铁路路基膨胀土填料改良试验研究

连继峰，杨有海

(兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070)

改建铁路沪汉蓉通道襄樊至老河口东段增建二线，铁路等级为国铁Ⅰ级。正线线下设计速度目标值为200 km/h，线上设计速度目标值为160 km/h;该线地基大部分为软土、松软土或水塘等，填料大部分具有膨胀性。对于膨胀土的改良方法有掺石灰、水泥、粉煤灰、二灰(石灰和粉煤灰)等无机改良材料和聚丙烯酰胺等有机改良材料、微生物改良法等。

膨胀土的改良是膨胀土路基工程研究领域中的重要问题之一。文献[1]结合合宁铁路路基试验工程，进行膨胀土填料的室内石灰改良，得出石灰掺灰比中膨胀土为6%，弱膨胀土为5%的结论。文献[2]通过对济南、淄博地区膨胀土的室内试验分析，认为石灰剂量的最佳配比为6%。吴新明[3]通过室内不同水泥掺量比的系列试验，认为水泥改良膨胀土8%的水泥为最佳掺量比。查甫生[4]通过室内试验，认为掺入粉煤灰可有效降低膨胀土的膨胀性。文献[5]研究了掺入石灰的粉煤灰强度特性，建议配合比为生石灰粉 ∶粉煤灰=(1∶9)～(2∶8)(干灰质量比)。

因此，笔者结合沪汉蓉通道武康二线铁路路基膨胀土填料进行定量改良试验，改良剂分别为5%石灰、5%水泥、20%粉煤灰和二灰(20%粉煤灰+2%石灰)。通过室内基本试验对5%石灰改良膨胀土的胀缩性进行分析，且通过强度特性试验对改良膨胀土的强度特性、龄期效应、干湿循环效应、水稳定性等方面做对比分析。

1 试验的目的及方法

试验的目的是通过室内基本试验，研究素土(重塑膨胀土)和改良膨胀土的胀缩性、强度特性、龄期效应、水稳定性和抵抗干湿循环强度降低特性，根据试验研究数据，综合分析确定改良膨胀土的最佳改良方案，为今后路基膨胀土填料选用改良剂提供参考。

所进行的室内基本试验包括界限含水率试验、击实试验、压缩试验、自由膨胀率试验、无荷膨胀率试验、三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验。

强度特性试验方法是对5%石灰改良土、5%水泥改良土、20%粉煤灰改良土、二灰改良土(20%粉煤灰+2%石灰)在各自最佳含水率(即非饱和)状态下，在相同压实系数(K=0.95)、相同养护龄期(t=28 d)及相同养护方法条件下进行三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验研究。三轴压缩试验的围压为σ3=25，50，100 kPa和150 kPa，试件规格为 39.1 mm2×80 mm。

2 膨胀土室内基本试验

膨胀土是指土中黏粒成分主要由亲水矿物组成，具有吸水显著膨胀、软化、崩解和失水急剧收缩、开裂，并能产生往复胀缩变形的黏性土[6]。通过室内试验研究膨胀土和各种改良膨胀土的基本特性。

2.1 界限含水率试验与击实试验

通过对土样的液、塑限的测定也能对膨胀土的膨胀性能强弱进行定性判断[7]。膨胀土的液限wL和塑性指数Ip越大，持水能力越强、水稳定性就越差、胀缩性能也越大;相反，液限wL和塑性指数Ip的减小将有利于膨胀土的水稳定性增加和强度增强。击实试验测定的最优含水率和最大干密度是控制路基填筑质量的重要指标。试验结果如表1所示。由试验结果可以看出:在膨胀土中掺入石灰、水泥和粉煤灰后，液限变化不明显，塑限wL有所提高，塑性指数Ip降低，说明在膨胀土中这几种改良剂均能够降低土的膨胀性。

表1 界限含水率试验和击实试验结果

另外，在膨胀土中掺入石灰后，最佳含水量wopt增加，而最大干密度ρdmax减小，这是因为随着石灰的掺入，石灰和膨胀土发生了一系列化学作用(离子交换作用、碳酸化作用、胶凝作用和结晶作用等)，促使其结构单元发生有规律的变化，细小孔隙增多，结构变疏松，从而有助于增强膨胀土的稳定性。

2.2 压缩试验

由于土体具有压缩性，所以在上部荷载作用下必然会发生压缩沉降。一般用压缩系数来评价土体的压缩性，它是评价路基沉降变形的重要指标。试验结果如表2所示。由表2可以看出:重塑膨胀土属于中等压缩性土(压缩系数 av1－2在 0.1 MPa－1～ 0.5 MPa－1之间);压缩系数av1－2随压实系数K增大而减小，压缩模量Es1－2随压实系数K增大而增大，这是因为同一含水量下压实系数小时，土的结构较为疏松，土颗粒容易相互错动而产生高的压缩变形。随着压实系数的增大，土颗粒相对移动不显著，产生很小的压缩变形，即压缩模量Es1－2较大。相比素土，各改良膨胀土土的压缩系数 av1－2均降低，压缩模量 Es1－2增加，由中等压缩性土变为低压缩性土(压缩系数 av1－2小于 0.1 MPa－1)，但5%石灰和5%水泥改良膨胀土的压缩性的效果最好。

