高液限土改良后進(jìn)行路基填筑在鐵路工程中的研究與應(yīng)用

文｜ 中交第三航務(wù)工程局有限公司 范紹隨

1.高液限土概述

深茂鐵路江門至茂名段是按照客貨共線鐵路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的一條時(shí)速200km/h的鐵路。按照客貨共線鐵路標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中有關(guān)路基填料分組的定義,鐵路工程中液限含水率≥40%的土為高液限土。針對(duì)高液限土,我國鐵路工程建設(shè)具有明確規(guī)定，達(dá)到以上標(biāo)準(zhǔn)的施工填料不可直接進(jìn)行路基填筑，需經(jīng)特殊處理后才可用于工程中。高液限土滲水速度相對(duì)較慢且土顆粒較小，因此其相比較其他土體材料，此種土質(zhì)本身水分不易流失。與此同時(shí)，若土體出現(xiàn)失水情況時(shí)，此種土質(zhì)將會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，從而導(dǎo)致地面出現(xiàn)干裂等情況。雖然該土體在干燥環(huán)境下能夠具備較強(qiáng)硬度，但卻易出現(xiàn)壓碎、開裂等現(xiàn)象。

2.工程應(yīng)用分析

2.1 路基填筑要求

本施工段落隸屬于廣東省陽江地區(qū)，全路段實(shí)際長度為22.2km，其中路基長度15.6km，全路段所采用的土石方量約在290萬m3。按照設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，本段路基壓實(shí)后地基系數(shù)K30應(yīng)不小于90Mpa/m。

2.2 土質(zhì)調(diào)查分析

在路基填筑正式施工前，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土體進(jìn)行了取樣試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)土體經(jīng)檢測(cè)液限為41.5%，屬于高液限粉質(zhì)粘土，運(yùn)至填筑區(qū)段后，直接進(jìn)行填筑試驗(yàn)，路基填筑完成后，檢測(cè)地基系數(shù)K30僅有61MPa/m，不滿足設(shè)計(jì)90MPa/m的要求，且路基表面存在裂縫現(xiàn)象。

從現(xiàn)場(chǎng)觀察看，該類土在填筑過程中表層遇水容易軟化、泥化，開挖出來時(shí)呈塊狀，初步碾壓后便呈碎塊狀，多遍碾壓后則呈細(xì)礫、黏粉混合狀，表層遇水后部分呈泥狀，碾壓質(zhì)量極難控制，路基工后變形隱患較大。所以由于路基填料自身高液限的特性，如若直接采用此種填料進(jìn)行填筑，將造成路基填土難以壓實(shí)、軟簧、裂縫等一系列不良病害，路基填筑質(zhì)量不能滿足設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)此現(xiàn)象，對(duì)全線路基填料進(jìn)行了取樣檢測(cè)，取樣點(diǎn)土體性質(zhì)試驗(yàn)表明，區(qū)段范圍內(nèi)填料多屬于高液限土。按照現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)結(jié)果看，區(qū)段范圍內(nèi)高液限土不能直接利用。但是，區(qū)段范圍內(nèi)高液限土分布范圍較廣，全部廢棄必然導(dǎo)致增大投資，延誤工期，對(duì)周圍環(huán)境造成的極大的負(fù)面影響。所以，必然要對(duì)區(qū)段內(nèi)高液限土進(jìn)行合理處治后方可用作路基填料。因此，有必要對(duì)高液限土處置方法進(jìn)行試驗(yàn)研究確定。

2.3 高液限土處置方法的確定

針對(duì)高液限路基填料問題，各方研究決定：一是通過晾曬土體降低含水率的方法來改善土體的特性，檢測(cè)壓實(shí)后地基系數(shù)K30是否滿足設(shè)計(jì)要求；二是進(jìn)行物理改良的方法，檢測(cè)壓實(shí)后地基系數(shù)K30是否滿足設(shè)計(jì)要求。三是進(jìn)行化學(xué)改良的方法，檢測(cè)壓實(shí)后地基系數(shù)K30是否滿足設(shè)計(jì)要求。

