鐵路路基工程中紅粘土的處治方式分析

李 海 鵬

(中鐵二十局集團第四工程有限公司，陜西 安康 266100)

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鐵路路基工程中紅粘土的處治方式分析

李 海 鵬

(中鐵二十局集團第四工程有限公司，陜西 安康 266100)

以某鐵路工程為背景，通過室內試驗，分析了鐵路沿線紅粘土的物理力學性能，從摻入砂礫、石灰、二灰、水泥四方面，探討了紅粘土的改良方式，旨在選出最佳的土體改良方案。

鐵路，紅粘土，力學性能，塑性指數

0 引言

在紅層軟巖地區的鐵路路基建設中，紅粘土作為一種特殊的土體往往會給工程帶來很大的困難，影響鐵路建設的健康正常進行。紅粘土的性能隨含水量的多少具有顯著的不同，當土體飽水時，由于反彈給壓實帶來了困難；而含水量較低時，由于粘性使得土體堅硬如鐵，同樣影響壓實性能。鐵路建設中往往沒有依托工程進行有針對性的處理措施，由于各種原因最終選擇了將紅粘土換填，換填使得紅粘土大量被廢棄，不僅需要大量的地方來堆砌，而且還得考慮環保，在影響鐵路建設進度的同時，還增加了建設費用。論文通過結合實際鐵路建設項目，對沿線不同地段的紅粘土進行取樣試驗，提出不同路段的紅粘土處治方案，最后從設計到施工對高液限紅粘土挖方路塹處治注意事項進行了說明，以保證紅粘土在鐵路建設應用中的安全性。

1 試驗介紹

為了對依托項目紅粘土的性能進行分析，文章選取沿線不同路段的紅粘土，分別進行土體礦物組成，化學成分及物理力學性能的測試。具體的試驗結果見表1～表3。

1)土體礦物組成。在測試礦物成分組成中，采用X射線衍射法測試其中高嶺石、石英、赤鐵礦及白云母含量。

表1 試驗用紅粘土礦物組成 %

2)土體化學成分。對A，B，C，D處的紅粘土樣品進行成分化學分析，結果見表2。

表2 試驗用紅粘土化學成分 %

3)物理、力學性能。依據(TB 10102—2010)中土工要求，對紅粘土樣品進行物理、力學性能檢測，結果見表3。

表3 試驗用紅粘土物理、力學性能

2 結果分析

2.1 礦物成分、化學成分分析

由表1可知，所取紅粘土礦物組成中高嶺石和石英占了絕大部分比例，A，B，C，D四種樣品高嶺石和石英的總含量均超過了80%，赤鐵礦和白云母的含量則相對較少。由此可知，紅粘土絕大部分是在酸性條件下形成的。由表2可知，A，B，C，D四種樣品中SiO2的含量均占據了絕大部分(都在50%以上)，Al2O3次之，Na2O，P2O5，CaO的含量最少，由此可知SiO2和Al2O3的含量主要影響了紅粘土的性能，且其Al2O3，SiO2，Fe2O3，TiO2含量范圍和SiO2/Al2O3，SiO2/Fe2O3含量范圍是使土體具有易飽水、高液限、高塑性指數的重要原因[4]。

2.2 物理、力學性能分析

1)液限和塑性指數。根據TB 10102—2010鐵路工程土工試驗規程的相關要求，用于路基填筑的土體其天然稠度應不大于1.1。而紅粘土的塑性指數通常大于18，液限通常大于40，這樣能夠飽水的土體在用于路基填筑時應合理的控制含水量，以保證其壓實。論文通過采取沿線不同區域的紅粘土(共計30組)進行液塑限試驗，將其液限與塑性指數的概率分布進行統計，得到如圖1所示結果。

由圖1可知，按照規范要求，能滿足液限與塑性指數指標要求的紅粘土中可直接作為路基填料的占30%，需要改良的占53.4%，而屬于不良土質的則占16.6%。

2)CBR強度特征。鐵路路基CBR指標的最大優點是能夠反映路基填料在最不利條件下的強度，按照規定，路基上部的CBR強度不宜小于8、下部不宜小于5，路堤上部不宜小于4、下部不宜小于3，路塹及零填不宜小于8。從表3可知，所取的幾種紅粘土土樣按照CBR指標要求沒有能夠直接用于路基上部填筑的，能用于路基下部填筑的也占了很少部分，絕大多數的紅粘土都不能直接用于路基填筑。

3 紅粘土改良方式

3.1 摻砂礫改良

紅粘土中摻入砂礫改良土體性能的機理是通過改變土體的物質組成，即增大粗顆粒土含量以達到改善土體性能的目的，并且隨著土體中砂礫含量增加，不良紅粘土可直接變為粗粒土。為了驗證砂礫對紅粘土性能的影響，試驗采用級配良好的天然砂礫，緊裝密度為1.80 g/cm3，堆積密度為1.70 g/cm3，控制最大粒徑在50 mm以內，按照紅粘土∶砂礫為2∶1，3∶2，1∶1，2∶3的設置，進行液限、塑性指數與CBR指標的測試，試驗結果見圖2。

從圖2可以看出，隨著砂礫摻量的不斷增加，所用紅粘土的液限、塑性指數分別從55.5%，28.9逐漸降低至34.9%，14.2；同時CBR值從17.4%增大到46.5%。并且由上圖看出當摻量為30%左右時，液限、塑性指數及CBR指標已經能夠滿足鐵路路基填料的要求。因此，鐵路建設中如果砂礫儲備不足時，可以考慮以30%作為經濟配比。當然，如果砂礫來源充足，也可以考慮適當的提高摻量以達到更佳效果。

