石武客运专线膨胀土路基CMA改性剂应用研究

李同海

(中铁十七局集团有限公司,太原 030006)

膨胀土在我国分布广泛,其矿物组成多以伊利石、蒙脱石为主,夹少量高岭石。这些亲水性的黏土矿物遇水膨胀,失水收缩,具有明显的胀缩性、多裂隙性、超固结性,以及强度减弱性。容易造成沉陷、溜塌、纵裂、坍塌事故。在客运专线铁路工程建设中,不可避免地要经过膨胀土地区,对路基的基底和开挖边坡如何治理和改良,效果如何,这些问题在设计和施工时必须高度重视,否则,将直接影响工程质量和铁路运营安全。

对于膨胀土挖方边坡传统的处理方案一般采用缓边坡、全封闭形式的刚性防护,基底则采用灰土或水泥土进行换填。其主要观点认为:膨胀土边坡失稳的主要原因是受降水影响,当土体吸水由非饱和态进入饱和态这一过程中,土体的抗剪强度由强逐渐变弱,当土体的剪切指标值随含水量增加而衰减时,其边坡稳定性随之递减直至产生变形破坏(如滑坡或坍塌)。因此采用边坡封闭防护以阻止降水的影响[1]。实践证明这些刚性防护方案治理膨胀土效果较差,不能从根本上解决在大气风化作用层影响深度范围内膨胀土体的胀缩问题,基底采用石灰土或水泥土施工时与土体本身的反应速度较慢,所生成的水化物耐久性较差,而且石灰掺量在8%、水泥掺量在6%以上才能达到一定效果,在施工中需要反复拌和均匀,周期长,施工速度慢,边坡膨胀土体施工非常困难[2]。因此,有必要继续探索膨胀土改良的新方法或新材料,应用CMA生态改性剂改良膨胀土就是一种有益尝试,也取得了一定效果[3]。

1 工程概述

新建石家庄至武汉铁路客运专线9标段位于河南省信阳市,全长 39.3 km,起讫里程为DK980+018～DK1020+220,路基段总长为17.2 km,地表为冲积平原区,局部为剥蚀丘陵、岗地及风成地貌,地形平坦、开阔,支流水系发达,降雨量大,线路通过区域主要为膨胀软土,一般层厚为5～25 m,软土层强度低、压缩性高。设计需对膨胀土边坡及挖方段基底进行改良处理,共计处理面积为270 000 m2。

2 CMA生态改性剂及改性原理

2.1 CMA生态改性剂

CMA(changing the montmoriuonite's absorbent)膨胀土生态改性剂是由一种复合化学配方,经加工生产形成的一种浓缩液。其性状为红棕色至黄棕色黏稠状液体,属有机化合物,主要成分包括各种具活性的金属氧化物和具活性的非金属氧化物以及成核材料,施工时,现场按一定比例掺入水、生石灰粉搅拌均匀而成[1]。经CMA改良处理后的边坡能种植灌木和花草,不同于其他固性材料改性边坡,具有绿化美化环境、防眩吸噪的功能,满足水土保持,属生态环保产品。

2.2 CMA生态改性剂改性原理

CMA生态改性剂具有电解和离子交换的作用,有较强的渗透性,能溶于水,在水中离解出带正电荷的阳离子[X]n+和带负电荷的阴离子[Y]n-,阳离子与膨胀土胶体表面的阳离子[M]n+产生交换作用,将这些原本吸附在膨胀土颗粒表面、亲水性极高的阳离子赶走,代之以亲水性低、黏结力较强的铝离子及其水合物,使膨胀土颗粒上的吸附水的化学键破坏形成自由水,改性后土颗粒形成键状和网状结构加快反应和离子交换,自由水通过重力、蒸发、压实作用排除,改变了膨胀土颗粒的结构特征,从而提高膨胀土的抗剪强度,增强膨胀土的水稳性,永久地改变膨胀土的属性,将膨胀土改为非膨胀土,从而达到将膨胀土改性的目的[4]。

它与其他的胶合材料或固性材料不同,自身与土并不结合,而且具有再生功能,它与膨胀土作用时其总量并没有减少。其功效并不会随着时间的推移而逐渐减弱,相反,只要膨胀土中有水分,它的功效就会延续下去,这种作用是永久的不可逆的[6]。作用过程大致是:当膨胀土生态改性剂喷洒在土体表面上通过渗透达到一定深度将其改性,还可以通过土体本身含水量经土体毛细孔隙到达一定深度,更重要的是膨胀土生态改性剂具有较强的渗透性,能溶于水,它可以随雨水渗透,到达雨水能到达的深度,这样就从根本上解决了雨水渗入对膨胀土的影响,做到对大气风化作用层影响深度范围内膨胀土体的彻底治理。

3 CMA生态改性剂改良膨胀土施工方法

CMA生态改性剂施工是按照一定比例将浓缩液、水、石灰混合,并充分搅拌均匀,采用专用喷洒设备直接喷洒于新开挖土体表面上,总喷洒量约20 kg/m2。基本配合比为:改性剂浓缩液∶水∶石灰=1∶100∶5。因CMA生态改性剂可针对不同膨胀土体进行改性,施工前需对施工点原状土体取样做试验,以确定改性剂喷洒次数和喷洒量。

3.1 实际喷洒量确定

(1)认真进行现场调查,收集当地气候条件的相关资料及雨水的渗透深度、大气风化作用层影响深度等相关数据。根据膨胀土处于段落位置和工程量大小确定原状土取样组数,其边坡改良及基底改良土体需单独取样。本工程确定为8组。

