石武客運專線路基基床、邊坡CMA改性膨脹土室內(nèi)模擬試驗研究

沈啟煒

(中鐵十八局集團(tuán)石武客運專線河南段項目部,河南駐馬店 463000)

1 概述

國家重點工程石家莊至武漢鐵路客運專線,設(shè)計最高時速350 km。它北接京石客運專線,南接武廣客運專線,三線建成貫通后,將形成一條與京廣鐵路并行、縱貫我國南北,線路里程最長、輻射范圍最廣、具有世界一流水平的快速客運通道。根據(jù)設(shè)計地質(zhì)勘察資料,在石武客運專線途經(jīng)河南駐馬店、信陽地區(qū),分布著中弱膨脹土,需要處理的路段約75 km。

膨脹土其礦物組成多以伊利石、蒙脫石為主,夾少量的高嶺石。這些親水性的黏土礦物質(zhì)遇水膨脹,失水收縮,具有明顯的脹縮性、多裂隙性、超固結(jié)性以及強度減弱性,容易造成沉陷、溜塌、縱裂、坍塌等事故,已構(gòu)成典型的自然災(zāi)害。傳統(tǒng)處理膨脹土的方法都是以防為主[1],即防止雨水侵入的處理方法(如:漿砌片石防護(hù)、混凝土預(yù)制塊滿鋪防護(hù)、土釘墻加固邊坡等),這些方法不能從根本上解決膨脹土的濕脹干縮問題,給工程帶來極大隱患。采用摻石灰、水泥處理膨脹土雖然能起到一定的效果,但存在著施工難度大,工序多、效果差、造價高、污染環(huán)境等缺陷[2～3]。

為了預(yù)防膨脹土地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,確保高速鐵路的安全運行,2004年鐵道部科研、設(shè)計部門在西安南京鐵路進(jìn)行了改性膨脹土工程應(yīng)用試驗獲得成功,經(jīng)過5年的觀測,改性效果良好。隨后在銅九鐵路、襄渝鐵路復(fù)線等工程中得到應(yīng)用[4～5]。根據(jù)類似工程,石武客運專線 DK954+110～+510段路基設(shè)計采用CMA膨脹土生態(tài)改性劑改性處理方案。為了校驗該產(chǎn)品的改性效果和對該土體的適應(yīng)性,選擇適合該段路基土體的最佳配方,改性施工前需要進(jìn)行室內(nèi)模擬改性試驗。通過室內(nèi)模擬試驗,同時對該產(chǎn)品的原理與應(yīng)用進(jìn)行探討與研究。

2 室內(nèi)模擬試驗

2.1 土樣采集

根據(jù)設(shè)計要求,待DK954+110～DK954+510段路基開挖施工完成后,在基床、邊坡上按15 m間距采集土樣28組,土樣均為黃色、棕褐色夾灰白色黏土,肉眼可見鈣、錳質(zhì)結(jié)核,自然狀態(tài)下呈半堅硬狀態(tài)。

2.2 試驗設(shè)計

將采取的28組原狀土樣進(jìn)行自由膨脹率和可塑性試驗,選取自由膨脹率最大、塑性指數(shù)最高的一組原狀土樣風(fēng)干分散后成4份,其中1份作為原狀土土樣,其余3份作為改性土土樣,編號為改1、改 2、改3,按照3個不同改性配方完成對原狀土的改性工作。3個改性劑配方均由生產(chǎn)廠家提供,是由多種相同的化學(xué)成分復(fù)合而成,主要是其化學(xué)成分比例略有不同[8]。3個配方的稀釋比例均為1∶100,用量為0.2 kg/m2。然后分別測定原狀土和改性土的自由膨脹率、液塑性、顆粒級配。以重型擊實確定原土及改性土的最大干密度與最優(yōu)含水率,根據(jù)所測定的最大干密度與最優(yōu)含水率制備試樣測定相關(guān)的膨脹性、力學(xué)性及水穩(wěn)定性指標(biāo)。通過對改性前后各指標(biāo)的比對以評價改性劑的改性效果,確定最優(yōu)配方用于該段路基工程施工。

2.3 試驗成果

試驗按照《土工試驗土方標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)[6]和《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB10102—2004)[7]進(jìn)行,試驗成果見表1～表7。

表1 液塑性試驗成果

表2 顆粒分析對比試驗成果

表3 膨脹性試驗成果對比

表4 擊實承載比試驗成果對比

表5 無側(cè)限直剪試驗成果對比

表6 飽和狀態(tài)下無側(cè)限直剪試驗成果對比

表7 濕化試驗成果

2.4 試驗研究分析

根據(jù)室內(nèi)試驗報告[8]研究分析如下:

