高液限土改良后進行路基填筑在鐵路工程中的研究與應用

文｜ 中交第三航務工程局有限公司 范紹隨

1.高液限土概述

深茂鐵路江門至茂名段是按照客貨共線鐵路標準建設的一條時速200km/h的鐵路。按照客貨共線鐵路標準、規范中有關路基填料分組的定義,鐵路工程中液限含水率≥40%的土為高液限土。針對高液限土,我國鐵路工程建設具有明確規定，達到以上標準的施工填料不可直接進行路基填筑，需經特殊處理后才可用于工程中。高液限土滲水速度相對較慢且土顆粒較小，因此其相比較其他土體材料，此種土質本身水分不易流失。與此同時，若土體出現失水情況時，此種土質將會出現收縮現象，從而導致地面出現干裂等情況。雖然該土體在干燥環境下能夠具備較強硬度，但卻易出現壓碎、開裂等現象。

2.工程應用分析

2.1 路基填筑要求

本施工段落隸屬于廣東省陽江地區，全路段實際長度為22.2km，其中路基長度15.6km，全路段所采用的土石方量約在290萬m3。按照設計和規范要求，本段路基壓實后地基系數K30應不小于90Mpa/m。

2.2 土質調查分析

在路基填筑正式施工前，對現場土體進行了取樣試驗，現場土體經檢測液限為41.5%，屬于高液限粉質粘土，運至填筑區段后，直接進行填筑試驗，路基填筑完成后，檢測地基系數K30僅有61MPa/m，不滿足設計90MPa/m的要求，且路基表面存在裂縫現象。

從現場觀察看，該類土在填筑過程中表層遇水容易軟化、泥化，開挖出來時呈塊狀，初步碾壓后便呈碎塊狀，多遍碾壓后則呈細礫、黏粉混合狀，表層遇水后部分呈泥狀，碾壓質量極難控制，路基工后變形隱患較大。所以由于路基填料自身高液限的特性，如若直接采用此種填料進行填筑，將造成路基填土難以壓實、軟簧、裂縫等一系列不良病害，路基填筑質量不能滿足設計要求。

針對此現象，對全線路基填料進行了取樣檢測，取樣點土體性質試驗表明，區段范圍內填料多屬于高液限土。按照現場填筑試驗結果看，區段范圍內高液限土不能直接利用。但是，區段范圍內高液限土分布范圍較廣，全部廢棄必然導致增大投資，延誤工期，對周圍環境造成的極大的負面影響。所以，必然要對區段內高液限土進行合理處治后方可用作路基填料。因此，有必要對高液限土處置方法進行試驗研究確定。

2.3 高液限土處置方法的確定

針對高液限路基填料問題，各方研究決定：一是通過晾曬土體降低含水率的方法來改善土體的特性，檢測壓實后地基系數K30是否滿足設計要求；二是進行物理改良的方法，檢測壓實后地基系數K30是否滿足設計要求。三是進行化學改良的方法，檢測壓實后地基系數K30是否滿足設計要求。

（1）通過晾曬降低含水率的方法

取一段路基選取兩個斷面，通過晾曬進行7天含水率觀測，早7點、晚6點各觀測記錄一次。

根據含水率檢測情況，發現晾曬前土體含水率為23%，7天后土體含水率變為19%，僅下降了4%，并且土體含水率經過一天晾曬后，在第二天早上升高。采用7天晾曬后的填料進行填筑試驗，填筑完成后檢測地基系數K30僅有75MPa/m，不滿足設計90MPa/m的要求。故采用晾曬降低含水率的方法不可行。

（2）物理改良

土體是由固體顆粒、水和空氣所組成的。其中固體顆粒和水都是不可壓縮的，由于土體本身具有空隙，空隙間相互聯通，故土體中的空氣也不可壓縮。故要增加單位土體中固顆粒的含量，減少土體中的空隙，使土體達到密實，只有將土體中的水分和空氣盡量排出。但對高液限土來說，采取壓實措施只能將土體中的空氣排出，土體中的水分變化極小。而且由于高液限土具有高含水率、滲透性差的特點，一經飽和，土體中的水分很難流出，即使采取各種壓實措施，也很難將土體中的水分擠出，易出現軟化、彈簧等現象。

高液限土中細顆粒占比大，粗顆粒占比小，故存在部分粗顆粒在細顆粒中呈懸浮狀態；如果向土體中摻入砂或碎石，加大土體中粗顆粒組的比例，粗顆粒之間的空隙將由細砂或碎石和細顆粒共同填充；如果繼續加大粗顆粒的比例，粗顆粒將在土體中相互聯結，起到支撐骨架的作用，粗顆粒間的空隙由砂或碎石充滿，砂或碎石間的空隙由細顆粒充滿，通過細顆粒的粘結作用，使填料形成密實的土體結構。同時，摻入砂或碎石的填料在壓實過程中，因為粗顆粒的存在，改善了土體的滲透性，水分和空氣可以通過空隙排出，土體將具有較好的壓實效果，從而具有較高的強度和穩定性。并且隨著砂或碎石比例的提高，土體的壓縮性將降低，也將更適合用于路基填筑。所以，通過摻砂或碎石物理改良高液限土進行路基填筑在理論方面可行。

