南广高铁膨胀土路基水泥及石灰改良试验研究

王晓燕

摘要： 新建南宁至广州铁路沿线广泛分布有中、弱膨胀土，为减少借土及弃土数量，以保护当地自然环境和控制工程造价，拟对膨胀土进行化学改良后用作路基基床以下路堤的填筑。本项目进行了一系列采用石灰及水泥作为掺和剂进行膨胀土改良的试验及研究，并以试验研究的结果作为依据，创新地采用6%石灰+2%水泥对膨胀土进行化学改良的方案，为膨胀土化学改良的方法提供了新的思路。

Abstract： Medium and weak expansive soil is widely distributed along the New Nanning-Guangzhou Railway. In order to reduce the amount of soil borrowing and spoil and protect the local natural environment and control the project cost， the expansive soil is improved as the roadbed filler. In this project， a series of experiments and studies on the improvement of expansive soils using lime and cement as blending agents were carried out. Based on the results of the experimental study， 6% lime and 2% cement was used to chemically improve the expansive soil， which provide a new way of thinking for the expansion of soil chemical improvement method.

关键词： 高铁；膨胀土；化学改良；试验研究；路基填料

Key words： high-speed railway；expansive soil；chemical modification；experimental study；roadbed filler

中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）21-0114-03

0 引言

膨胀土在我国分布较为广泛，膨胀土作为一种特殊的高塑性黏性土，具有对含水量变化非常敏感的特性，即遇水时产生很大的膨胀率，少水则干缩。因其在自然环境下含水量往复变化，导致土体体积反复收缩及膨胀，无疑对建设在膨胀土上的建筑物及由其本身构成的路基及边坡等构造物造成极大的破坏性影响，其工程地质条件非常差。

随着社会经济的日益发展，铁路、公路等基础建设规模迅猛增涨，随着社会对环境保护重视程度的提高及工程造价控制方面的考虑，往往要求将膨胀土改良后作为路基及场坪等的回填填料。因此，研究膨胀土的改良问题具有积极的现实意义。

1 工程概况

新建铁路南宁至广州线NGZQ-3标段包括正线（起讫里程为DIKO+OOO～DK44+000，总长44km。）及柳广上下行联络线（单线合计总长12.466km），本标段位于广西省宾阳县、贵港市境内，标段所在地膨胀土多有发育，设计提供的地质勘察资料表明，标段内共有23.5km（单线长度）建于膨胀土地基上，涉及膨胀土的挖方量约为26万立方。考虑大量的弃方及借土会对当地的自然环境造成巨大的破坏，本项目决定对膨胀土进行化学改良后用于基床以下路基的填筑。

南宁至广州铁路列车行驶整速度为250km/h，其对路基的稳定性、工后沉降及承载能力要求非常高。因此，需采取有效措施进行膨胀土的改良，以确保达到设计及规范所规定的质量要求。

2 判别是否为膨胀土及分类

2.1 判别膨胀土的依据及标准

进行路基施工前需采取一定的技术手段以判别路堑是否为膨胀土，并进行科学分类，以便依据类别采取相应的技术措施进行改良，确保消除膨胀土的危害性，同时将造价控制在合理水平内。

由铁路总公司制定的行业标准——《铁路工程地质膨胀土勘查规程》（TB 10038-2012）的规定。判别膨胀土按初判和详判两个步骤进行。初判时，如果环境地貌、土质特征、土体颜色、土体结构及自然地质现象等各方面与膨胀土所具有的特性相符，且其自由膨胀率（Fs）大于等于40%，液限大于等于40%时，可初步判定为膨胀土。

詳判则是通过自由膨胀率、蒙脱石含量与阳离子交换量等3大指标进行判定及分级。详判时按膨胀潜势进行膨胀土分级标准如表1所示。

2.2 膨胀土判别结果

选择了DK18+137～+552节段路堑挖方的膨胀土作为本次的研究对象。经初判，本段路堑土地质为膨胀土，经现场取土样进行试验，其典型断面DK18+360膨胀土主要的物理及力学性质指标见表2所示。

从表2结果能够看出，该土样有较高的自由膨胀率和阳离子交换量，液限超过40%，按表1的分级标准，该土样判定为中等膨胀土，需采取相应技术措施进行有效改良后方可用作路基基床以下填料。

3 膨胀土改良措施的选择

膨胀土改良方法按其原理的不同，主要分为物理方法、化学方法与生物方法。目前我国对于采用生物方法进行膨胀土改良的研究及应用较少，方法尚未成熟，故本项目不作考虑。物理方法改良膨胀土的技术方法比较多，但分别存在改良不够彻底、造价高、施工难度大或运营期间保护结构易遇破坏而失效等种种问题。因此，本项目主要从化学改良中进行技术方法的选择。

