膨脹土摻水泥改良的試驗(yàn)研究及分析

劉強(qiáng)

摘要： 某鐵路工程擬采用水泥對(duì)膨脹土進(jìn)行改良后做為路基填料。通過(guò)對(duì)內(nèi)摩擦角、自由膨脹率、承載比CBR、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn)的分析，研究在不同摻合量情況下水泥改良土的物理力學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律，評(píng)估改良方案是否可行，并確定可行方案的水泥最佳摻合量，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

Abstract： A railway project is planned to adopt improved expansive soil with cement for subgrade filling. Through analyzing the experiments of the angle of internal friction， the free expansion rate， bearing ratio CBR and unconfined compression strength， study the change trend of physical and mechanical indexes of cement improved soil in different admixture amount， evaluate whether improved scheme is feasible， and determine the best cement admixture amount of the feasible scheme， so as to guide the construction in site.

關(guān)鍵詞： 膨脹土；化學(xué)改良；水泥摻量；自由膨脹率；CBR；無(wú)側(cè)限抗壓

Key words： expansive soil；chemical modification；cement admixture；free swelling ratio；CBR；unconfined compression

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）36-0095-03

0 引言

我國(guó)廣泛分布有膨脹土，其為高塑性黏土，具有吸水后體積膨脹及承載力能急劇下降，失水后干縮發(fā)育裂隙等特征。

在自然條件的作用下，膨脹土反復(fù)脹縮變形，工程性質(zhì)不穩(wěn)定。其不均勻沉降或水平脹縮變形，導(dǎo)致建（構(gòu)）筑物出現(xiàn)偏移、裂隙甚至完全破壞等一系列工程問(wèn)題，造成的問(wèn)題往往修復(fù)難度大。同樣的，膨脹對(duì)鐵路路基造成的破壞也不容低估，在以往的鐵路建設(shè)中因?qū)ε蛎浀牟涣私夂筒粔蛑匾暤仍?，常常造成路基或邊坡深陷、坍塌等?zāi)害，嚴(yán)重影響到鐵路行車(chē)安全。為了確保鐵路路基長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定，達(dá)到安全運(yùn)營(yíng)的目的，必須解決膨脹土這一不良地質(zhì)問(wèn)題。

1 工程概況

某鐵路DK263+850～DK276+185段線路所經(jīng)處為膨脹土，線路多以路基形式通過(guò)，本段路基挖方約為46.8萬(wàn)m3，填方為35.1萬(wàn)m3。挖方土體基本均為膨脹土，不能直接作為路基填料。如果將路基挖方全部進(jìn)行運(yùn)棄，需要設(shè)置大型棄土場(chǎng)及進(jìn)行棄土場(chǎng)的防護(hù)，不僅對(duì)當(dāng)自然環(huán)境造成不利影響，且工程造價(jià)高。經(jīng)對(duì)當(dāng)?shù)赝猎催M(jìn)行調(diào)查，符合路基標(biāo)準(zhǔn)的填料需進(jìn)行45km的遠(yuǎn)運(yùn)。一方面要棄土，另一方面卻遠(yuǎn)距離借土，無(wú)疑需要較大施工投入。

為減少對(duì)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境的不良影響及降低工程造價(jià)，經(jīng)項(xiàng)目參建各方進(jìn)行研究及評(píng)估后，決定對(duì)挖方的膨脹土進(jìn)行化學(xué)改良后用于填筑。

本項(xiàng)目對(duì)挖方段的膨脹土各類工程特性及化學(xué)改良效果進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)研究，以確定改良方案及化學(xué)改良的最佳試驗(yàn)參數(shù)，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，確保鐵路路基的穩(wěn)定。

2 膨脹土評(píng)判及分類

2.1 膨脹土評(píng)判及分類標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)膨脹土進(jìn)行改良試驗(yàn)研究，首先必須對(duì)當(dāng)前的土質(zhì)是否為膨脹土進(jìn)行判別，對(duì)判明的膨脹土再進(jìn)一步進(jìn)行分類，并進(jìn)行深入研究及分析，從而提出針對(duì)性改良處理方案，最終明確改良處理的最終參數(shù)及相應(yīng)的施工技術(shù)措施。

膨脹土的判別與分類在工程地質(zhì)界一直存在多種評(píng)判及分類方法，尚未形成統(tǒng)一的分類法。根據(jù)本工程的特點(diǎn)，主要采用《鐵路工程地質(zhì)膨脹土勘查規(guī)程》（TB10038-2001）中的標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合其它評(píng)判辦法進(jìn)行膨脹土的判別與分類。

