陽安二線膨脹土填料改良研究

張宗堂

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

陽安二線膨脹土填料改良研究

張宗堂

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

擬建陽安二線沿線膨脹土廣泛分布，膨脹土不能直接作為路基填料，如果選取合格填料，運距較遠、投資大，而且挖方地段的膨脹土又得棄掉、占地多，極不經(jīng)濟。通過選取現(xiàn)場兩處代表性取土場取樣，生石灰粉作添加劑，按4%、6%、8%、10%四個級別的摻入比做室內(nèi)改良試驗，試驗表明：生石灰摻入比大于4%改良后，能達到消除膨脹性的目的，改良土有較好的水穩(wěn)性和較高的強度，能滿足設(shè)計要求；改良土較原膨脹土有較高的抗壓強度和剪切強度，且隨生石灰的摻入比增加而增大；得出了路基不同部位、不同膨脹級別膨脹土的生石灰粉摻入比，為陽安二線路基填料設(shè)計提供了理論依據(jù)。

鐵路路基；膨脹土；填料；改良試驗

1 概況

既有陽安鐵路橫貫陜西省南部。線路西起寶成線陽平關(guān)站，跨嘉陵江，經(jīng)漢江上游河谷，過漢中盆地，經(jīng)西鄉(xiāng)，過石泉，沿月河河谷，至安康，行經(jīng)漢中安康2市共11縣(區(qū))。1969年開工建設(shè)，1972年建成通車，1976年交付運營。

擬建的二線自寶成線陽平關(guān)站引出，沿漢江河谷經(jīng)勉縣，至漢中盆地，通過漢江低山峽谷區(qū)，過西鄉(xiāng)、石泉，沿月河河谷經(jīng)漢陰至安康樞紐安康站。增建第二線全長329 km，路基工程占線路總長約53%。

陽安二線鐵路沿線膨脹土廣泛分布，集中分布于勉西以東的漢中盆地、牧馬河及月河的二級及其以上的階地上，厚度一般大于10 m。增建二線路基段的膨脹土分布情況及相關(guān)指標(biāo)見表1[1]。

既有陽安線修建時由于當(dāng)時對膨脹土的認識、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、投資等因素限制，對膨脹土未做改良而直接作為路基填料，沿線年平均降水量772～1 103 mm，受膨脹土特有性質(zhì)影響，既有線路基病害如基床翻漿冒泥、基床變形下沉、路堤邊坡溜坍大量發(fā)生，經(jīng)工務(wù)部門多年整治加固，雖路基大部分狀況較為良好，但膨脹土引起的路基病害時有發(fā)生，全線各區(qū)段均有不同程度分布。

表1 沿線路基段膨脹土分布及指標(biāo)情況

增建二線路基地段大都分布膨脹土，且厚度較大，如果不用其作填料，那么路堤段就得遠運其他類填料、路塹段就得將挖方的膨脹土棄掉，增大工程投資、很不經(jīng)濟。全線有400多萬m3膨脹土需要改良作為路基填料，改良膨脹土顯得十分必要和迫切，是路基設(shè)計的一項重要工作。

2 膨脹土改良現(xiàn)狀情況

膨脹土具“吸水膨脹，失水干縮”的特殊性質(zhì)，現(xiàn)行鐵路路基規(guī)范對膨脹土作為填料做出如下強制性規(guī)定。

《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》(TB10001—2005)：膨脹土為D類填料，路基基床不得直接采用，路堤基床以下當(dāng)選用時，應(yīng)采取加固或土質(zhì)改良措施[2]。

《鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范》(TB10035—2006)：路堤基床表層不得采用膨脹土或其改良土填筑，基床底層采用膨脹土作填料時，應(yīng)采取土質(zhì)改良措施，基床以下路堤填料采用膨脹土作填料時可采取改良或加固及防排水措施；路塹基床表層應(yīng)全部換填符合相應(yīng)鐵路等級標(biāo)準(zhǔn)要求的材料，基床底層應(yīng)采取換填或土質(zhì)改良措施[3]。