3.2 摻石灰改良

不良紅粘土中摻加石灰改良土體性能的機理是讓石灰中的Mg，Ca離子與紅粘土中的Na，K離子發生陽離子交換，形成分散性較好、親水性較弱的團粒，并且加入的石灰長期的與原紅粘土進行著結晶、碳酸化及凝膠作用，這些作用逐漸改變了粘土的粒徑組成與化學成分，進而影響了土體的性質。由此可知，石灰改良紅粘土的重點在于要使土體中的Na，K離子與石灰中的Mg，Ca離子發生陽離子互換。為了驗證石灰的改良性能，試驗中設置石灰與紅粘土的比例從3%～7%按1%階梯遞增，測得液限、塑性指數與CBR變化見圖3。

從圖3可以看出，隨著石灰摻量從3%增加到7%，紅粘土的液限和塑性指數雖經歷波折，但7%的數值和3%的數值相差無幾，變化很小。而CBR值則從最初比值為3%的17.0%增加到7%時的56.5%，可見石灰對紅粘土強度的提高具有顯著作用。

3.3 摻二灰改良

鐵路路基處理中經常摻入二灰改良，二灰主要是指粉煤灰和生石灰，二者的比例通常在5∶1～4∶1之間，二灰改良路基土的原理與石灰改良差不多，都是通過改變粘土的粒徑組成與化學成分，進而改變土體的性質。為了驗證二灰的改良性能，試驗中設置二灰與紅粘土按14%，17%，20%，23%比例遞增，測得液限、塑性指數與CBR變化,見圖4。

從圖4可以看出，隨著二灰摻量從14%增加到23%，紅粘土的液限和塑性指數總體在降低，但降低幅度不大，效果不太明顯。而CBR值則隨著摻量增加逐漸增大，效果較為顯著，但在10%～15%增大到極大值后開始降低，說明二灰與紅粘土之間的化學反應不強，主要為物理混合。

3.4 摻水泥改良

紅粘土中摻水泥進行土體改良的機理與上面幾種有很大的區別，主要是紅粘土中的水與水泥發生水化分解，析出Ca(OH)2等化合物，析出的Ca(OH)2等化合物與土顆粒發生反應或自行硬化后形成固體顆粒骨架，這些骨架增加了土體的穩定性與強度，從而達到改善土體性質的目的。為了驗證水泥改良紅粘土的性能，試驗中設置水泥與紅粘土按3%，5%，7%的比例遞增，其中水泥采用華宏的P.O32.5普通硅酸鹽水泥，測得液限、塑性指數與CBR變化見圖5。

從圖5可以看出，隨著水泥摻量從3%遞增到7%，同上面幾種改良方式相似，紅粘土的液限和塑性指數總體在降低，但降低幅度不大，效果不太明顯，達不到工程應用的條件。但是考慮到土中水泥作用的時效性，在摻水泥10 d后再進行液塑限測試，其值基本都降低了4%以上，可以滿足鐵路建設的需要；而從圖5的右圖可以看出，摻加水泥能夠顯著提高土體CBR的強度，其關系基本呈開口向上的二次拋物線方式，在水泥摻量7%時其CBR強度達到了71.5%。

通過上面的幾種改良方案可以發現，對依托工程沿線的紅粘土改良后其液限、塑性指數兩個指標變化不是太明顯，而CBR值則提高的較為顯著，說明依托工程地區的紅粘土與外摻物質較難發生離子交互反應，化學反應不明顯，大部分是物理混合，紅粘土惰性較強。對比以上幾種方案，并考慮工程目前的材料儲備情況，第一種方案摻加30%的改良方案是最富有成效，也是最經濟的方案。另外，摻加水泥也是一種可行方案，但費用較高，且施工也存在一定的困難。

4 結語

紅粘土作為一種高液限粘土，是路基的不良填筑材料，在鐵路施工時往往棄之不用，造成了大量浪費和增加了費用。文章通過依托工程進行了紅粘土的試驗研究，提出了根據不同礦物成分，化學成分，物理、力學的紅粘土進行不同的土體改良方案，并且對改良的性能進行了試驗分析。最后，文章對依據依托工程進行的幾種紅粘土改良方案從液限、塑性指數和CBR指標進行了比較，優選出最佳的土體改良方案，以期對類似工程起到借鑒作用。

[1] 劉銀生.高液限粘土適于直接填筑分類指標研究[J].中南公路工程，2004，29(1)：77-78.

[2] 黃質宏.不同應力路徑下紅粘土的力學特性[J].巖石力學與工程學報，2003，23(15)：103-104.

[3] 趙穎文，孔令偉.廣西紅粘土擊實樣強度與脹縮性能[J].巖土學，2004，25(3)：369-373.

[4] 張文敏.廣東韶關紅粘土特性研究[J].巖土力學，1991，12(4)：41-51.

[5] 劉龍武，楊和平.紅粘土填料的路用性質研究[J].公路，2002，47(6)：126-128.

[6] 白 冰，肖宏彬.軟土若干理論與應用[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

[7] 閻明禮.地基處理技術[M].北京：中國環境科學出版社，1996.

[8] 地基處理手冊編寫委員會.地基處理手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1988.

Railway subgrade engineering approach of red clay

Li Haipeng

(China Railway 20th Bureau Group 4th Engineering Co., Ltd, Ankang 266100, China)

Taking the railway engineering as the background, through indoor test, the paper analyzes physical and mechanical properties of red clay along the railway line. Starting from aspects of gravel, lime, two ash and cement, it explores the red clay improving methods, with a view to select optimal soil improving scheme.

railway, red clay, mechanical property, plastic index

1009-6825(2016)12-0127-03

2016-02-16

李海鵬(1987- )，男，助理工程師

U416.1

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