鐵路工程膨脹土評(píng)判及分類標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)

因本區(qū)段跨度線路較長(zhǎng)，各處膨脹土的地質(zhì)特性可能差異較大，故實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，通常按各挖路塹點(diǎn)作為一個(gè)試驗(yàn)取土源，進(jìn)行單獨(dú)的試驗(yàn)研究，以確保試驗(yàn)結(jié)果的適用性、準(zhǔn)確性。

表2為對(duì)本項(xiàng)目DK271+520～+865段路塹的取土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)研究的成果。

試驗(yàn)室根據(jù)線路長(zhǎng)度及工程量等分布情況，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置了具有代表性的6處取土點(diǎn)鉆孔取土進(jìn)行土工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從土樣外觀上看，土樣呈現(xiàn)黃褐色，粘土中含少量粉砂，可塑性較強(qiáng)，表面光滑，裂隙較發(fā)育，易風(fēng)化呈碎粒狀，含鈣質(zhì)結(jié)核。

由表1的試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地貌，土樣外觀等特征，可綜合判明土樣為中等膨脹等級(jí)的膨脹土。

3 膨脹改良試驗(yàn)

3.1 改良方案的確定

本項(xiàng)目決定采用化學(xué)方式對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，目前使用較為廣泛的化學(xué)改良有石灰改良、陽(yáng)離子型添加劑改良、水泥改良、NCS固化劑改良等。

經(jīng)對(duì)當(dāng)?shù)氐牟牧瞎?yīng)情況、改良效果及施工設(shè)備情況進(jìn)行綜合比較，決定采用水泥作為摻合劑進(jìn)行膨脹土改良。

3.2 摻水泥改良膨脹土原理

膨脹土中摻入水泥后，一方面，水泥發(fā)生凝固的化學(xué)反應(yīng)，在土體中形成整體的水化水泥骨架，骨架對(duì)土體原本離散的顆粒形成約束，一定程度上制約了土體自由形變；另一方面，摻入的水泥與土中的水分產(chǎn)生水解及水化反應(yīng)的產(chǎn)生物與土體發(fā)生離子交換作用，從而改良了土體，提高了土體強(qiáng)度。其改良土體的原理主要?dú)w結(jié)為如下三種形式。

①離子交換作用。摻入的水泥與土體中水份產(chǎn)生水化反應(yīng)，析出Ca2+離子與土顆粒表面著附的Na+、K+離子發(fā)生吸附交換，使土顆粒表面水膜厚度變薄，即將原本細(xì)小離散的土顆粒凝結(jié)成粗粒，從而提高了土體強(qiáng)度。

②硬凝反應(yīng)。隨著水化應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，析出Ca2+離子完成超過(guò)吸附交換所需后，與土體中的SiO2、Al2O3進(jìn)行化學(xué)作用，生成硅酸鈣、鋁酸鈣水化物等不溶于水的結(jié)晶化合物，上述呈纖維狀的穩(wěn)定結(jié)晶化合物在提高土體強(qiáng)度上起到主要作用。且硅酸鈣、鋁酸鈣水化物結(jié)晶化合物結(jié)構(gòu)致密，能夠在很大程度上阻止水分子的滲入，改善了土體的水穩(wěn)定性。

③碳酸化作用。水泥水化反應(yīng)后產(chǎn)生的游離Ca（OH）2與空氣中的CO2及H2CO3水解產(chǎn)生的CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成強(qiáng)度較高的CaCO3，同時(shí)還能夠?qū)⒓?xì)小的土顆粒膠結(jié)成較大的粗粒，故也起到提高土體強(qiáng)度的作用。

4 膨脹土水泥改良試驗(yàn)方案

采用水泥作為摻合劑進(jìn)行膨脹土改良，水泥為袋裝的華潤(rùn)牌P·O32.5水泥。

試驗(yàn)時(shí)水泥摻合量按土樣烘干重量的0%、2%、4%、6%、8%、10%等6種不同情況，對(duì)改良土分別做內(nèi)摩擦角、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、自由膨脹率、承載比CBR。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究水泥改良的規(guī)律性，以確定改良時(shí)水泥的最佳摻入量。

由于本項(xiàng)目試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，本文僅選取了典型代表的DK271+630、DK271+750兩處土樣進(jìn)行描述。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 不同水泥摻量對(duì)土體內(nèi)摩擦角的影響

內(nèi)摩擦角作為巖（土）體的重要參數(shù)之一，是土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，故水泥改良對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響情況，是我們所關(guān)心的，試驗(yàn)成果見(jiàn)表3及圖1。

