膨胀土掺水泥改良的试验研究及分析

刘强

摘要： 某铁路工程拟采用水泥对膨胀土进行改良后做为路基填料。通过对内摩擦角、自由膨胀率、承载比CBR、无侧限抗压强度等试验的分析，研究在不同掺合量情况下水泥改良土的物理力学指标变化规律，评估改良方案是否可行，并确定可行方案的水泥最佳掺合量，以指导现场施工。

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.

关键词： 膨胀土；化学改良；水泥掺量；自由膨胀率；CBR；无侧限抗压

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

中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）36-0095-03

0 引言

我国广泛分布有膨胀土，其为高塑性黏土，具有吸水后体积膨胀及承载力能急剧下降，失水后干缩发育裂隙等特征。

在自然条件的作用下，膨胀土反复胀缩变形，工程性质不稳定。其不均匀沉降或水平胀缩变形，导致建（构）筑物出现偏移、裂隙甚至完全破坏等一系列工程问题，造成的问题往往修复难度大。同样的，膨胀对铁路路基造成的破坏也不容低估，在以往的铁路建设中因对膨胀的不了解和不够重视等原因，常常造成路基或边坡深陷、坍塌等灾害，严重影响到铁路行车安全。为了确保铁路路基长时间的稳定，达到安全运营的目的，必须解决膨胀土这一不良地质问题。

1 工程概况

某铁路DK263+850～DK276+185段线路所经处为膨胀土，线路多以路基形式通过，本段路基挖方约为46.8万m3，填方为35.1万m3。挖方土体基本均为膨胀土，不能直接作为路基填料。如果将路基挖方全部进行运弃，需要设置大型弃土场及进行弃土场的防护，不仅对当自然环境造成不利影响，且工程造价高。经对当地土源进行调查，符合路基标准的填料需进行45km的远运。一方面要弃土，另一方面却远距离借土，无疑需要较大施工投入。

为减少对当地自然环境的不良影响及降低工程造价，经项目参建各方进行研究及评估后，决定对挖方的膨胀土进行化学改良后用于填筑。

本项目对挖方段的膨胀土各类工程特性及化学改良效果进行了系统试验研究，以确定改良方案及化学改良的最佳试验参数，以指导现场施工，确保铁路路基的稳定。

2 膨胀土评判及分类

2.1 膨胀土评判及分类标准

对膨胀土进行改良试验研究，首先必须对当前的土质是否为膨胀土进行判别，对判明的膨胀土再进一步进行分类，并进行深入研究及分析，从而提出针对性改良处理方案，最终明确改良处理的最终参数及相应的施工技术措施。

膨胀土的判别与分类在工程地质界一直存在多种评判及分类方法，尚未形成统一的分类法。根据本工程的特点，主要采用《铁路工程地质膨胀土勘查规程》（TB10038-2001）中的标准并结合其它评判办法进行膨胀土的判别与分类。

铁路工程膨胀土评判及分类标准见表1。

2.2 现场取样试验

因本区段跨度线路较长，各处膨胀土的地质特性可能差异较大，故实际试验时，通常按各挖路堑点作为一个试验取土源，进行单独的试验研究，以确保试验结果的适用性、准确性。

表2为对本项目DK271+520～+865段路堑的取土样进行土工试验研究的成果。

试验室根据线路长度及工程量等分布情况，现场设置了具有代表性的6处取土点钻孔取土进行土工试验，试验结果见表2。

从土样外观上看，土样呈现黄褐色，粘土中含少量粉砂，可塑性较强，表面光滑，裂隙较发育，易风化呈碎粒状，含钙质结核。

由表1的试验结果，结合现场地貌，土样外观等特征，可综合判明土样为中等膨胀等级的膨胀土。

3 膨胀改良试验

3.1 改良方案的确定

本项目决定采用化学方式对膨胀土进行改良，目前使用较为广泛的化学改良有石灰改良、阳离子型添加剂改良、水泥改良、NCS固化剂改良等。

经对当地的材料供应情况、改良效果及施工设备情况进行综合比较，决定采用水泥作为掺合剂进行膨胀土改良。

3.2 掺水泥改良膨胀土原理

膨胀土中掺入水泥后，一方面，水泥发生凝固的化学反应，在土体中形成整体的水化水泥骨架，骨架对土体原本离散的颗粒形成约束，一定程度上制约了土体自由形变；另一方面，掺入的水泥与土中的水分产生水解及水化反应的产生物与土体发生离子交换作用，从而改良了土体，提高了土体强度。其改良土体的原理主要归结为如下三种形式。

①离子交换作用。掺入的水泥与土体中水份产生水化反应，析出Ca2+离子与土颗粒表面着附的Na+、K+离子发生吸附交换，使土颗粒表面水膜厚度变薄，即将原本细小离散的土颗粒凝结成粗粒，从而提高了土体强度。