（1）通過晾曬降低含水率的方法

取一段路基選取兩個(gè)斷面，通過晾曬進(jìn)行7天含水率觀測(cè)，早7點(diǎn)、晚6點(diǎn)各觀測(cè)記錄一次。

根據(jù)含水率檢測(cè)情況，發(fā)現(xiàn)晾曬前土體含水率為23%，7天后土體含水率變?yōu)?9%，僅下降了4%，并且土體含水率經(jīng)過一天晾曬后，在第二天早上升高。采用7天晾曬后的填料進(jìn)行填筑試驗(yàn)，填筑完成后檢測(cè)地基系數(shù)K30僅有75MPa/m，不滿足設(shè)計(jì)90MPa/m的要求。故采用晾曬降低含水率的方法不可行。

（2）物理改良

土體是由固體顆粒、水和空氣所組成的。其中固體顆粒和水都是不可壓縮的，由于土體本身具有空隙，空隙間相互聯(lián)通，故土體中的空氣也不可壓縮。故要增加單位土體中固顆粒的含量，減少土體中的空隙，使土體達(dá)到密實(shí)，只有將土體中的水分和空氣盡量排出。但對(duì)高液限土來說，采取壓實(shí)措施只能將土體中的空氣排出，土體中的水分變化極小。而且由于高液限土具有高含水率、滲透性差的特點(diǎn)，一經(jīng)飽和，土體中的水分很難流出，即使采取各種壓實(shí)措施，也很難將土體中的水分?jǐn)D出，易出現(xiàn)軟化、彈簧等現(xiàn)象。

高液限土中細(xì)顆粒占比大，粗顆粒占比小，故存在部分粗顆粒在細(xì)顆粒中呈懸浮狀態(tài)；如果向土體中摻入砂或碎石，加大土體中粗顆粒組的比例，粗顆粒之間的空隙將由細(xì)砂或碎石和細(xì)顆粒共同填充；如果繼續(xù)加大粗顆粒的比例，粗顆粒將在土體中相互聯(lián)結(jié)，起到支撐骨架的作用，粗顆粒間的空隙由砂或碎石充滿，砂或碎石間的空隙由細(xì)顆粒充滿，通過細(xì)顆粒的粘結(jié)作用，使填料形成密實(shí)的土體結(jié)構(gòu)。同時(shí)，摻入砂或碎石的填料在壓實(shí)過程中，因?yàn)榇诸w粒的存在，改善了土體的滲透性，水分和空氣可以通過空隙排出，土體將具有較好的壓實(shí)效果，從而具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。并且隨著砂或碎石比例的提高，土體的壓縮性將降低，也將更適合用于路基填筑。所以，通過摻砂或碎石物理改良高液限土進(jìn)行路基填筑在理論方面可行。

為此，取一段路基進(jìn)行摻砂、碎石物理改良試驗(yàn)并驗(yàn)證改良效果。物理改良采用摻10%、20%、30%砂和摻10%、20%、30%碎石進(jìn)行試驗(yàn)，分別取不同的段落進(jìn)行施工，施工過程中嚴(yán)格控制各種填料的數(shù)量，嚴(yán)格控制砂、碎石的摻料比例。路基填料經(jīng)碾壓后進(jìn)行了K30地基系數(shù)檢測(cè)，摻砂法和摻碎石方法各采用3種比例（10%、20%、30%），各測(cè)量3個(gè)斷面，摻砂法壓實(shí)后K30分別為62 MPa/m、63 MPa/m、62 MPa/m；63 MPa/m、65 MPa/m、64 MPa/m ；66 MPa/m、68 MPa/m、69 MPa/m，摻碎石法壓實(shí)后K30分別為64 MPa/m、63 MPa/m、64 MPa/m ；69 MPa/m、71 MPa/m、70 MPa/m；78 MPa/m、80 MPa/m、79 MPa/m，均不滿足設(shè)計(jì)要求。故采用摻砂或碎石物理改良高液限土的方法進(jìn)行路基填筑行不通。

（3）化學(xué)改良

石灰改良高液限土是在土體中摻入一定比例的石灰，使石灰與填料發(fā)生吸水、膨脹、陽離子交換、結(jié)晶膠凝硬化等作用，使土體的性質(zhì)得到根本性的改善，其主要的作用如下：

