高岭土路基施工技术

摘要：高岭土一直是国内外岩土工程研究方面很重视的课题，各国学者研究的主要课题是高岭土的地基问题，对铁路关系比较密切的是路基稳定问题。文章对高岭土路基的施工技术进行了探讨。

关键词：高岭土；填筑路堤；加固处理；施工技术

中图分类号：U416文献标识码：A

文章编号：1674-1145（2009）03-0094-03

一、概述

（一）工程概况

华电长沙电厂铁路Ⅱ标起于长沙市望城县丁字湾镇中山村，经彩陶源村跨越新河，茶亭镇郭亮村并跨越在建进厂公路，铜官镇万星村、华城村至白羊坡长沙电厂厂址。所经区域广泛分布农田、山丘、及分散民居。山丘植被发育，树林茂密，水田区各种排灌沟渠纵横交错，沿线交通不便。设计土方以纵向远运调配为主，路堑部分的土方基本都调往路堤部位填筑，挖、填数量基本平衡。

在进行路堑开挖过程中暴露出大量富含高岭土的粘性土（主要集中在本标段中部大路堑部位），经试验，初步确认不能用以直接填筑路基，因此必须进行改良处理。

（二）高岭土的特征

沿线第四系中更新统冲积层不均匀分布以灰白色为主的高岭土，铜官一带当地大量开采用于烧制陶器，线路附近见多处采空区。该类土工程性质差（物理力学性质见表一：“高岭土物理力学指标一览表” ），不能直接分层碾压填筑路基，主要表现为：

1．粘土或粉质粘土，液限高，部分属D类土；

2．天然含水量大，吸水、保水能力强，根据土的蒸发速率，夏季需晾晒4～5个晴天，春秋需6～8 个晴天，才能达到施工的最佳含水量要求。

3．一般具有弱～中等膨胀性，吸水显著膨胀、软化、崩解，失水急剧收缩开裂。用该类土填筑压实的路基，水稳能力差，且容易产生干缩裂缝。

由于本工程开挖中暴露出大量富含高岭土的粘性土不能直接做为路基填料，必须经过土质改良后才能使用。经过比选，本工程选用石灰改良土，经过一系列的化学反应和物理化学反应致使石灰土的刚度不断增大，强度和水稳性不断提高。

二、石灰改良高岭土路基的作用机理

石灰通过胶体反应、凝聚反应和钙化反应，能明显改变土颗粒表面物理化学性能，特别表现在土的液塑性指标的改良上。一般来说，土中粘粒较多、液塑限指标超过一定范围时，采用石灰稳定效果比较好。石灰掺合到土中后，由于土中的粘土矿物（主要未硅、铝等）与石灰的主要成分钙、镁起化学反应，即产生阳离子交换作用、絮凝作用、碳化作用和胶聚作用，从而改变土的性质。

石灰的化学成分主要是CaO，加入土中后，会发生一系列的化学反应和物理化学反应。这些反应的结果使粘土颗粒的结合水膜减薄，粘土胶粒絮凝，生成晶体氢氧化钙和含水硅铝酸钙等胶结物，这些胶结物逐渐由凝胶状态向晶体状态转化，致使石灰土的刚度不断增大，强度和水稳性不断提高。其作用机理详述为下列三部分：

（一）吸水放热反应

生石灰加入一定含水量的高液限土中，CaO和H2O反应生成Ca（OH）2。这一反应是石灰改良高液限土特性一系列反应的基础，具有多方面的功效。

1．减少高液限土的含水量。CaO的水化过程本身会消耗一定的水分，反应放热又使一部分水蒸发。

2.增大土的pH值，提高了粘矿物中硅酸盐和铝酸盐的溶解度，从而加速了其水化反应。

3.生成大量Ca2+、OH-、Ca（OH）2，为后续反应的顺利进行提供了必要条件。

（二）离子交换反应

水化反应生成的大量游离Ca2+能当量的置换土粒表面所吸附的阳离子，从而改良土颗粒表面电荷性质，使热力电位下降，扩散层厚度减薄，这样就降低了土粒之间的相互排斥能，提高了土粒自身的聚集力。同时，吸附在粘土矿物周围的Ca2+产生絮凝作用，将矿物颗粒连接和胶结起来，从而改变了整个土粒的孔隙结构。

（三）碳酸化反应与Ca（OH）2的结晶反应

在一定湿度条件下，石灰土吸收空气中的CO2而被碳酸化，生成CaCO3。Ca（OH）2吸收水分，由胶体状逐步转变为晶体。Ca（OH）2+nH2O=Ca（OH）2·nH2O这种晶体能够相互结合，并与土粒结合为共晶体，使土粒形成整体结构，这是石灰改良土后期强度的重要因素。

