改良土填筑路基國內外研究現狀

　　1　路基填料的基本要求
　　鐵路對路基填料的基本要求是：(1)壓縮沉降能夠很快完成，(2)在列車動荷載和路基自重荷載作用下能夠保持長期穩定；(3)其物理力學特性不易受其它因素(地震、水、溫度等)影響路基穩定的變化。
　　針對膨脹土路基填料的處理，充分考慮以下幾個方面的問題：(1)從根本上改變膨脹土的性質；(2)操作方便、經濟、施工簡單；(3)要求改性材料比較易購買用于改性處理；(4)在實踐中便于大量的推廣使用。
　　2　國內外現狀
　　自上20世紀60年代以來，膨脹土研究在生產實踐中受到廣泛重視，已經從一個國家和地區的研究，逐漸演變成為世界性的共同課題。經過幾十年的技術積累，隨著科學技術的發展，人們從膨脹土的定性膨脹土的微觀結構、分類、膨脹土填料改良、周圍環境的影響及膨脹土的本構模型、物理力學性質的影響、膨脹土地基處理等方面出發，做了大量富有成效的工作，為今后的研究工作奠定了堅實的基礎。
　　自20世紀50年代以來，我國在修建成渝鐵路工程中，首次遇到成都粘土膨脹問題，從那時開始拉開了我國研究膨脹土的序幕。到20世紀60年代，我國已經著手制定膨脹土地區建筑技術規范。
　　在膨脹土地區進行工程建設，首要任務必須正確區分膨脹土與非膨脹土，準確劃分膨脹土的類別與等級，然后再確定建筑物設計原則及制訂相應的工程措施。無論對土的脹縮性估計過高還是過低對工程均不利。然而，影響膨脹土性狀的因素復雜，影響膨脹土的脹縮等級因素眾多，這就需要綜合考慮才能正確反映問題的本質。到目前為止，國內外形成膨脹土的分類方法很多，所選擇的標準和指標也不相同，不同的研究人員提出了不同的標準，但其共同特點都是選用多個指標進行分類和分級，因而在工程實踐中操作較困難，分類或分級結果受不確定因素影響較大。如：自由膨脹率、最大脹縮性指標法與脹縮總率分類法、規范法、多元線性函數判別法等。傅鶴林、易順民等運用BP網絡對膨脹土判別與分類進行研究，取得了一定成果，但BP網絡存在收斂速度慢、內部結構黑箱化、結果不便于應用等缺點。呂海波等嘗試利用SOM神經網絡實現模糊綜合評判和BP網絡分類功能，利用其比模糊綜合評判更具學習功能、比BP網絡具有更透明的網絡結構的特點，對膨脹土進行分類，為解決這一問題提供了一個較好的工具。
　　膨脹土的微觀結構是指在一定地質條件和環境下，粒團和土粒的排列方式、微裂隙大小、數量、空間分布、形狀、接觸與連接方式及充填情況以等所表現的特征。膨脹土的力學性質實質受控于土的內部結構，土體力學性質所顯示出的不規則性、不確定性和模糊性是其結構復雜性的具體反映。用抑制其脹縮性，采取改良膨脹土的工程性質是巖土工程中常用的方法，但對于其摻合以及機理量的確定，過去因為技術的限制，多采用力學和化學的方法做過較多的研究，而對于改性機理以及膨脹土摻加改性材料前后的微觀結構的變化一直不是十分清楚。基于顆粒排列型式的研究，賈東亮等定性分析了擊實膨脹土在不同含水量下的結構形式，發現邯鄲擊實膨脹土的微結構在含水量較低時，表現為集粒結構；施斌等提出了“顆粒分布分維”的概念，其可在整體上定量確定土粒的平面分布狀況，反映土顆粒的密實程度。在含水量較高時，趨于紊流結構。定向性增強，他同時利用Matlab數字圖形處理工具，以分形幾何理論為基礎，結合像素的概念，采用小波包對掃描電鏡獲得的圖像進行噪聲消除通過編程進行運算，以定量化方式研究擊實土樣的顆粒排列型式，并分析了含水量對顆粒分布分維的影響。