膨胀土石灰改良室内试验研究

沈伟升

1 概述

膨胀土中含有强亲水性黏土矿物蒙脱石和伊利石,是具有膨胀性、多裂隙性和超固结性的高塑性黏性土。膨胀土在我国云南、广西、四川、安徽、湖南、湖北、河南、山东、吉林、甘肃等多个省市均有分布。膨胀土的胀缩性、超固结性和多裂隙性给铁路建设带来了相当大的危害。从以往常规铁路的工程实践看,膨胀土地区既有线的路基完好率仅为 25%,路基基床病害相当普遍,常见的病害有：基床翻浆冒泥、路肩鼓胀、路堑侧沟壁挤出等,边坡浅层滑坍和深层滑动的比率也较大,而且具有渐进性和长期性的特点。本文以合宁铁路膨胀土试验为例,阐述膨胀土改良前后的工程性质变化及其改良效果。

2 试验填料的物理性质

选取大榆树取土场(1号土样)和王财取土场(2号土样)土样作为代表性土样进行试验研究,两取土场的膨胀性分别为弱膨胀土和中等膨胀土,其物理性质指标和膨胀性指标见表 1,表 2。

表1 试验土样物理性质指标

表2 试验土样膨胀性指标

粒径组成是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。从表 1中可以看出弱膨胀及中膨胀土的颗粒组成以粉粘粒为主,含量均超过90%,粉粒含量要多于粘粒含量。

从两个取土场的膨胀性指标来看,取土场土源均不宜用作填料,否则土的膨胀性将对路堤造成破坏。室内试验还对每种土源在Kh=0.90,0.95进行了3组湿化试验,从试验情况看：浸水 1 h后,土样呈粒状崩解约 90%,浸水 2h后,即完全崩解。这说明未经改良的膨胀土水稳性极差,不宜用作填料。

3 石灰改良膨胀土室内试验

3.1 改良方案

目前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,再用机械压实养护而形成稳定的土体。本次试验采用石灰(包括生石灰、熟石灰)对膨胀土进行改良,石灰的掺入比(石灰占干土质量的百分比)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、膨胀性、强度试验、水理性质等。

3.2 颗粒级配变化

从膨胀土改良前后土的电镜试验结果可以明显看出改良土样品的结构致密,孔隙明显减少,蒙脱石球状集合体的颗粒变粗,比较直观地说明了石灰改良膨胀土时对其粒径改变的作用效果。

土样经生、熟石灰改良后颗粒分析结果见图 1。试验土样经石灰改良后其颗粒级配将发生较大的改变,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;熟石灰与生石灰相比,对改良土样的级配效果上没有明显区别。1号土样：粘粒含量大幅减少,从改良前的 35.4%～36.8%降低到了改良后的10.0%～23.8%;粉粒含量有所增加,从改良前的 59.3%～60.2%增大到改良后的60.1%～77.4%;砂粒含量明显增加,从改良前的3.9%～4.4%增大到改良后的5.2%～24.8%。2号土样：粘粒含量大幅减少,从改良前的34.4%～35.9%左右降低到了改良后的13.2%～24.2%;粉粒含量有所增加,从改良前的 60.4%～61.9%增加到55.9%～76.5%;砂粒含量也明显增加,从改良前的2.2%～5.4%增加到4.5%～30.3%。

3.3 塑性变化

表3为试样经不同掺灰量石灰改良前后塑性的变化。从表 3中可以看出：膨胀土改良后液限变化不大,但塑限明显增加,掺灰率超过5%以后,1号土样从17.0%增加到23.6%～33.7%,2号土样从16.7%增加到24.6%～36.2%;塑性指数大幅减小,1号土样从24.5减小到 5.7～13.3,中等膨胀土从25.8左右减小到4.7～11.5。熟石灰与生石灰相比,对土样的塑性变化影响没有明显区别。

表3 填料改良前后塑性的变化

3.4 胀缩性变化

对 1号土样掺 6%石灰、2号土样掺 7%石灰进行改良前后的膨胀性试验,结果见表 4。从膨胀性判别指标来看,石灰改良后土的自由膨胀率降幅较大,蒙脱石含量有一定程度的降低;只有阳离子交换量变化不大,这是受石灰成分的影响。无荷膨胀率和25 kPa,50 kPa有荷膨胀率指标,经石灰改良后基本降低到 0;膨胀力指标,从改良前的89 kPa～163 kPa降低到改良后的0 kPa～7 kPa。这些数据说明膨胀土经石灰改良后膨胀性可以大幅降低,可见石灰改良其膨胀性的效果是明显的。从表 4中还可以看出,膨胀土经石灰改良后的收缩系数也有较大程度的降低,说明石灰改良能改善膨胀土的失水收缩特性。综上所述,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。

表4 膨胀土掺石灰改良前后的膨胀性指标变化

3.5 无侧限强度变化

对土样石灰改良前后的7 d龄期饱和无侧限抗压强度(养护6 d,浸水 1 d)和无侧限抗压强度对每种配比进行了 6组试验,取平均值,其结果见图 2,图 3。可以看出,试样经石灰改良后其 7 d龄期饱和无侧限强度大幅增加,为改良以前的 2倍 ～7倍,无侧限强度增幅较小,为改良以前的 1倍～2倍。