(2)现场由试验室取土样做对比试验。主要试验指标有:颗粒分析、液塑性、胀缩特性、剪切、无侧限抗压强度、击实、膨胀率、膨胀力等。各种试验结果见表1～表4。

表1 液塑性、颗粒分析试验成果对比

表2 胀缩特性试验成果对比

表3 剪切、无侧限抗压强度试验成果对比

表4 击实承载比试验成果对比

(3)根据试验数据和对比分析,确定施工喷洒次数和实际喷洒量。基底喷洒按2次施工,第一次喷洒量为12kg/m2,第二次喷洒量为9 kg/m2,总喷洒量为21 kg/m2;路堑边坡按3次喷洒,第一次喷洒量为≥9 kg/m2,第二次喷洒量为≥7 kg/m2,第三次喷洒量≥5 kg/m2,总喷洒量为21 kg/m2。

3.2 现场准备

(1)相关联工程施工应在改良处理前按设计要求完成并验收,路堑基底挖至设计填筑高程,并设置横向排水坡,改性后不宜再扰动土体以免影响改性效果。

(2)改性施工前应认真检查土体的干湿程度,要求土体干燥,以土体表面出现裂纹为宜,应选择在晴天施工,连续暴晒路基4d以后进行施工。如路基表面裂缝较少,可采用人工在表面进行打孔,孔深为30 cm,50 cm×50 cm梅花形布置。

(3)改性剂施工在路基冲击碾压夯实完成后进行。

(4)对基面进行网格布线,使每次拌和料刚好能充盈一个网格。

(5)准备好施工设备和生石灰,生石灰需提前2 d进场,石灰采用经水熟化的熟石灰粉,其活性CaO+MgO含量不低于70%,机械设备配置见表5。

3.3 施工

(1)溶液配制:根据容器大小确定每次配制的溶液数量,利用配合比计算CMA浓缩液、水、石灰的用量,采用计量器具进行准确称量,按水、浓缩液、石灰的顺序投料并充分搅拌。先加入大容器1/5的水,后加入浓缩液及石灰,边加入边冲水并进行搅拌,至容器加满时浓缩液及石灰按质量加够,其中加入石灰时必须采用25目/cm2的筛网过滤[3]。配制膨胀土生态改良剂水溶液用水应符合下列要求:

表5 CMA施工机械设备配置

①色度不超过15度,并不得呈现其他异色;

②浑浊度不超过5度;

③无肉眼可见的悬浮物;

④不得有异味。

(2)喷洒:容器内的溶液充分搅拌均匀后,用水泵抽取在基面上均匀喷洒,边喷洒边搅拌。喷洒完成一次后需待基层面均匀渗透,表面再次出现裂缝时进行第2次或第3次喷洒。当土体表面裂缝较少也可采用人工打孔后进行混合液喷洒。两个容器轮流使用,可保证一天喷洒1万m2。

3.4 质量要求与控制

(1)质量要求:总喷洒量满足施工配比要求,经膨胀土生态改性剂改性后路基、边坡土体稳定,水稳性好,增强土体的强度,可还原生态。改性后的效果各项指标必须达到非膨胀土的标准[7]。

(2)质量控制:改性施工的质量控制主要两个方面,一是掌握土体的干燥程度,土体一定要干燥,施工时应控制在当膨胀土水溶液按设计量和次数均匀喷洒在土体表面上被土体吸收不流淌为宜[8]。二是喷洒要均匀,喷洒速度不宜过快,喷洒过程中需随时对混合液进行搅拌[4]。

路基基底CMA生态改性剂施工完成待表面干燥后应及时施作防水层,铺设防水布及时进行路基填筑封闭基底,不得受雨水浸泡[9]。

4 CMA生态改性剂处理后的实施效果

根据目测和试验对比综合分析,在改性施工范围内深度为0～30 cm和30～60 cm的土体经改性处理后膨胀土改为非膨胀土、土体强度增强,水稳性好,改性后的路基、边坡稳定,改良效果较好[10]。处理完成后的基面如图1所示。

5 CMA改性剂处理膨胀土的优点

(1)工环保性:其CMA生态改性剂pH 值6～7,无毒、无腐蚀、不易燃易爆,无污染,属生态环保产品。

图1 处理完成后的基底面

(2)生态环境保护:改性后的土体能种植灌木和花草,具有绿化美化环境的功能,满足水土保持,对高铁运营具有消声敛光等特点。

(3)经济适用:能按不同的土体配制,适合强、中、弱各种类型膨胀土的改性处理,改性后的边坡,可按正常土质边坡坡率施工,节约用地,减少挖方量,工程造价低。

(4)施工方便:施工简单,工期短,施工进度快,可多组同时施工,平行流水作业。

(5)处理效果显著:经过现场对比试验,经处理后的膨胀土体可塑性指标有明显改善,黏粒和胶粒的含量明显下降,表层30 cm范围内有荷膨胀率为0,降低膨胀土的膨胀力。

6 结语

通过CMA改性剂改良膨胀土在石武铁路客运专线膨胀土路基施工中的应用实践,使用CMA改性剂改良膨胀土,具有生态环保、经济适用、施工操作简单、施工速度快的特点,实践证明,膨胀土路基改良后的效果明显。在今后铁路客运专线膨胀土路基施工中,值得借鉴和推广。

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