在这三个因素的综合作用下，土的物理力学性质得到了明显改善。掺加石灰后高岭土的工程性质主要有以下几点变化：

1．小于0.005的粘粒含量随含灰量的增加而减少；

2．土体的天然含水量随含灰量的增加而减小；

3．pH值随灰量的增加而增大，当含灰量增加到一定程度后，pH值趋于一稳定值；

4．液限减小，但变化不大，塑限显著增大，塑性指数变小，亲水性大大减弱，工程性质得到改善；

5．自由膨胀率随含灰量的增加而减小，当含灰量增加到一定程度后，自由膨胀率的减小幅度便变小；

6．无荷膨胀量随含灰量的增加而显著减小，甚至达到无膨胀量；

7．体缩率随含灰量的增加而降低，当体缩率下降到6％～8％后继续增加含灰量，其续降值不大；

8．无侧限抗压强度在一定含灰量范围内随含灰量及龄期的增加而增大，经过数次干湿循环后，强度有所降低，并且趋于一稳定数值，这一稳定值远大于基床上部的荷载强度（包括活载强度）。

三、高岭土路基施工技术

（一）技术参数的选择

原土属富含高岭土的粘性土，液塑限指标WL=32，3~45.2，WP=13.7~19.9，塑性指数IP=9~25.8，可用作改良土，根据以下几个指标：较粗的颗粒、较小的塑性、较大的强度、较小的胀缩量决定掺石灰量，掺配钙质石灰8%。试验室所拌和料最大干密度ρ=1.78g/cm3，最佳含水量w=17.5%。地基系数K30（MPa/m）≥110，压实系数≥0.9，无侧限抗压强度≥846，8KPa。

（二）施工工艺

1．设备配置：配置一台T140推土机、一台平地机（PY160）、三台三轮压路机（二台18-21T、一台12-15T）、一台振动压路机（40T）、二辆洒水车、一台WBL20型灰土拌和机、一台WDT180稳定土拌和机、五台1.6M3挖土机及10辆8T自卸汽车。

2．施工放样。在填土段测量放出中桩、边桩，然后用石灰标出路基边桩线，并标出填土的松铺高度线，一般25~35cm厚。在每一断面处进行定点观测，并测出各断面左、中、右处的填土前的标高，作好记录。

3．备料。石灰质量应符合III级以上的生石灰或消石灰的技术指标，要昼缩短石灰的存放时间，如石灰在野外堆放时间较长时，须妥善覆盖保管，不能遭雨水淋湿。土方在指定的取土场内采集，所采集的土无树根、草皮等杂物。

4．拌合。采用集中场地拌和与路拌法相结合的方法。拌和前，先将表面耕植土清除，并对石灰进行充分消解，并保持一定湿度。石灰土拌和时，分二次进行拌和，第一次在取土场进行拌和，第二次拌和用WBL20型灰土拌和机进行路拌，铧犁作为辅助设备配合翻拌，有效地控制石灰剂量。

取土场拌和时，用挖掘机将消解后的石灰与土按体积比进行拌和，用推土机配合挖掘机把混合料打堆，集中闷料，经过30小时左右，以使未消解的石灰充分消解。

第2~3遍拌和：由于土的塑性较大，先用压路机静压一遍，然后再用铧犁翻起拌和打碎，最大尺寸不应大于80mm，大于15mm颗粒比例小于30％；拌和完成的标志是：混合料色泽一致，没有灰条、灰团和花面，没有粗细石料“窝”，且水分合适均匀，含水量要略大于最佳值约4%，混合料碾压时的含水量控制在最佳值±5%范围内，将已拌好的混合料应及时进行石灰含量检验，并尽快进行铺筑碾压。

5．整平。用140推土机进行摊铺初平，然后用PY160平地机进行精平，并按设计作出路拱，铺筑宽度每边加宽50~80cm（加宽部分用素土填筑）以保证边缘的压实度。

6．整形。混合料拌合均匀后，在初步整形的基础上，采用推土机快速碾压一遍，以暴露潜在的不平整。对局部低洼处，采用人工将其表层5cm以上刨松并用新拌的石灰混合料进行找补平整，再用压路机立即在初平的路段快速静压一遍，再用平地机精平。

7．碾压。整形后，为了不错过最佳的碾压时机，由试验人员立即对灰土的含水量进行检测，含水量达到19%，即最佳含水量+2%时，进行碾压最好，如超过最佳含水量的+2%时则要凉晒，如遇下雨立即静压封闭。