对于最佳掺灰率(1号土样6%,2号土样7%),当K=0.90时(对应基床以下路堤),饱和无侧限强度平均值为375 kPa～488 kPa;当K=0.95时(对应基床底层路堤),饱和无侧限强度平均为534 kPa～768 kPa,均满足TB 10621-2009高速铁路设计规范(试行)的要求。

试样改良前的无侧限强度为306 kPa～770 kPa,饱和无侧限强度仅为6 kPa～13 kPa,试样饱和后其无侧限抗压强度降幅超过95%;改良后饱和无侧限抗压强度比无侧限强度降低12%～61%,饱和无侧限强度的增幅明显高于无侧限强度的增幅,说明石灰改良膨胀土对改善其在浸水条件下的力学性能具有明显作用。

3.6 剪切强度变化

对试样改良前后进行了直剪(快剪)、排水反复直剪试验和三轴固结不排水剪切试验,每种情况各做 3组～6组试验,取其平均值,结果见表 5。从表 5中可以看出,石灰改良后直剪 C值无明显规律的变化,φ值增幅较大,从25.1°～31.0°增加到35.0°～49.1°。改良后残余强度指标Cr值有一定的增加,增幅为 11%～353%,φr值变化不大;三轴试验表明,改良后粘聚力、有效粘聚力指标均大幅增加,增幅分别为3.7倍～13.7倍、1.5倍 ～8.4倍;内摩擦角、有效内摩擦角指标有一定程度的增加,增幅分别为 18%～57%, 10%～55%。

表5 膨胀土改良后直剪强度指标统计表

3.7 水稳性变化

室内试验还对每种土源在K=0.90,0.95改良前后各种配比进行了 3组湿化试验,从试验情况看：浸水 1 h后,素土夯实土样呈粒状崩解约 90%,浸水 2 h后,即完全崩解。这说明未经改良的膨胀土水稳性极差,不宜用作填料;改良以后,浸水 48 h无崩解,这说明膨胀土经石灰改良后水稳性大大提高,这是改良膨胀土作为路堤填料比膨胀土直接作为填料的最大优势之一。

为了了解改良土在长时间浸水条件下的强度变化特点,试验进行了改良土养护 7 d后浸水7 d,14 d的无侧限强度试验,试验结果见表 6。从表6中可以看出,各种情况下的 14 d无侧限强度均要大于7 d无侧限强度,而且其强度均大于1 MPa,浸水时间对强度衰减的影响被改良土的强度增长所抵消。生、熟石灰改良对试样强度的影响在其他试验中表现得并不明显,但在浸水条件下生石灰改良土表现出了比较明显的优势,其强度要超过熟石灰改良土强度的 22%～36%。这说明了改良土路堤初期保湿养生的重要性,特别是对生石灰改良土来说,保持适当的含水量对其充分与土发生反应,提高强度是有益的。总的来说,膨胀土经石灰改良后,水稳性大大改善,在浸水 14 d条件下仍能保持较高的强度,湿化试验也未见明显崩解。

表6 长期泡水饱和无侧限强度 kPa

3.8 动力特性

同济大学在合宁铁路进行了改良膨胀土路堤的激振试验,验证了改良土的动力特性,详见文献[2]。从试验结果来看,当动应力水平在90 kPa～100 kPa时,经过150万次激振,基床表层的弹性变形为0.29mm～0.32mm,塑性变形为0.9mm～1.1mm,满足高速铁路对路基填料的要求。

4 结语

通过对合宁线代表性膨胀土试样进行石灰改良前后的室内试验对比,得出了膨胀土经石灰改良前后的物理力学性质的变化：1)颗粒级配：粘粒含量大幅减少,粉粒含量有所增加,砂粒含量明显增加,从电镜照片上看,试样改良后土体结构更为致密,孔隙明显减小。2)塑性：膨胀土改良后塑性指数明显降低,由改良前的 24.5～25.8降低到 4.7～13.3。3)胀缩性：膨胀土改良后自由膨胀率、膨胀力、无荷膨胀率、有荷膨胀率、收缩系数大幅度降低,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。4)强度：膨胀土改良后饱和无侧限强度、无侧限强度、抗剪强度均得到较大提高,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。5)水稳性：浸水2 h后,改良前膨胀土素土击实样即完全崩解;经石灰改良以后,浸水48 h无崩解;重型击实试样,养护7 d浸水7 d～14 d,其无侧限强度大于 1MPa,这说明膨胀土经石灰改良后水稳性大大提高。

[1] TB 10621-2009,高速铁路设计规范(试行)[S].

[2] 郑大为,王炳龙,周顺华,等.合宁快速客运专线膨胀土不同刚度路堤振动特性研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25 (2)：18-19.

[3] 朱忠林,马伟斌,史存林.合宁线试验段路堑基床地基动力特性试验研究[J].铁道建筑,2007(2)：44-45.

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

[5] 谭松林,黄 玲,李玉花.加石灰改性后膨胀土的工程性质研究[J].工程地质学报,2009(3)：36-37.