沪渝蓉高速铁路合宁段路基膨胀土填料改良试验研究

江涛

中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043

沪渝蓉高速铁路合宁段主要位于安徽省东部，线路东衔接南京北站与南京南站，经滁州市，向西至合肥枢纽合肥南站。合宁段沿线广泛分布有第四系冲积、残积粉质黏土，黏土，黏粒含量较高，含有蒙脱石、伊利石等亲水性矿物。滁河河谷区黏土层厚度约15～25 m，包公镇至合肥枢纽段黏土层厚度约30～45 m，其余地段黏土层厚约1～15 m；低山丘陵区、剥蚀丘陵区、剥蚀残丘区残积粉质黏土，一般厚度约0.5～5.0 m。根据膨胀性试验结果，自由膨胀率为2%～100%，阳离子交换量为88.90～578.29 mmol/kg、蒙脱石含量为8.04%～45.03%，以弱～中等膨胀性为主。

天然状态下膨胀土常处于较坚硬的状态，对气候温度、水文条件等极为敏感，具有强亲水性、强胀缩性、多裂隙性等缺点，对路基工程会产生较严重的危害，且这种危害具有反复性和长期潜在性，给工程实践带来很大的困难［1-5］。膨胀土吸水膨胀时将对路基结构物或上部轨道结构产生膨胀变形及膨胀力，失水收缩时对路基工后沉降产生影响。

膨胀土作为D组路基填料，宜采用石灰、水泥等进行改良，掺入量应根据试验确定［6］。符策岭等［7］通过石灰改良膨胀土在不同石灰掺量和养护龄期的一系列室内试验，建议石灰掺量为4%，养护龄期为7 d。刘晓义等［8］在沪汉蓉通道武康二线建设中，通过试验研究揭示石灰改良膨胀土的抗剪强度与掺和比、养护龄期、压实系数均呈正相关，且石灰改良土具有明显的龄期效应。杨常所［9］认为天河机场附近膨胀土在掺入6%生石灰改良后可以作为无砟轨道铁路路基本体的填料。张立伟等［10］通过试验得出具有膨胀特性的泥质砂岩最佳水泥掺量为6%。李同海［11］应用CMA生态改性剂改良膨胀土取得了一定效果。查甫生等［12］研究使用水泥石灰、石灰粉煤灰等改良剂来验证膨胀土的改良效果。陈涛等［13］对石灰、水泥和粉煤灰的改良效果进行了对比分析。以上这些材料虽然取得了一些效果，但是考虑到应用较少，在高速铁路建设中应慎重使用。

膨胀土改良虽然在安徽类似铁路工程中有所应用，但系统的改良试验研究积累有限，同时通过调查发现水泥和石灰等材料在当地市场中较为充足。对于沪渝蓉高速铁路合宁段的膨胀土，究竟采用水泥还是采用石灰改良，其掺入比如何控制是沪渝蓉高速铁路合宁段路基设计和保障铁路建设的关键问题之一。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

选取沪渝蓉高速铁路合宁段合肥枢纽地区肥东至合肥站联络线SSDzK4+970为代表性取土场，取6组膨胀土土样进行室内试验，土样物理指标与化学指标见表1，土样颗粒分析成果见表2。

表1 土样物理指标与化学指标

表2 土样颗粒分析成果

试验选用的P·O 42.5普通硅酸盐水泥和熟石灰来自当地生产厂家。水泥和熟石灰外掺料的材料试验结果见表3和表4。

表3 水泥性能指标

表4 熟石灰性能指标

1.2 试验方法

对土样分别采用水泥、熟石灰进行改良，水泥掺入比为3%、4%、5%，熟石灰掺入比为4%、5%、6%。对原土、水泥改良土、熟石灰改良土分别进行界限含水率试验、颗粒分析、重型击实试验、饱和无侧限抗压强度试验（7 d、14 d、28 d）、膨胀性试验、压缩试验、直剪快剪试验以及不固结不排水三轴试验，进行系统的对比分析。采用TB 10102—2010《铁路工程土工试验规程》［14］中的试验方法进行试验。

依据TB 10001—2016《铁路路基设计规范》［15］，铁路路基基床及基床以下的压实标准分别不小于0.93和0.90，因此本次试验按照压实系数0.93和0.90分级进行。

2 试验结果与研究分析

2.1 重型击实试验

对原土、水泥改良土、熟石灰改良土进行重型击实试验，试验结果见表5。

表5 重型击实试验成果

由表5可知：①和原土相比，水泥或熟石灰改良都使得土样的最大干密度有所减少，而最优含水率有所增加。②和水泥改良相比，熟石灰改良后土最大干密度下降得更多，最优含水率也增加得更多。③无论水泥改良还是熟石灰改良，最大干密度都随着掺入比的增大而减小，最优含水率随着掺入比的增大而增大。

在原土化学改良的过程中，膨胀土的离子交换等化学作用需要水分的参与，使得最优含水率有所增大，而土粒结构重组后相对疏松，最大干密度有所降低。从重型击实试验的成果来看，熟石灰改良的效果更明显，优于水泥改良。

2.2 无侧限抗压强度试验

对水泥改良土、熟石灰改良土进行7 d、14 d、28 d饱和无侧限抗压强度试验，试验结果见图1。

图1 不同改良土各龄期无侧限抗压强度

由图1可知：①无论水泥改良还是熟石灰改良，随着掺入比的增加，无侧限抗压强度都有明显提高。②对于同一掺入比，养生龄期越长，无侧限抗压强度越大。③对于同一养生龄期，水泥改良后，压实系数0.93时土的无侧限抗压强度大于压实系数0.90时。④对于同一掺入比和同一养生龄期，熟石灰改良土的无侧限抗压强度大于水泥改良土，说明熟石灰改良优于水泥改良。⑤无论水泥改良土还是熟石灰改良土，养护龄期7 d的无侧限抗压强度均大于350 kPa，符合规范要求，建议改良土养护龄期为7 d。