碾压时，松铺厚度应控制在25~35cm之间，不得大于35cm。先用压路机静压一遍，然后用平地机快速平整并做出路拱后，弱振一遍，在强振四遍后其压实度能达到90%，再强振一遍后压实度能达到93%，最后静压一遍消除轮迹。

碾压时遵循先轻后重、先静压后振动、由低向高、由外向内的顺序的原则进行，直线段由两边向中间碾压，曲线段由内侧向外侧进行，静压时时速保持2公里/小时，最后强振时保持3公里/小时匀速进行，碾压过程中始终要保持灰土层表面湿润，对局部表面水分蒸发快的地方，及时的进行补晒，对出现“弹簧”、松散、起皮等现象的地方，及时翻开并增加路拌一次，碾压达到质量要求。

碾压完毕的石灰土的接头处，应立即将拌和不均，或标高误差大，或平整度不好的部分挂线重直切除，保持接头处顺直、整齐，下一作业段与之衔接处，铺土及拌和应空出2米，待整平时再按松铺厚度整平。

8．检验。试验员应盯在施工现场，完成碾压遍数后，立即取样检验压实度(要及时拿出试验结果)，压实不足要立即补压，直到满足压实要求为止。成型后的两日内完成平整度、标高、横坡度、宽度、厚度检验，检验不合格要求采取措施预以处理。弹簧、轮迹明显、表面松散、起皮严重、土块超标等有外观缺陷的不准验收，应彻底处理，标高不合适的，高出部分用平地机刮除，低下的部分不准贴补，压实度、强度必须全部满足要求，否则应返工处理。

9．养生。末层石灰改良土施工完后如不连续铺下一层土时应洒水养生保持湿润防止表面裂纹，养生时间不少于7天。如连续施工则利用覆土进行自然养护，但压实完成后必须进行试验，并在24小时内进行上层土的覆盖。在施工完一层后不再施工下一层时应中断交通、禁止车辆在已经碾压完毕的路基上通行，已免对已经粘结硬化的路基造成破坏。严禁在已完成的或正在碾压的路段上调头和急刹车。

10．高岭土路堑的加固处理。路堑边坡加固算是主要是防止高岭土边坡失稳，目的是维持边坡稳定，本质是改变边坡滑动体的平衡条件，而平衡条件的改变可以改变抗滑力和下滑力来实现。考虑到高岭土边坡的特殊工程特性，仅仅通过削坡减载的方法不能很好的预防滑坡，甚至会造成愈缓愈滑的后果。考虑到地下水对高岭土的影响较大，采用如下方法进行治理：

（1）石灰桩加固边坡。在高岭土边坡上用水平钻机打入一定数量的孔，孔内装入石灰，改变高岭土的性质，提高土体的凝聚力，从而起到防护作用。（图1）

（2）石灰土包围结合预制块封闭边坡。边坡挖到一定深度后，边坡用石灰土包围一定厚度，坡顶面一定宽度范围内用石灰夯实，边坡用预制块封闭防护。在特别软弱的地带，特别是地下水比较丰富的区域，增设支持渗沟进行加固并加强排水。

（3）基床表层的处理。基床表层0.3米换填渗水土，其下0.9米采用原土就地改良，并在改良土底面增设土工网进行分隔。

四、结语

本文重点对铁路路基施工时高岭土的施工技术进行了探讨。在具体的施工过程中，做到了如下几点：

1．及时进行土工试验，指导路基填筑，对于符合规范填土要求的填料可直接填筑路基；

2．细化、优化调配土方案，路床部分填土尽量用优质土进行填筑。

3．施工过程中根据试验规范采用新方法及时测量改良土中石灰的实际含量，以便于下一步的施工中对石灰的添加及时进行调整，灰剂量的控制应严格，石灰掺量太小，达不到土的改良效果，掺量太大，很难达到规定的压实度。

4．铺土厚度与施工机械的配套合理，否则将会影响到部分设备的工作效率。

5．预防灰土拌和不到底或超过底层过厚，若拌和不到底，容易造成俗称的夹层饼的现象，若超过底层过厚，将下层已固化的灰土重新打碎后失去原有石灰的效果。

通过本工程高岭土路基施工的实践，在科研、设计和施工方面取得了很大的成绩，同时也获得了很多经验教训，为我们以后的灰土施工提供科学、可靠的施工工艺和工艺参数，对指导高岭土路基的设计与施工有重要的参考价值。

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作者简介：夏发韧（1971- ），男，湖南武冈人，中铁二十五局集团广州铁路工程有限公司工程师，研究方向：铁路工程施工。