石武客运专线路基基床、边坡CMA改性膨胀土室内模拟试验研究

沈启炜

(中铁十八局集团石武客运专线河南段项目部,河南驻马店 463000)

1 概述

国家重点工程石家庄至武汉铁路客运专线,设计最高时速350 km。它北接京石客运专线,南接武广客运专线,三线建成贯通后,将形成一条与京广铁路并行、纵贯我国南北,线路里程最长、辐射范围最广、具有世界一流水平的快速客运通道。根据设计地质勘察资料,在石武客运专线途经河南驻马店、信阳地区,分布着中弱膨胀土,需要处理的路段约75 km。

膨胀土其矿物组成多以伊利石、蒙脱石为主,夹少量的高岭石。这些亲水性的黏土矿物质遇水膨胀,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、坍塌等事故,已构成典型的自然灾害。传统处理膨胀土的方法都是以防为主[1],即防止雨水侵入的处理方法(如:浆砌片石防护、混凝土预制块满铺防护、土钉墙加固边坡等),这些方法不能从根本上解决膨胀土的湿胀干缩问题,给工程带来极大隐患。采用掺石灰、水泥处理膨胀土虽然能起到一定的效果,但存在着施工难度大,工序多、效果差、造价高、污染环境等缺陷[2～3]。

为了预防膨胀土地质灾害的发生,确保高速铁路的安全运行,2004年铁道部科研、设计部门在西安南京铁路进行了改性膨胀土工程应用试验获得成功,经过5年的观测,改性效果良好。随后在铜九铁路、襄渝铁路复线等工程中得到应用[4～5]。根据类似工程,石武客运专线 DK954+110～+510段路基设计采用CMA膨胀土生态改性剂改性处理方案。为了校验该产品的改性效果和对该土体的适应性,选择适合该段路基土体的最佳配方,改性施工前需要进行室内模拟改性试验。通过室内模拟试验,同时对该产品的原理与应用进行探讨与研究。

2 室内模拟试验

2.1 土样采集

根据设计要求,待DK954+110～DK954+510段路基开挖施工完成后,在基床、边坡上按15 m间距采集土样28组,土样均为黄色、棕褐色夹灰白色黏土,肉眼可见钙、锰质结核,自然状态下呈半坚硬状态。

2.2 试验设计

将采取的28组原状土样进行自由膨胀率和可塑性试验,选取自由膨胀率最大、塑性指数最高的一组原状土样风干分散后成4份,其中1份作为原状土土样,其余3份作为改性土土样,编号为改1、改 2、改3,按照3个不同改性配方完成对原状土的改性工作。3个改性剂配方均由生产厂家提供,是由多种相同的化学成分复合而成,主要是其化学成分比例略有不同[8]。3个配方的稀释比例均为1∶100,用量为0.2 kg/m2。然后分别测定原状土和改性土的自由膨胀率、液塑性、颗粒级配。以重型击实确定原土及改性土的最大干密度与最优含水率,根据所测定的最大干密度与最优含水率制备试样测定相关的膨胀性、力学性及水稳定性指标。通过对改性前后各指标的比对以评价改性剂的改性效果,确定最优配方用于该段路基工程施工。

2.3 试验成果

试验按照《土工试验土方标准》(GB/T50123—1999)[6]和《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2004)[7]进行,试验成果见表1～表7。

表1 液塑性试验成果

表2 颗粒分析对比试验成果

表3 膨胀性试验成果对比

表4 击实承载比试验成果对比

表5 无侧限直剪试验成果对比

表6 饱和状态下无侧限直剪试验成果对比

表7 湿化试验成果

2.4 试验研究分析

根据室内试验报告[8]研究分析如下:

(1)从表1可以看出,改性土的可塑性发生了明显的变化,其液限减小,塑限增大;塑限指数减小。这表明经改性作用,土的亲水性明显减弱。

(2)表2显示,改性土中沙粒组、粉粒组含量明显比原状土增大,而黏粒组及胶粒组显著减小,表明土的比表面积减小,土粒的分散程度降低,土颗粒之间因离子交换作用现成了比原状土颗粒之间更为紧密的结构,土颗粒与水的接触面积减少。

(3)从表3可知,原状土的自由膨胀率为62%,属膨胀潜势为中的膨胀土[1～2],但其膨胀力较大。经改性作用后,自由膨胀率均降到 40%以下,属非膨胀土[1～2]。但按最大干密度及最佳含水量制备的试样测定的相关膨胀收缩指标显示,改1、改2仍具有微弱的膨胀性,经改3改性作用已消去了膨胀土的膨胀特性。

(4)从表4可知95%压实度的承载比改1是原状土的8.4倍,改3是原状土的37倍。吸水量改1是原状土的62%,改3是原状土的49%。吸水膨胀率改1为原状土的34%,改3为原状土的4.9%。这表明经改性作用,改性土的吸水性及膨胀性减弱,承载能力大幅提高,水稳定性增强。

(5)从表5中无侧限及直剪快剪试验试样是在最优含水量,最大干密度击实成型后自然养护3 d后测得 。改性土无侧限强度是原状土的2～3倍,抗剪强度改1、改2与原状土相当,改3明显增大。由此说明经改性作用土的无侧限强度及抗剪强度大幅提高。

(6)为了模拟边坡在雨季最不利条件下,边坡土受力特征所反映的强度特征,选用原状土及改性土的样品,按95%的压实度在CBR模简中静压成型,施加5 kg的标准荷载板,放入水槽中浸泡4昼夜,让试样充分吸水膨胀后测定试样强度变化特征,试验结果见表6。从表6中可知,改性土的无侧限强度是原状土的2.7倍左右。直剪强度C值是原状土的3.1倍,Φ值是原状土的3.2倍,这不仅说明了改性土的强度优于原状土,而且说明了改性土的水稳性优于原状土。

(7)从表7湿化试验成果表中可知,改3水稳性良好,当改性彻底时,经4昼夜浸泡,试样不崩解。而改1、改2发生不同程度的崩解,这说明改性配方需根据不同的土类特征应加以调整。

(8)本次试验中可以看出改3改性效果最好,可作为最优配方应用于该段路基的土体改良。

3 结论

本次试验结果表明,经CMA膨胀土生态改性剂改性后的土体基本上消除了胀缩特性,土体的强度大幅度提高、水稳性好,不发生湿化崩解现象,符合设计要求,可以推广应用,试验的各项指标可作为施工依据。按照本次室内研究确定的改性配方,在现场施工完毕后,经检测,各项指标均满足设计要求,应用效果较好。

[1]李庆鸿.新建时速200 km铁路改良膨胀土路基施工技术[M].北京:中国铁道出版社,2007.

[2]李生林.中国膨胀土工程地质研究[M].南京:江苏科学技术出版社,1992.

[3]廖世文.膨胀土与铁路工程[M].北京:中国铁道出版社,1984.

[4]李小青,张耀庭.铁路路堑边坡膨胀土的化学改良试验研究[J].铁道工程学报,2007(7):24-28,46.

[5]王艳萍,胡瑞林,李志清.膨胀土路堤的化学改性试验研究[J].工程地质学报,2008(1):124-129.

[6]GB/T 50123—1999,土工试验方法标准[S].

[7]TB10102—2004,铁路工程土工试验规程[S].

[8]武汉中材科技有限公司.CMA改性膨胀土室内模拟试验研究报告[R].武汉:2009.

[9]刘特洪.工程建设中的膨胀土问题[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[10]潘忠良,代 杰.高速公路膨胀土路基边坡的综合防治[J].交通科技,2003(3):52-55.