②硬凝反应。随着水化应的持续进行，析出Ca2+离子完成超过吸附交换所需后，与土体中的SiO2、Al2O3进行化学作用，生成硅酸钙、铝酸钙水化物等不溶于水的结晶化合物，上述呈纤维状的稳定结晶化合物在提高土体强度上起到主要作用。且硅酸钙、铝酸钙水化物结晶化合物结构致密，能够在很大程度上阻止水分子的渗入，改善了土体的水稳定性。

③碳酸化作用。水泥水化反应后产生的游离Ca（OH）2与空气中的CO2及H2CO3水解产生的CO2发生化学反应生成强度较高的CaCO3，同时还能够将细小的土颗粒胶结成较大的粗粒，故也起到提高土体强度的作用。

4 膨胀土水泥改良试验方案

采用水泥作为掺合剂进行膨胀土改良，水泥为袋装的华润牌P·O32.5水泥。

试验时水泥掺合量按土样烘干重量的0%、2%、4%、6%、8%、10%等6种不同情况，对改良土分别做内摩擦角、无侧限抗压强度、自由膨胀率、承载比CBR。通过对试验结果进行对比分析，研究水泥改良的规律性，以确定改良时水泥的最佳掺入量。

由于本项目试验数据较多，本文仅选取了典型代表的DK271+630、DK271+750两处土样进行描述。

5 试验结果及分析

5.1 不同水泥掺量对土体内摩擦角的影响

内摩擦角作为岩（土）体的重要参数之一，是土的抗剪强度指标，故水泥改良对膨胀土抗剪强度的影响情况，是我们所关心的，试验成果见表3及图1。

由分析结果得出，试样内摩擦角随着水泥掺合量的增加而增大，在水泥掺量小于6%时，随着水泥掺合量递增呈快速增长态势，当水泥掺合量超过6%后，随着水泥掺合量的增长仅呈现出缓慢增长。

可见，在膨胀土中掺入水泥，能够显著提高土体内摩擦角，水泥的最佳掺合量为6%。在此掺和量下，技术及经济的综合效果最好。

5.2 自由膨胀率

自由膨胀率是膨胀土判别与分类的一项重要指标，进行膨胀土的最重要目的是降低土体自由膨胀率，工程地质达到变通土体的要求。结果见表4、图2。

由分析结果得出，试样自由膨胀率随着水泥掺合量的增加而降低，在小剂量情况下，随着水泥掺合量的增加，自由膨胀率呈快速降低的态势，随水泥掺合量的增长自由膨胀率仅呈现出缓慢降低。

表4的数据表明，当水泥掺合量达到6%时，两组试样的自由膨胀率均小于膨胀土评判指标（40%），即土体经改良后，能够消除膨胀性，已为非膨胀土，达到改良目的。

5.3 承载比CBR试验研究

CBR为测定土样承载力的试验方法，体现了在局部荷载作用下土样抵抗变形的能力，试件采用击实仪击实成样，试样制成后浸水，以模拟铁路路基所处自然环境。浸水时水面高度要超出试样25mm，浸泡4天后进行贯入试验。试验采用CBR2.5作为试验参数，即贯入量为2.5mm时的承载比。试验成果见表5及图3。

由分析结果得出，试样内CBR值随着水泥掺合量的增加而显著增大，从图3曲线看到，承载比CBR值随水泥掺合量的增大而线性增加，从承载比CBR值方面分析，最佳水泥掺合量为本次试验的水泥最大掺合量（10%）。

5.4 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验成果见表6及图4。

由分析结果得出，采用水泥对膨胀土进行改良后，无侧限强度较未改良前有显著提高，随着水泥掺合量的增加，其提高的效果更加明显。从强度曲线看到，当水泥掺合量为4%时强度曲线有明显变化，水泥掺合量超过4%后强度增长趋势趋缓，因此，从强度这方面考虑，水泥掺合量不宜低于4%。

6 确定水泥最佳掺合量

在以上水泥改良膨胀的室内试验中，各项指标均表明，水泥掺合配比越高越好，土体改良效果越好，在项目实际施工时需综合考虑改良效果、工程造价、路基强度等确定本项目的最佳水泥掺合量。

通过综合分析，确定本项目DK263+850～DK276+185路基膨胀土水泥改良的理论最佳掺合量为6%。但现场施工条件复杂，土泥与土体拌合存在不均匀性，故实际施工时采用的水泥施工掺合量为7%。

7 结束语

膨胀土对作为一种特殊土质，在实际施工中，其对铁路路基及构筑物等的破坏性影响是巨大的，膨胀土问题的处理，需从影响其物理力学性质的外在因素及内部物质构成方面着手，从而通过改变其物理力学性质消除危害性。具体的每个项目的膨胀土均具有其自身特点，故要求进行足够的试验及研究，以确定针对性的处理措施及施工参数。

参考文献：

[1]五穗平.路基施工技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2]郑健龙.公路膨胀土工程理论与技术[M].北京：人民交通出版社，2013.

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[4]TB10038-2001，铁路工程地质膨胀土勘查规程[S].北京：中国铁道出版社，2001.