所需后，與土體中的SiO2、Al2O3進行化學作用，生成硅酸鈣、鋁酸鈣水化物等不溶于水的結晶化合物，上述呈纖維狀的穩(wěn)定結晶化合物在提高土體強度上起到主要作用。且硅酸鈣、鋁酸鈣水化物結晶化合物結構致密，能夠在很大程度上阻止水分子的滲入，改善了土體的水穩(wěn)定性。

③碳酸化作用。水泥水化反應后產生的游離Ca（OH）2與空氣中的CO2及H2CO3水解產生的CO2發(fā)生化學反應生成強度較高的CaCO3，同時還能夠將細小的土顆粒膠結成較大的粗粒，故也起到提高土體強度的作用。

4 膨脹土水泥改良試驗方案

采用水泥作為摻合劑進行膨脹土改良，水泥為袋裝的華潤牌P·O32.5水泥。

試驗時水泥摻合量按土樣烘干重量的0%、2%、4%、6%、8%、10%等6種不同情況，對改良土分別做內摩擦角、無側限抗壓強度、自由膨脹率、承載比CBR。通過對試驗結果進行對比分析，研究水泥改良的規(guī)律性，以確定改良時水泥的最佳摻入量。

由于本項目試驗數據較多，本文僅選取了典型代表的DK271+630、DK271+750兩處土樣進行描述。

5 試驗結果及分析

5.1 不同水泥摻量對土體內摩擦角的影響

內摩擦角作為巖（土）體的重要參數之一，是土的抗剪強度指標，故水泥改良對膨脹土抗剪強度的影響情況，是我們所關心的，試驗成果見表3及圖1。

由分析結果得出，試樣內摩擦角隨著水泥摻合量的增加而增大，在水泥摻量小于6%時，隨著水泥摻合量遞增呈快速增長態(tài)勢，當水泥摻合量超過6%后，隨著水泥摻合量的增長僅呈現出緩慢增長。

可見，在膨脹土中摻入水泥，能夠顯著提高土體內摩擦角，水泥的最佳摻合量為6%。在此摻和量下，技術及經濟的綜合效果最好。

5.2 自由膨脹率

自由膨脹率是膨脹土判別與分類的一項重要指標，進行膨脹土的最重要目的是降低土體自由膨脹率，工程地質達到變通土體的要求。結果見表4、圖2。

由分析結果得出，試樣自由膨脹率隨著水泥摻合量的增加而降低，在小劑量情況下，隨著水泥摻合量的增加，自由膨脹率呈快速降低的態(tài)勢，隨水泥摻合量的增長自由膨脹率僅呈現出緩慢降低。

表4的數據表明，當水泥摻合量達到6%時，兩組試樣的自由膨脹率均小于膨脹土評判指標（40%），即土體經改良后，能夠消除膨脹性，已為非膨脹土，達到改良目的。

5.3 承載比CBR試驗研究

CBR為測定土樣承載力的試驗方法，體現了在局部荷載作用下土樣抵抗變形的能力，試件采用擊實儀擊實成樣，試樣制成后浸水，以模擬鐵路路基所處自然環(huán)境。浸水時水面高度要超出試樣25mm，浸泡4天后進行貫入試驗。試驗采用CBR2.5作為試驗參數，即貫入量為2.5mm時的承載比。試驗成果見表5及圖3。

由分析結果得出，試樣內CBR值隨著水泥摻合量的增加而顯著增大，從圖3曲線看到，承載比CBR值隨水泥摻合量的增大而線性增加，從承載比CBR值方面分析，最佳水泥摻合量為本次試驗的水泥最大摻合量（10%）。

5.4 無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度試驗成果見表6及圖4。

由分析結果得出，采用水泥對膨脹土進行改良后，無側限強度較未改良前有顯著提高，隨著水泥摻合量的增加，其提高的效果更加明顯。從強度曲線看到，當水泥摻合量為4%時強度曲線有明顯變化，水泥摻合量超過4%后強度增長趨勢趨緩，因此，從強度這方面考慮，水泥摻合量不宜低于4%。

6 確定水泥最佳摻合量

在以上水泥改良膨脹的室內試驗中，各項指標均表明，水泥摻合配比越高越好，土體改良效果越好，在項目實際施工時需綜合考慮改良效果、工程造價、路基強度等確定本項目的最佳水泥摻合量。

通過綜合分析，確定本項目DK263+850～DK276+185路基膨脹土水泥改良的理論最佳摻合量為6%。但現場施工條件復雜，土泥與土體拌合存在不均勻性，故實際施工時采用的水泥施工摻合量為7%。

7 結束語

膨脹土對作為一種特殊土質，在實際施工中，其對鐵路路基及構筑物等的破壞性影響是巨大的，膨脹土問題的處理，需從影響其物理力學性質的外在因素及內部物質構成方面著手，從而通過改變其物理力學性質消除危害性。具體的每個項目的膨脹土均具有其自身特點，故要求進行足夠的試驗及研究，以確定針對性的處理措施及施工參數。

參考文獻：

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