為此，取一段路基進行摻砂、碎石物理改良試驗并驗證改良效果。物理改良采用摻10%、20%、30%砂和摻10%、20%、30%碎石進行試驗，分別取不同的段落進行施工，施工過程中嚴格控制各種填料的數量，嚴格控制砂、碎石的摻料比例。路基填料經碾壓后進行了K30地基系數檢測，摻砂法和摻碎石方法各采用3種比例（10%、20%、30%），各測量3個斷面，摻砂法壓實后K30分別為62 MPa/m、63 MPa/m、62 MPa/m；63 MPa/m、65 MPa/m、64 MPa/m ；66 MPa/m、68 MPa/m、69 MPa/m，摻碎石法壓實后K30分別為64 MPa/m、63 MPa/m、64 MPa/m ；69 MPa/m、71 MPa/m、70 MPa/m；78 MPa/m、80 MPa/m、79 MPa/m，均不滿足設計要求。故采用摻砂或碎石物理改良高液限土的方法進行路基填筑行不通。

（3）化學改良

石灰改良高液限土是在土體中摻入一定比例的石灰，使石灰與填料發生吸水、膨脹、陽離子交換、結晶膠凝硬化等作用，使土體的性質得到根本性的改善，其主要的作用如下：

①吸水、膨脹作用

生石灰可以在土體中發生消解作用，吸收水分，同時發生膨脹現象，使得土體脫水，顆粒間空隙減少，使得土體更加密實，而且石灰消解產生氫氧化鈣，能使石灰與土中顆粒發生更好地作用。

②陽離子交換作用

土體表面吸附著一定量的鈉、氫、鉀等陽離子。石灰是一種強電解質，石灰摻入土體后會游離出鈣、鎂陽離子，會和土體中鈉、氫、鉀陽離子發生離子交換作用，形成碳酸鈣、碳酸鎂結晶體，易使土顆粒間凝結成團，形成團粒穩定結構。

③結晶膠凝硬化作用

生石灰摻入土中會發生離子交換形成氫氧化鈣，而飽和的氫氧化鈣易發生結晶作用，化學反應如下：

由于結晶作用，氫氧化鈣由膠體逐漸轉變成晶體。晶體相互間牽連，能夠與土體顆粒一起形成共晶體，將土粒包裹成晶體狀。在離子交換作用下，土顆粒與石灰進一步發生反應，轉變成含水碳酸鈣等，最終形成的膠凝物質是一種很好的結合料，在土體表面形成保護套，使石灰土獲得很好的強度和穩定性。

綜上，現場取一段路基填筑段落對填料按照摻石灰化學改良的辦法進行路基填筑。摻灰量按照3%和5%分別進行試拌，分別進行試驗，試驗結果分別為：摻石灰3%的段落選取3個斷面，K30檢測3個點，各斷面平均值分別為79MPa/m、78MPa/m、76MPa/m，小于設計90MPa/m的要求；摻石灰5%的段落選取3個斷面，K30檢測3個點，各斷面平均值分別為98Pa/m、96MPa/m、97MPa/m，滿足設計及規范要求，不存在裂縫現象。故采用摻入3%石灰對高液限土進行化學改良的方法行不通，采用摻入5%石灰對高液限土進行化學改良的方法是可行的。

故在全線范圍內采用摻5%石灰對原填料進行改良，全線路基采用改良土進行填筑。路基施工完成后，工后沉降滿足設計、規范的要求。

結語

本文通過理論分析和現場試驗的方法對高液限土改良方法進行了系統的研究，對比得出高液限土改良的優選方案。本次研究僅針對高液限土改良進行了狹義范圍的研究，研究面還不夠廣泛，故需要進一步擴大研究范圍，總結相關經驗。下一步有待進一步解決的問題主要有：

1.高液限土因地域的不同會呈現不同的力學特性，即使在同一地區其特性也不盡相同，所以需要對不同的高液限土進行詳細的試驗，確定土的特性，可能選擇不同的改良方法，取得較全面的認識 。

2.本文僅對路基填筑壓實后K30指標進行試驗論證，參考指標較狹義，不能綜合反映壓實后路堤的各項力學性能，其他試驗數據有待進一步試驗論證。

3.石灰改良高液限土盡管提高了土體物理力學性能，但是可能使土體的破壞方式從延性破壞變換成脆性破壞。對于路堤而言，增大了路堤穩定破壞的不可預見性，值得進一步研究。