(1)從表1可以看出,改性土的可塑性發(fā)生了明顯的變化,其液限減小,塑限增大;塑限指數(shù)減小。這表明經(jīng)改性作用,土的親水性明顯減弱。

(2)表2顯示,改性土中沙粒組、粉粒組含量明顯比原狀土增大,而黏粒組及膠粒組顯著減小,表明土的比表面積減小,土粒的分散程度降低,土顆粒之間因離子交換作用現(xiàn)成了比原狀土顆粒之間更為緊密的結(jié)構(gòu),土顆粒與水的接觸面積減少。

(3)從表3可知,原狀土的自由膨脹率為62%,屬膨脹潛勢為中的膨脹土[1～2],但其膨脹力較大。經(jīng)改性作用后,自由膨脹率均降到 40%以下,屬非膨脹土[1～2]。但按最大干密度及最佳含水量制備的試樣測定的相關(guān)膨脹收縮指標(biāo)顯示,改1、改2仍具有微弱的膨脹性,經(jīng)改3改性作用已消去了膨脹土的膨脹特性。

(4)從表4可知95%壓實度的承載比改1是原狀土的8.4倍,改3是原狀土的37倍。吸水量改1是原狀土的62%,改3是原狀土的49%。吸水膨脹率改1為原狀土的34%,改3為原狀土的4.9%。這表明經(jīng)改性作用,改性土的吸水性及膨脹性減弱,承載能力大幅提高,水穩(wěn)定性增強。

(5)從表5中無側(cè)限及直剪快剪試驗試樣是在最優(yōu)含水量,最大干密度擊實成型后自然養(yǎng)護(hù)3 d后測得 。改性土無側(cè)限強度是原狀土的2～3倍,抗剪強度改1、改2與原狀土相當(dāng),改3明顯增大。由此說明經(jīng)改性作用土的無側(cè)限強度及抗剪強度大幅提高。

(6)為了模擬邊坡在雨季最不利條件下,邊坡土受力特征所反映的強度特征,選用原狀土及改性土的樣品,按95%的壓實度在CBR模簡中靜壓成型,施加5 kg的標(biāo)準(zhǔn)荷載板,放入水槽中浸泡4晝夜,讓試樣充分吸水膨脹后測定試樣強度變化特征,試驗結(jié)果見表6。從表6中可知,改性土的無側(cè)限強度是原狀土的2.7倍左右。直剪強度C值是原狀土的3.1倍,Φ值是原狀土的3.2倍,這不僅說明了改性土的強度優(yōu)于原狀土,而且說明了改性土的水穩(wěn)性優(yōu)于原狀土。

(7)從表7濕化試驗成果表中可知,改3水穩(wěn)性良好,當(dāng)改性徹底時,經(jīng)4晝夜浸泡,試樣不崩解。而改1、改2發(fā)生不同程度的崩解,這說明改性配方需根據(jù)不同的土類特征應(yīng)加以調(diào)整。

(8)本次試驗中可以看出改3改性效果最好,可作為最優(yōu)配方應(yīng)用于該段路基的土體改良。

3 結(jié)論

本次試驗結(jié)果表明,經(jīng)CMA膨脹土生態(tài)改性劑改性后的土體基本上消除了脹縮特性,土體的強度大幅度提高、水穩(wěn)性好,不發(fā)生濕化崩解現(xiàn)象,符合設(shè)計要求,可以推廣應(yīng)用,試驗的各項指標(biāo)可作為施工依據(jù)。按照本次室內(nèi)研究確定的改性配方,在現(xiàn)場施工完畢后,經(jīng)檢測,各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求,應(yīng)用效果較好。

[1]李慶鴻.新建時速200 km鐵路改良膨脹土路基施工技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2007.

[2]李生林.中國膨脹土工程地質(zhì)研究[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,1992.

[3]廖世文.膨脹土與鐵路工程[M].北京:中國鐵道出版社,1984.

[4]李小青,張耀庭.鐵路路塹邊坡膨脹土的化學(xué)改良試驗研究[J].鐵道工程學(xué)報,2007(7):24-28,46.

[5]王艷萍,胡瑞林,李志清.膨脹土路堤的化學(xué)改性試驗研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2008(1):124-129.

[6]GB/T 50123—1999,土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7]TB10102—2004,鐵路工程土工試驗規(guī)程[S].

[8]武漢中材科技有限公司.CMA改性膨脹土室內(nèi)模擬試驗研究報告[R].武漢:2009.

[9]劉特洪.工程建設(shè)中的膨脹土問題[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[10]潘忠良,代 杰.高速公路膨脹土路基邊坡的綜合防治[J].交通科技,2003(3):52-55.