①吸水、膨脹作用

生石灰可以在土體中發(fā)生消解作用，吸收水分，同時(shí)發(fā)生膨脹現(xiàn)象，使得土體脫水，顆粒間空隙減少，使得土體更加密實(shí)，而且石灰消解產(chǎn)生氫氧化鈣，能使石灰與土中顆粒發(fā)生更好地作用。

②陽離子交換作用

土體表面吸附著一定量的鈉、氫、鉀等陽離子。石灰是一種強(qiáng)電解質(zhì)，石灰摻入土體后會(huì)游離出鈣、鎂陽離子，會(huì)和土體中鈉、氫、鉀陽離子發(fā)生離子交換作用，形成碳酸鈣、碳酸鎂結(jié)晶體，易使土顆粒間凝結(jié)成團(tuán)，形成團(tuán)粒穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

③結(jié)晶膠凝硬化作用

生石灰摻入土中會(huì)發(fā)生離子交換形成氫氧化鈣，而飽和的氫氧化鈣易發(fā)生結(jié)晶作用，化學(xué)反應(yīng)如下：

由于結(jié)晶作用，氫氧化鈣由膠體逐漸轉(zhuǎn)變成晶體。晶體相互間牽連，能夠與土體顆粒一起形成共晶體，將土粒包裹成晶體狀。在離子交換作用下，土顆粒與石灰進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成含水碳酸鈣等，最終形成的膠凝物質(zhì)是一種很好的結(jié)合料，在土體表面形成保護(hù)套，使石灰土獲得很好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

綜上，現(xiàn)場(chǎng)取一段路基填筑段落對(duì)填料按照摻石灰化學(xué)改良的辦法進(jìn)行路基填筑。摻灰量按照3%和5%分別進(jìn)行試拌，分別進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別為：摻石灰3%的段落選取3個(gè)斷面，K30檢測(cè)3個(gè)點(diǎn)，各斷面平均值分別為79MPa/m、78MPa/m、76MPa/m，小于設(shè)計(jì)90MPa/m的要求；摻石灰5%的段落選取3個(gè)斷面，K30檢測(cè)3個(gè)點(diǎn)，各斷面平均值分別為98Pa/m、96MPa/m、97MPa/m，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，不存在裂縫現(xiàn)象。故采用摻入3%石灰對(duì)高液限土進(jìn)行化學(xué)改良的方法行不通，采用摻入5%石灰對(duì)高液限土進(jìn)行化學(xué)改良的方法是可行的。

故在全線范圍內(nèi)采用摻5%石灰對(duì)原填料進(jìn)行改良，全線路基采用改良土進(jìn)行填筑。路基施工完成后，工后沉降滿足設(shè)計(jì)、規(guī)范的要求。

結(jié)語

本文通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法對(duì)高液限土改良方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，對(duì)比得出高液限土改良的優(yōu)選方案。本次研究僅針對(duì)高液限土改良進(jìn)行了狹義范圍的研究，研究面還不夠廣泛，故需要進(jìn)一步擴(kuò)大研究范圍，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。下一步有待進(jìn)一步解決的問題主要有：

1.高液限土因地域的不同會(huì)呈現(xiàn)不同的力學(xué)特性，即使在同一地區(qū)其特性也不盡相同，所以需要對(duì)不同的高液限土進(jìn)行詳細(xì)的試驗(yàn)，確定土的特性，可能選擇不同的改良方法，取得較全面的認(rèn)識(shí) 。

2.本文僅對(duì)路基填筑壓實(shí)后K30指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)論證，參考指標(biāo)較狹義，不能綜合反映壓實(shí)后路堤的各項(xiàng)力學(xué)性能，其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步試驗(yàn)論證。

3.石灰改良高液限土盡管提高了土體物理力學(xué)性能，但是可能使土體的破壞方式從延性破壞變換成脆性破壞。對(duì)于路堤而言，增大了路堤穩(wěn)定破壞的不可預(yù)見性，值得進(jìn)一步研究。