从以上分析可以看出，两种改良土抵抗压缩破坏的能力都有了不同程度的提高且熟石灰改良要优于水泥改良。

2.3 膨胀性试验

对不同土进行膨胀性试验，测定不同掺入比、压实系数情况下土的膨胀力、无荷膨胀率和有荷膨胀率。不同土的主要膨胀性指标见表6，膨胀力见图2。

表6 不同土的膨胀性指标

图2 不同掺入比、压实系数时不同改良土的膨胀力

由表6、图2可知：①原土掺入3%～5%的水泥后，膨胀力从42～50 kPa下降到21～41 kPa；无荷膨胀率从12.4%～14.6%下降到0.1%～0.6%；有荷膨胀率从1.9%～2.4%下降到0～0.2%，有荷膨胀率基本消除。②原土掺入4%～6%的熟石灰后，膨胀力从42～50 kPa下降到22～34 kPa；无荷膨胀率从12.4%～14.6%下降到0.1%～0.6%；有荷膨胀率从1.9%～2.4%下降到0～0.2%，有荷膨胀率基本消除。③水泥改良或者熟石灰改良在掺入比相同的情况下，均为压实系数越大膨胀力越小。

从以上分析可以看出，经过水泥改良或者熟石灰改良后，土的各项膨胀性指标都有了较大幅度的减小，水泥掺入比大于4%和熟石灰掺入比大于5%后，改良土膨胀性基本消失。

从机理上分析，熟石灰或水泥中的Ca2+、Mg2+等离子与膨胀土中的Na+、K+等离子进行了置换，从而原土的膨胀性大大消除，随着置换反应的减弱，膨胀性指标维持在较低的水平。

2.4 压缩试验

对不同土进行压缩试验，测定不同掺入比、压实系数情况下土的压缩系数、压缩模量，结果见图3。

图3 不同土的压缩系数和压缩模量

由图3可知：①原土掺入3%～5%的水泥或掺入4%～6%的熟石灰改良后，压缩系数明显减小，压缩模量明显增加。②水泥改良或熟石灰改良后，都呈现压缩系数与掺入比负相关、压缩模量与掺入比正相关的特点。③水泥改良或熟石灰改良后，对于同一掺入比，压实系数越大，压缩系数越小，压缩模量越大。④原土掺入3%～5%的水泥后，压缩系数从0.11～0.17 MPa-1下降到0.05～0.08 MPa-1；压缩模量从18.2～27.8 MPa增加到25.0～41.2 MPa。原土掺入4%～6%的熟石灰后，压缩系数从0.11～0.17 MPa-1下降到0.05～0.07 MPa-1；压缩模量从18.2～27.8 MPa增加到26.4～42.2 MPa。熟石灰改良后土的压缩系数小于水泥改良后土的压缩系数，压缩模量大于水泥改良后土的压缩模量。熟石灰改良效果略优于水泥改良。

2.5 抗剪强度试验

对不同土进行直剪快剪试验、不固结不排水三轴试验，测定不同掺入比、压实系数情况下土的黏聚力和内摩擦角，结果见图4。

图4 不同改良土的抗剪强度

由图4可知：①原土掺入3%～5%的水泥或掺入4%～6%的熟石灰改良后，无论直剪快剪还是三轴不固结不排水剪，其黏聚力和内摩擦角都有不同程度的增大。②水泥改良或熟石灰改良后，对于同一掺入比，压实系数越大，黏聚力和内摩擦角越大。③水泥掺入比大于4%和熟石灰掺入比大于5%后，抗剪强度指标提高有限。

通过对比膨胀土经水泥改良或熟石灰改良后抗剪强度值，可以看到两种改良措施抗剪强度提高差别不大。

3 结论与建议

1）合肥枢纽广泛分布有第四系冲积、残积粉质黏土，黏土，以弱-中等膨胀性为主，考虑到合肥枢纽地区取土场设置困难，需高度重视膨胀土化学改良作为路基填料的现实需求，通过试验研究，膨胀土掺入水泥或熟石灰加以改良作为路基填料是技术上可行的。

2）和原土相比，水泥或熟石灰改良都使得土样的最大干密度有所减少，而最优含水率有所增加；随着掺入比增加，无侧限抗压强度和抗剪强度都有明显的提高；水泥掺入比大于4%和熟石灰掺入比大于5%后，改良土膨胀性基本消失；养护龄期7 d的无侧限抗压强度即大于350 kPa，符合规范要求，建议改良土养护龄期为7 d。

3）对比水泥改良和熟石灰改良，通过分析改良后的最大干密度和最优含水量、无侧限抗压强度和压缩模量等试验成果，可以得出熟石灰改良效果优于水泥改良。

4）对于沪渝蓉高速铁路合宁段膨胀土建议使用熟石灰进行改良。沪渝蓉高速铁路合宁段膨胀土改良土熟石灰掺入比，基床底层建议采用6%，基床以下建议采用5%。

5）合肥地区降雨量大，膨胀土地段低路堤和路堑基床表层以下应设置隔水层防止水分浸入路基本体，同时需完善排水系统，防止积水和汇水。本试验对沪渝蓉高速铁路合宁段设计和施工具有指导作用。