考虑到本项目所在地广西的水泥及石灰产量丰富，价格便宜，拟分别采用水泥及石灰进行膨胀土的改良试验，然后再根据试验结果制定具体的改良方案。

4 水泥及石灰改良膨胀土试验研究的结果及分析

本次试验采用水泥和石灰改良膨胀土作为研究对象，对不同水泥和石灰掺量改良膨胀土的效果进行试验研究。

水泥采用在贵港当地建厂生产的海螺牌水泥。试验采用4%、6%、8%、10%的水泥掺量改良膨胀土。

石灰采用贵港地区最大的一家石灰生产供应厂。试验采用4%、6%、8%、10%的石灰掺量改良膨胀土。

通过对试样进行胀缩性试验、承载比CBR试验和无侧限抗压试验等来评价改良效果。

4.1 水泥及石灰掺量对膨胀土强度的影响

本次试验中，试样制备、试验操作过程均按《铁路工程土工试验规程》（TB0102-2010）进行，试样强度分析指标采用无侧限抗压强度、内摩擦角和内聚力。结果如图1、2、3所示。

由图1可以看出，膨胀土的无侧限抗压强度随着水泥掺入量的增加而增强。但无侧限抗压强度增加值随着水泥的掺入量增加呈由大变小的趋势，水泥掺入量超过8%后，无侧限抗压强度的增强已不明显，对于改善无侧限抗压强度指标而言，建议的水泥掺入量为8%。

由图1可以看出，起初，膨胀土的无侧限抗压强度随着石灰掺入量的增加而增强，但在石灰掺入量为8%时达到峰值，对于改善无侧限抗压强度指标而言，建议的石灰掺入量为8%。

图1曲线形状表明，在相同掺入量的情况下，水泥对增强膨胀土无侧限抗压强度的效果要较石灰明显。

从图2可以看出，膨胀土内摩擦角随着水泥或石灰掺入量的增加而增大，但是水泥或石灰掺入量超过8%后，膨胀土内摩擦角的变化值随掺量的增加值趋缓。改善膨胀土自由膨胀率的建议水泥和石灰掺入量均为8%。

图2曲线形状表明，在相同掺入量的情况下，水泥对降低膨胀土自由膨胀率的效果要较石灰明显。

由图3可以看出，膨胀土承载比CBR值随着水泥掺入量的增加而增大，但随着水泥的掺入量增大值呈由大变小的趋势，水泥掺入量超过6%后，承载比CBR增加值已不明显，对于改善承载比CBR指标而言，建议的水泥掺入量为6%。

由图3可以看出，起初，膨胀土承载比CBR值随着石灰掺入量的增加而增大，但在石灰掺入量为8%时达到峰值，对于提高承载比CBR指标值而言，建议的石灰掺入量为8%。

图3曲线形状表明，在相同掺入量的情况下，水泥对增强膨胀土无侧限抗压强度的效果要较石灰明显。

4.2 水泥和石灰掺量对胀缩性的影响

对试样进行自由膨胀率试验，从图4可以看出，膨胀土自由膨胀率随着水泥或石灰的掺入量的增加而减少，掺量达到6%时，试样的自由膨胀率已小于40%，已有效解决了膨胀土的膨胀性问题。当是水泥或石灰掺入量超过8%后，膨胀土自由膨胀率的减少值随掺量的增加变化不大。故改善膨胀土自由膨胀率较佳的水泥和石灰掺入量均为8%。

图4曲线形状表明，在相同掺入量的情况下，石灰对降低膨胀土的自由膨胀率的效果要较水泥明显。

5 现场实际施工膨胀改良配合比

从试验研究中可以得知，对于提高膨胀土强度的效果而言，掺入水泥要较掺入石灰更为有效。而对于改善膨胀土膨胀性的效果而言，而是掺入石灰为更佳。

本项目在该段路基现场实际施工时，充分考虑试验结果，决定综合利用水泥及石灰在改善膨胀土时对相同试验指标的不同作用和效果，发挥各自长处，采取掺入6%石灰+2%水泥進行膨胀土的改良。采用较大石灰掺入量以达到本次研究的关键目的——降低膨胀土的膨胀，同时又掺入2%水泥以使改良后的膨胀土达到较高的强度值，从而使膨胀土路基质量达到最优。

采用6%石灰+2%水泥进行膨胀土的改良后的膨胀土后，其主要的物理及力学性质指标见表3所示。

6 结束语

①对膨胀土进行改良后用于铁路路基填筑，可减少大量的弃方及借土，不仅利于环境保护，同时也能显著降低工程造价，是类似工程的建设们应考虑的方向。②在以往项目施工中，往往仅是采用石灰和水泥中的一种进行膨胀土的改良，本项目创造性地采用了同时掺加石灰和水泥对膨胀土进行改良，使两种不同掺和剂起到优势互补的作用，施工实践证明，对降低膨胀土的膨胀性及提高土体承载强度方面较仅掺单一的掺和剂起到更好的效果。③由于施工现场的土块粉碎、混和料拌和及后期的养护均难达到室内试验的理想条件，故现场施工时，石灰及水泥的掺入量均提高了0.5%。

参考文献：

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[2]TB 10102-2010，铁路工程土工试验规程[S].

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