發現含水量較低時，顆粒集團化低，分維值較大，含水量較高時，顆粒集團化高，分維值較小。張小平等利用ASAP-2010M表面吸附儀對膨脹土及其石灰改良土的膨脹性和微孔結構進行研究，他的研究結果表明：摻加石灰后膨脹土脹縮性減小的機理是由于比表面積減小，粘粒微孔孔徑的增大，親水性下降，粘粒的活動性及粘粒間連接力增大所致。孔徑的增大一方面為膨脹土的脹縮預留了空間，另一方面使土的比表面積減小，使得土體的脹縮性下降。楊洋等研究分析了廣西膨脹土的孔隙分布的分維。分析表明認為，膨脹土全孔隙分布應包括微孔隙(蒙脫石類礦物顆粒晶層之間的孔隙)、小孔隙(聚集體內的粒間孔隙)和大孔隙(聚集體間的孔隙，還應包括與聚集體量級相當的顆粒之間的孔隙和顆粒與聚集體之間的孔隙)的整個分布。導致工程問題的發生主要原因是由于水分子進入或離開繁脫石類礦物晶層之間。在水勢梯度作用下，造成膨脹土土體的顯著膨脹或收縮，所以微孔隙的分布非常值得研究和重視。
　　原狀膨脹土具有三個基本工程性質：裂隙性、脹縮性和超固結性。已有的膨脹土本構模型主要是用于描述重塑膨脹土在干濕循環過程中的反復脹縮特性，是建立在時間軟化或應變軟化基礎上的。如果用時間軟化代替真實的孔隙水入滲而引起的有效應力降低，只能算是一種經驗的辦法，假定屈服面隨應變增大而縮小的應變軟化模型也只是一種湊合的辦法，既缺乏理論上的嚴密性，也沒有深究真實的變形機理。再者，天然硬粘土的不均一性早已為大量的試驗和觀測所證實，因此，繼續把膨脹土當作均一介質是不合適的。同時由于制樣困難和人試驗條件所限，對于原狀膨脹土變形強度特性的三軸試驗資料積累的比較少，因而在已有的本構模型中原狀膨脹土的變形特性并未得到較好反映。盧再華等對南陽原狀膨脹土進行了三軸剪切試驗，考慮不同吸力下的不同因素。試驗結果表明在剪切過程中原狀膨脹土呈脆性破壞形式。軟弱面和原生裂隙是決定原狀膨脹土強度的主要因素。建議采用四屈服面彈塑性模型描述原狀膨脹土的剪脹剪縮特性和濕脹干縮特性。該改進模型含參數14個，可由試驗確定，并都具有明確的物理意義；改進模型對三軸排水剪切試驗的試驗與理論預測結果比較接近，可以反映重塑膨脹土的主要變形特性。沈珠江等在巖土破損力學的框架內建立了一個適用于這類土的二元介質模型，把二元介質概念推廣應用于超固結粘土中。Alonso(1999)提出的膨脹土由于微觀結構的存在，因而模型的參數難以確定。曹雪山在對膨脹土的結構特征進行分析的基礎上，研究了膨脹土的微觀變形機理。認為膨脹土宏觀上的脹縮塑性變形是由兩部分塑性變形組成，一部分是宏觀結構塑性變形，另一部分是微觀結構層次中集聚體脹縮變形耦合后形成的微一宏觀結構耦合變形。由此，該文改進了膨脹土模型，利用宏觀結構層次的微一宏觀結構變形和參數耦合參數計算前部分變形，而后部分變形仍按低塑性非飽和土的彈塑性變形計算。
　　3　結語
　　在鐵路線路設計時，在滿足限制條件的情況下，一般追求填挖方基本平衡。假如某段線路穿越膨脹土地區，路塹余方因為不能直接填筑路基而棄用，則必須從外面借土填筑路基，取土、借土均將占用大量土地，給農業和生態平衡帶來很大影響。隨著我國經濟發展，基礎建設蓬勃進行，外借優質土料越來越困難，經濟成本居高不下，特別是城市周邊，土地價值越來越高，取、棄土場及其生態恢復費用驚人；對外取、棄土，運距遠，同時無疑將增加與地方的協調工作，給工程進度帶來較大影響。所以從工程技術可行性和經濟性出發，如何選用較優的填料，或者對填料采取一定的處置，防止路基病害，一直是鐵路路基設計施工中一個很重要的課