膨脹土在我國廣泛分布，特別是長江流域的漢水、嘉陵江、岷江、烏江水系，珠江流域的東江、桂江、郁江、南盤江水系，淮河、海河流域各干支流水系等地區(qū)膨脹土分布最為集中。在鐵路、公路修建過程中對填料的改良和應(yīng)用已做了較為系統(tǒng)的試驗研究，分物理改良和化學(xué)改良，化學(xué)改良材料多為水泥、石灰、粉煤灰以及其他材料[4-8]，像李慶鴻[9]在新建時速200 km合肥—南京鐵路項目中，對沿線膨脹土成分性質(zhì)、改良技術(shù)、改良拌和工藝、改良土填筑壓實施工工藝做了系統(tǒng)的研究，并應(yīng)用于該項目的建設(shè)中。

陜南膨脹土的改良也在不同的工程建設(shè)中被施工應(yīng)用，但系統(tǒng)的改良試驗研究還很少見，化學(xué)改良材料的摻入量控制在什么程度才能既滿足工程需要又經(jīng)濟合理，如何評價改良效果，是陽安二線路基設(shè)計的重要和關(guān)鍵所在。

3 改良試驗

3.1 試驗內(nèi)容

二線勘察過程中選取DK84+900(以下簡稱第一取土場)和DK329+400(以下簡稱第二取土場)兩處代表性取土場，取樣作室內(nèi)改良試驗，從膨脹性、無側(cè)限抗壓強度、剪切強度、壓縮性、水穩(wěn)性等方面對膨脹土改良前后進行系統(tǒng)的對比分析研究。

根據(jù)國內(nèi)外對膨脹土改良的研究成果，采用化學(xué)改良，本次改良材料采用生石灰。

生石灰采用沿線大型企業(yè)生產(chǎn)的商品生石灰粉，取樣試驗表明Ca+MgO含量大于80%，鈣質(zhì)生石灰粉，符合《建筑生石灰》(JC/T 479—2013)的鈣質(zhì)生石灰75(代號CL75)[10]。

生石灰摻入比(生石灰與膨脹土的干質(zhì)量百分比)分4%、6%、8%、10%四個級別進行試驗研究。

改良土主要用于路基基床底層及基床以下的填筑，現(xiàn)行規(guī)范要求基床底層壓實度93%，基床以下90%，因此本次的改良試驗試樣壓實度也分93%、90%兩個級別。

3.2 膨脹性

分別用2個取土場的膨脹土土樣，按生石灰摻入比4%、6%、8%、10%四個級別進行改良，并分別測定未改良膨脹土和改良膨脹土的自由膨脹率、陽離子交換量、蒙脫石含量、無荷膨脹率、有荷膨脹率指標(biāo)，見表2[11]。

表2 不同生石灰摻入比的膨脹性指標(biāo)

由表2可知，摻入4%～10%生石灰，自由膨脹率從51%降低到23%～38%，陽離子交換量從221～222 mmol/kg降低到135～188 mmol/kg，蒙脫石含量從22.3%～25.5%降低到6.0%～15.5%，無荷膨脹率從17%～25.5%降低到0.3%～3.2%，有荷膨脹率全部消除。

從試驗數(shù)據(jù)看生石灰改良后無荷膨脹率、有荷膨脹率降低很快；自由膨脹率、陽離子交換量、蒙脫石含量均有不同程度的降低，且與生石灰摻量成明顯正相關(guān)性；生石灰摻入比大于4%后膨脹性基本消除。

3.3 無側(cè)限抗壓強度

分別用2個取土場的膨脹土土樣，按生石灰摻入比4%、6%、8%、10%四個級別進行改良，并按90%、93%壓實度制樣，分別測定養(yǎng)生齡期7、14、28、90 d無側(cè)限抗壓強度，見表3[11]和圖1～圖4。

