地铁路基膨胀土改良方案研究

王璐佳，李志利，陈晓丹

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州510010）

1 引言

膨胀土中的黏粒成分主要由蒙脱石、伊利石、高岭石等亲水性矿物组成。其自由膨胀率大于40%，具有显著的吸水膨胀性；同时膨胀土液限高于40%[1]，具有较高的塑性。膨胀土同时还往往具备明显失水收缩性。如地铁路基段采用膨胀土进行回填或作为天然地基，在降雨或地下水位变动时会造成路基不均匀沉降、道床结构开裂等情况。故膨胀土不能直接作为路基填料使用。

本文以成都某地铁路基为研究对象，该地铁线路临近地铁停车场设置地面车站及路基段。且该路基所处地段属川西平原岷江水系Ⅲ级阶地，为弱~中等膨胀土。

由于地铁线路位于既有市政道路路堑边坡上，考虑到整条线路的土方平衡。如采用换填路基及外购土方进行路基回填则经济投资过大。根据TB 10001—2016《铁路路基设计规范》[2]及GB 50157—2013《地铁设计规范》[3]膨胀土为D组填料，不能直接作为路基填料。综合考虑到环境保护、工程造价、设计要求等拟采用水泥作为改良剂的方式，改良膨胀土，用作路基填料。

2 水泥改良膨胀原理

膨胀土与水泥混合后，水泥遇水后水化反应产生Ca（OH）2，Ca2+与颗粒表面的阳离子发生交换，使颗粒的吸水性降低和团粒化，增加膨胀土的水稳定性；Ca2+与OH-渗入土颗粒内部，与黏土矿物发生物理化学反应，减少亲水矿物的含量，并提高土颗粒间的连接强度，从而降低膨胀土的膨胀性，提高黏土的强度。另外，水泥水化反应后形成C-S-H和C-A-H凝胶，吸附在土颗粒表面，具有较强的胶结作用[4，5]。

许多研究认为[6]，随水泥掺量的增加，膨胀土的强度也会提高，但随着水泥水化反应的不断发生，会大量消耗膨胀土内部的水分，包括游离的自由水和土颗粒内部的结合水，这样就会使黏土矿物发生干缩和开裂，随着水泥掺量增加，稳定土的收缩性能变差。同时随着水泥掺量的增加，工程造价也会明显增加。

3 试验材料与试验方案

3.1 试验材料

本项目试验材料为地铁路基项目所在位置的钻孔土样，根据工程勘察报告，该处膨胀土为弱~中等膨胀土。其物理指标详见表1。

表1 天然土（膨胀土）的物理指标

固化剂采用42.5普通硅酸盐水泥。

3.2 试验方案

将取回的膨胀土烘干碾碎，过2 mm筛，再根据天然含水率掺入蒸馏水，均匀拌和。按水泥掺入比为0%、3%、5%、8%、10%配置改良膨胀土，在标准养护条件下养护28 d[7]。然后，再对掺入水泥改良后的膨胀土的自由膨胀率、界限含水率的研究。通过重型击实试验确定不同掺入比下膨胀土的最大干密度和最佳含水率，在此基础上重新制备土样，经标准养护7 d后，测试土样的饱和无侧限抗压强度。并对不同掺入比试样进行风干，观察风干后试验的裂隙发育情况。

4 试验结果及分析

膨胀土不同水泥掺入比改良后的物理力学性质详见表2。

表2 不同掺入比的水泥改良土物理力学性质

4.1 自由膨胀率

自由膨胀率是膨胀土的膨胀特性特征指标，也是试验最容易得到的指标，自由膨胀率的大小与黏土矿物的含量及成分有关。可以说，自由膨胀率的变化情况是验证改良效果的最为直观的指标。

由图1可以看出，本工程膨胀土的自由膨胀率随着水泥掺入比的增加而降低。当掺入比超过8%时自由膨胀率为38%＜40%，下降了16%。同时，在掺入比大于8%后，随着水泥掺入比的增加，自由膨胀率降低的速度逐步降低。可见，在水泥掺入比较少时，水泥改良的作用主要表现为化学反应与水泥胶结共同作用，但随着水泥掺入比的增加，离子交换达到平衡，改良作用主要表现为水泥的胶结作用。

图1 水泥掺入比与自由膨胀率变化关系曲线

4.2 界限含水率

黏性土的液限是确定地铁路基填料组别的重要指标，液限越高说明土体可塑性越强，地基越容易软化变形。

由图2看出，水泥掺入后，对土体的液限影响不大，当水泥掺入比达到10%后，液限下降为9.2%。虽然也有明显的下降，但相对土的液限整体影响相对较小。

图2 水泥掺入比与液限含水率变化关系曲线

4.3 7 d饱和无侧限抗压强度

7 d无侧限抗压强度为改良土能否作为地铁路基填料的最重要的依据参数。

由图3可以看出，水泥改良后的膨胀土7 d饱和无侧限抗压强度随着水泥掺入比的增加提高较为明显，当水泥掺入比为8%时，7 d饱和无侧限抗压强度是未改良时的5.05倍。远远大于规范规定的350 kPa的要求。同时，根据图3曲线可以看出，水泥掺入比的增加并未显示出如自由膨胀率类似地随着水泥掺入比的增加出现强度增加明显减缓的情况。故采用水泥改良土体更多地表现为水泥的胶结作用。

图3 水泥掺入比与7 d饱和无侧限抗压强度变化关系曲线

4.4 风干土样裂隙发育情况

在将式样进行自然风干过程中，发现为进行改良的重塑土样风干裂隙发育明显。经水泥改良后的土样风干裂隙明显减少。但当水泥掺入比达到10%后，裂隙数量又较多出现。故可以看出并不是随着水泥掺入比的增加改良土的效果越好。水泥出入量过大后仍会使得土体发生收缩开裂，从而影响土体强度。

5 结论

1）采用水泥改良土膨胀土的方案可行，且随之水泥出入比的增加，自由膨胀率较低较为明显，水泥掺入比超过5%后，自由膨胀率可降低至40%以下，已经不属于膨胀[8]。但水泥掺入比大于8%后改良效果降低。

2）水泥改良土对改善土体的液限效果并不明显。

3）随着水泥掺入比的增加，改良土的7 d无侧限抗压强度提高较为明显。水泥掺入比在4%左右时即可满足规范对强度的要求。

4）水泥改良膨胀土并非水泥掺入比越大越好，当水泥掺入比达到10%后，土体干缩裂隙明显。故实际工程中应严格控制水泥掺入比。

5）由于本试验采用在室内进行，水泥掺入拌和较为均匀。路基实际施工“场拌”过程中无法达到室内理想条件，故本工程的水泥掺入比可采用8%。