表2 压缩试验结果

2.3 自由膨胀率试验与无荷膨胀率试验

自由膨胀率Fs是反映黏性土的膨胀性的指标之一，它与黏土矿物成分、胶粒含量、化学成分和水溶液性质等有着密切的关系。自由膨胀率试验的目的是测定黏性土在无结构力影响下的膨胀潜势，初步评定黏土的胀缩性。无荷膨胀率VH是试样在有侧限条件下浸水后的单向膨胀量与试样原始高度之比值。试验结果见表3。由表3看出:掺入5%的石灰改良膨胀土的自由膨胀率Fs由原来的43%降为4%，效果最为显著，其次是水泥。因膨胀土的自由膨胀率 Fs≥40%[7]，可知石灰能有效降低膨胀土的膨胀性。并且膨胀土无荷膨胀率VH随着压实系数K的增大而增加，5%石灰改良土的无荷膨胀率VH在相同的压实系数K下均有显著的减小，且随着压实系数K的增大而减小，这也充分说明了石灰可以改良膨胀土的胀缩性。

表3 膨胀率试验结果

3 各种改良膨胀土试验结果分析

3.1 强度指标对比

对重塑膨胀土及其改良膨胀土的强度指标进行分析。各种改良膨胀土试样在养护龄期t为28 d，压实系数K为0.95，非饱和(最佳含水率wopt)状态时的内摩擦角φ、黏聚力c和无侧限抗压强度qu试验结果如表4所示。

表4 不同改性方案强度指标对比结果

从表4中可见，重塑土经各种改良后内摩擦角φ除二灰土外均有增加，掺和比aw为5%的石灰改良土的内摩擦角φ增加最为明显，为39.6°;且改良后的黏聚力c和无侧限抗压强度qu较重塑土均有大幅增加。掺5%水泥改良后各强度指标也有明显增加，但改良效果较石灰弱。二灰改良膨胀土后的c值和qu值则介于石灰和粉煤灰之间。从某个角度来说，二灰土中起主要作用的还是石灰。对比二灰改良土与粉煤灰改良土，在粉煤灰改良土中掺入少量的石灰后，所形成的二灰土强度就有很大的提高，进一步说明二灰土中石灰所起的主要作用。综合以上分析，可以得出从改良土强度以及经济角度来说，石灰改良土效果更佳。

3.2 龄期效应的对比

根据不同改良方案，在压实系数K为0.95，非饱和状态时，讨论在养护龄期t分别为7、28、90 d时无侧限抗压强度qu的变化情况。如图1所示。

图1 无侧限抗压强度随龄期的变化曲线

由图1可以看出:各种改良试样的值均随龄期t的增加而增大，但5%石灰改良后的无侧限抗压强度qu值随龄期t增加增长最大，且龄期t在90 d时，qu值增大到2 500 kPa。其次是5%水泥，但t为28 d以后增长缓慢，二灰土的早期qu值较水泥并不大，但t为90 d时却与水泥改良土的qu相差不多，且从图中可看出t在90 d以后qu仍有增加，而粉煤灰在t为28 d以后qu值呈水平状态，因此可以看出，二灰土中石灰的作用是显而易见的。

3.3 干湿循环对比

在实际路基工程中，路基本体会经常受到地表水和地下水的浸湿，表5为各种改良土在养护龄期t为28 d，压实系数K为0.95，非饱和状态时在反复干湿循环下的强度指标。从表5中可以看出:经干湿循环10次后，5%石灰改良膨胀土无侧限抗压强度qu最高，且随着循环次数的增加强度呈增长趋势，20%粉煤灰改良膨胀土的很低，5%水泥改良膨胀土的强度要比5%石灰改良膨胀土的低得多，但经过10次循环后无侧限强度呈现增大的趋势，这是水泥改良膨胀土龄期效应的作用，而20%的粉煤灰改良土经过1次干湿循环，其无侧向抗压强度qu就由905.8 kPa降到了100.9 kPa，并且随干湿循环次数的增加并没有出现增长趋势。二灰改良膨胀土后无侧向抗压强度 qu逐渐下降，经过10次后由1 415 kPa下降到604.3kPa。另外黏聚力c在各个改良土试验中也有类似的变化趋势，依旧是5%的石灰改良膨胀土从干湿循环1次到10次有增大的趋势，且黏聚力c值第10次干湿循环后为最大356.7 kPa。因此，石灰改良膨胀土具有很好的抵抗干湿循环后强度降低的特性。