表3 不同生石灰摻入比、養(yǎng)生齡期的無側(cè)限抗壓強度

圖1 第一取土場壓實度90%時各養(yǎng)生齡期無側(cè)限抗壓強度趨勢

圖2 第一取土場壓實度93%時各養(yǎng)生齡期無側(cè)限抗壓強度趨勢

圖3 第二取土場壓實度90%時各養(yǎng)生齡期無側(cè)限抗壓強度趨勢

圖4 第二取土場壓實度93%時各養(yǎng)生齡期無側(cè)限抗壓強度趨勢

從圖1～圖4可以看出：

(1)摻入生石灰改良后無側(cè)限抗壓強度有較大幅度的提高；

(2)同一摻入比情況下，無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)生齡期延長而提高，摻入比越大提高幅度越大；

(3)同一養(yǎng)生齡期情況下，摻入比越大無側(cè)限抗壓強度越高；

(4) 相同摻入比、養(yǎng)生齡期情況下，壓實度越大無側(cè)限抗壓強度越高。

以上4方面說明生石灰改良膨脹土對膨脹土無側(cè)限抗壓強度提高效果明顯。

3.4 剪切強度

分別用2個取土場的膨脹土土樣，按生石灰摻入比4%、6%、8%、10%四個級別進行改良，并按90%、93%壓實度制樣，直接快剪和三軸不固結(jié)不排水剪切試驗，試驗結(jié)果見表4[11]。

表4 不同生石灰摻入比、壓實度剪切試驗

從圖5、圖6可知：

(1)直接快剪黏聚力在各種生石灰摻入比變化不大，但摩擦角增大明顯、且隨生石灰摻入比增大提高明顯；

(2)三軸剪試驗中生石灰改良后黏聚力、摩擦角增大明顯，且隨生石灰摻入比增大提高明顯；

(3)相同生石灰摻入比情況下，壓實度越大黏聚力、摩擦角越大。

圖5 第一取土場壓實度90%時各種生石灰摻入比的剪切強度趨勢

圖6 第二取土場壓實度93%時各種生石灰摻入比的剪切強度趨勢

3.5 壓縮性試驗

分別用2個取土場的膨脹土土樣，按生石灰摻入比4%、6%、8%、10%四個級別進行改良，并按90%、93%壓實度制樣，壓縮試驗結(jié)果見表5[11]。

表5 不同生石灰摻入比、壓實度的壓縮試驗

從圖7可以看出：

(1)摻加生石灰改良后壓縮性改善明顯；

(2)隨著生石灰摻入比的增加壓縮系數(shù)逐漸降低、壓縮模量逐漸增大；

(3)相同生石灰摻入比情況下，壓實度越大壓縮系數(shù)越小、壓縮模量越大。

3.6 水穩(wěn)性試驗

分別用2個取土場的土樣，按生石灰摻入比4%、6%、8%、10%四個級別進行改良，并按90%、93%壓實度制樣，養(yǎng)生7 d飽和無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見表6[11]。

圖7 第一取土場各種生石灰摻入比的壓縮性趨勢

表6 不同生石灰摻入比養(yǎng)生7 d飽和無側(cè)限抗壓強度

改良土有較好的水穩(wěn)性，生石灰摻入比≥4%均能滿足7 d飽和無側(cè)限抗壓強度大于350 kPa的規(guī)范要求[12]。

4 結(jié)語

(1)既有陽安線修建于20世紀(jì)60年代末70年代初，由于當(dāng)時對膨脹土的認識、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、投資等因素限制，對膨脹土未做改良而直接作為路基填料，所以既有線路基病害較多，制約行車速度和運能的提升；按照現(xiàn)行規(guī)范要求，二線建設(shè)中對膨脹土進行改良是十分必要的，就近利用膨脹土摻加生石灰進行改良作路基填料是經(jīng)濟和合理可行的。