由分析結(jié)果得出，試樣內(nèi)摩擦角隨著水泥摻合量的增加而增大，在水泥摻量小于6%時(shí)，隨著水泥摻合量遞增呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，當(dāng)水泥摻合量超過(guò)6%后，隨著水泥摻合量的增長(zhǎng)僅呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)。

可見(jiàn)，在膨脹土中摻入水泥，能夠顯著提高土體內(nèi)摩擦角，水泥的最佳摻合量為6%。在此摻和量下，技術(shù)及經(jīng)濟(jì)的綜合效果最好。

5.2 自由膨脹率

自由膨脹率是膨脹土判別與分類的一項(xiàng)重要指標(biāo)，進(jìn)行膨脹土的最重要目的是降低土體自由膨脹率，工程地質(zhì)達(dá)到變通土體的要求。結(jié)果見(jiàn)表4、圖2。

由分析結(jié)果得出，試樣自由膨脹率隨著水泥摻合量的增加而降低，在小劑量情況下，隨著水泥摻合量的增加，自由膨脹率呈快速降低的態(tài)勢(shì)，隨水泥摻合量的增長(zhǎng)自由膨脹率僅呈現(xiàn)出緩慢降低。

表4的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)水泥摻合量達(dá)到6%時(shí)，兩組試樣的自由膨脹率均小于膨脹土評(píng)判指標(biāo)（40%），即土體經(jīng)改良后，能夠消除膨脹性，已為非膨脹土，達(dá)到改良目的。

5.3 承載比CBR試驗(yàn)研究

CBR為測(cè)定土樣承載力的試驗(yàn)方法，體現(xiàn)了在局部荷載作用下土樣抵抗變形的能力，試件采用擊實(shí)儀擊實(shí)成樣，試樣制成后浸水，以模擬鐵路路基所處自然環(huán)境。浸水時(shí)水面高度要超出試樣25mm，浸泡4天后進(jìn)行貫入試驗(yàn)。試驗(yàn)采用CBR2.5作為試驗(yàn)參數(shù)，即貫入量為2.5mm時(shí)的承載比。試驗(yàn)成果見(jiàn)表5及圖3。

由分析結(jié)果得出，試樣內(nèi)CBR值隨著水泥摻合量的增加而顯著增大，從圖3曲線看到，承載比CBR值隨水泥摻合量的增大而線性增加，從承載比CBR值方面分析，最佳水泥摻合量為本次試驗(yàn)的水泥最大摻合量（10%）。

5.4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果見(jiàn)表6及圖4。

由分析結(jié)果得出，采用水泥對(duì)膨脹土進(jìn)行改良后，無(wú)側(cè)限強(qiáng)度較未改良前有顯著提高，隨著水泥摻合量的增加，其提高的效果更加明顯。從強(qiáng)度曲線看到，當(dāng)水泥摻合量為4%時(shí)強(qiáng)度曲線有明顯變化，水泥摻合量超過(guò)4%后強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)趨緩，因此，從強(qiáng)度這方面考慮，水泥摻合量不宜低于4%。

6 確定水泥最佳摻合量

在以上水泥改良膨脹的室內(nèi)試驗(yàn)中，各項(xiàng)指標(biāo)均表明，水泥摻合配比越高越好，土體改良效果越好，在項(xiàng)目實(shí)際施工時(shí)需綜合考慮改良效果、工程造價(jià)、路基強(qiáng)度等確定本項(xiàng)目的最佳水泥摻合量。

通過(guò)綜合分析，確定本項(xiàng)目DK263+850～DK276+185路基膨脹土水泥改良的理論最佳摻合量為6%。但現(xiàn)場(chǎng)施工條件復(fù)雜，土泥與土體拌合存在不均勻性，故實(shí)際施工時(shí)采用的水泥施工摻合量為7%。

7 結(jié)束語(yǔ)

膨脹土對(duì)作為一種特殊土質(zhì)，在實(shí)際施工中，其對(duì)鐵路路基及構(gòu)筑物等的破壞性影響是巨大的，膨脹土問(wèn)題的處理，需從影響其物理力學(xué)性質(zhì)的外在因素及內(nèi)部物質(zhì)構(gòu)成方面著手，從而通過(guò)改變其物理力學(xué)性質(zhì)消除危害性。具體的每個(gè)項(xiàng)目的膨脹土均具有其自身特點(diǎn)，故要求進(jìn)行足夠的試驗(yàn)及研究，以確定針對(duì)性的處理措施及施工參數(shù)。

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