表5 各种改良方案干湿循环下的指标

3.4 水稳定性对比

在压实系数K分别在0.90和0.95时养护龄期t为28 d，讨论各种改性方案的水稳定性指标，软化系数由η表示，如表6所示。从表6中可以看出，粉煤灰改性膨胀土的软化系数η在0.30～0.38，与重塑土相差不大，说明粉煤灰对膨胀土的水稳定性的改良效果并不明显;水泥改良膨胀土的软化系数 η在0.52～0.65，未达到0.70以上，水泥改良土的水稳定性仍不满足路基工程的要求;5%石灰改良膨胀土的水稳定性软化系数η在0.7以上，且当K为0.95时，软化系数η为0.92，说明5%石灰改良膨胀土具有很好的水稳定性;二灰土改良膨胀土软化系数η在0.44～0.51，可以认为二灰土中随着石灰掺量的增加，软化系数也在增大，即二灰改良膨胀土的水稳定性与石灰掺量有关，石灰掺量越大，水稳定性越好。

表6 不同改性方案的水稳定性指标

4结论

通过室内基本试验和强度特性试验结果的对比分析得出如下结论。

(1)该段膨胀土经石灰改良后其物理特性、胀缩特性均得到明显改善，说明石灰与膨胀土之间发生一系列的化学反应，可以使膨胀土的基本特性发生改变，并可以有效地减小膨胀土的胀缩性。

(2)石灰、水泥、粉煤灰以及二灰对膨胀土强度特性提高及水稳定性改善均有作用，对比其他改良膨胀土强度特性，石灰改良膨胀土效果最好，其次是水泥改良膨胀土，粉煤灰最弱，二灰介于石灰改良与粉煤灰改良之间。

(3)石灰改良膨胀土具有明显的龄期效应，其无侧限抗压强度qu随着养护龄期t的增加而增大;水泥改良膨胀土和粉煤灰改良膨胀土在养护龄期28 d以后，无侧限抗压强度qu不再增大。

(4)石灰改良膨胀土具有良好的抵抗干湿循环的特性，而且其无侧限抗压强度qu和黏聚力c随着干湿次数的增加有逐渐增大的趋势。

(5)对比其他改良方案，石灰改良膨胀土的软化系数η均在0.70以上，具有良好的水稳定性;二灰改良膨胀土的水稳定性与石灰掺量有关，石灰掺量越大，水稳定性越好。从经济和技术方面看，掺石灰改良膨胀土是一种有效的方法。

[1]李小青，张耀庭，邹冰川.铁路路基膨胀土填料的石灰改良试验研究[J].铁道工程学报，2006，96(6):24－29.Li Xiaoqing，Zhang Yaoting，Zou Bingchuan.Experimental study on lime improvement of expansive soil in subgrade of railway[J].Journal of Railway Engineering Society，2006，96(6):24－26.

[2]崔 伟，李华銮，穆乃敏.石灰改性膨胀土工程性质的试验研究[J].岩石力学，2003，24(4):606－609.Cui Fei，Li Hualuan，Mu Naimen.Experimental study on engineering properties oflime-treated expansive soil[J].Rock and Soil Mechanics，2003，24(4):606－609.

[3]吴新明，巫锡勇，周明波.水泥改良膨胀土试验研究[J].路基工程，2007，131(2):94－95.Wu Xinming，Wu Xiyong，Zhou Mingbo.Experimental study on cement-treated expansive soil[J].Subgrade Engineering，2007，131(2):94－95.

[4]查甫生，刘松玉，杜延军.石灰－粉煤灰改良膨胀土试验[J].东南大学学报，2007，37(2):339－344.Cha Fusheng，Liu Songyu，Du Yanjun.Experimental study on limefly ash treated expensive soil[J].Journal of Southeast University，2007，37(2):339－344.

[5]杨有海，梁 波，丁 立.粉煤灰与石灰、水泥拌和料的强度特性试验研究[J].岩土工程学报，2001，23(2):227－230.Yang Youhai，Liang Bo，Ding Li.Experimental study on Fly ash，lime and cement mixing material strength characteristics[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2001，23(2):227－230.

[6]中华人民共和国铁道部.TB10038—2001 铁路工程特殊岩土勘察规程[S].北京:中国铁道出版社，2001.TB10038—2001 Code for special geotechnical investigation of railway engineering[S].Beijing:China Railway Publishing House，2001.

[7]中华人民共和国铁道部.TB10035—2006 特殊土路基设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2009.TB10035—2006 Code for design on subgrade of railway[S].Beijing:China Railway Publishing House，2009.