(2)陽安二線沿線膨脹土生石灰摻入比大于4%改良后，能達到消除膨脹性的目的。

(3)改良土較原膨脹土有較高的抗壓強度和剪切強度，且隨生石灰的摻入比增加而增大。

(4)生石灰的摻量大于4%后，改良土有較好的水穩(wěn)性和較高的強度，7 d飽和無側(cè)限抗壓強度滿足大于350 kPa的規(guī)范要求。

(5)根據(jù)室內(nèi)改良試驗結(jié)果可以得出以下設(shè)計指導(dǎo)意見：陽安二線沿線弱膨脹土改良生石灰摻入比，基床底層采用7%、基床以下采用5%；中等膨脹土改良生石灰摻入比，基床底層采用8%、基床以下采用6%。

(6)陜南地區(qū)年降水量較為充沛，膨脹土地段路基基床表層底部鋪設(shè)防水層，阻防降水下滲軟化基床底層是十分必要和有效的措施。

(7)陽安二線膨脹土的試驗研究對本項目的設(shè)計、施工有十分重要的指導(dǎo)作用；并對陜南其他交通和市政項目的建設(shè)具有積極的借鑒意義。

[1] 中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司.改建鐵路陽安線增建第二線初步設(shè)計第四篇地質(zhì)[Z].西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，2014．

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10001—2005鐵路路基設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005．

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10035—2006鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2006．

[4] 楊西鋒.高速鐵路路基粗顆粒土填料物理改良試驗分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(12)：1-4．

[5] 薛曉輝，扈世民.二灰土改良風(fēng)積土可行性試驗研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(12)：63-66．

[6] 趙新益.石灰改良下蜀黏土作為高速鐵路路基填料的動力特性試驗研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2012(11)：1-3．

[7] 李敏，柴壽喜，杜紅普.麥秸稈加筋石灰土抗剪強度影響因素灰色關(guān)聯(lián)度分析[J].路基工程，2011(4)：82-85．

[8] 閻飛.膨脹土改性試驗研究[J].土工基礎(chǔ)，2012(3)．

[9] 李慶鴻.新建時速200公里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．

[10]中華人民共和國工業(yè)和信息化部.JC/T479—2013建筑生石灰[S].北京：中國建材工業(yè)出版社，2013.

[11]中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司.改建鐵路陽安線增建第二線初步設(shè)計膨脹土改良試驗報告[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，2014.

[12]中華人民共和國鐵道部.TB10020—2009高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2010．

[更正]本刊2015年第6期第91頁圖2中“3號塔”應(yīng)為“1號塔”，“4號塔”應(yīng)為“2號塔”，特此更正。

本刊編輯部

Study on Improvement of Expansive Soil Filler of YangAn Railway Second Line

ZHANG Zong-tang

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co. Ltd.， Xi’an 710043， China)

The expansive soil is widely distributed in the proposed YangAn second line and the expansive soil can not be directly used as roadbed filler. If other qualified filling material is used the haul distance will be longer with heavy investment， waste of excavated expansive soil and more land coverage. A test is conducted with two representative field soil samples and lime powder as additive in 4%， 6%， 8% and 10% of four levels of incorporation for improvement. Test results show that the soil improvement with mixing ratio greater than 4% can eliminate the swelling， and the improved soil has good water stability and higher strength and meets the design requirements. Compared with the original expansive soil， the improved soil has higher compressive strength and shear strength with the increase of the lime mixing ratio. The mixing ratios for different part of subgrade and different grade of expansive soil are obtained， providing theoretical reference for the design of YangAn second-line subgrade filler．

Railway subgrade; Expansive soil; Filler; Improvement test

2014-09-23；

2014-10-11

張宗堂(1968—)，男，教授級高級工程師，1990年畢業(yè)于西南交通大學(xué)鐵道工程專業(yè)，工程碩士，E-mail：zhang_zt@126.com。

1004-2954(2015)07-0023-05

U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.006