地鐵路基膨脹土改良方案研究

王璐佳，李志利，陳曉丹

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州510010）

1 引言

膨脹土中的黏粒成分主要由蒙脫石、伊利石、高嶺石等親水性礦物組成。其自由膨脹率大于40%，具有顯著的吸水膨脹性；同時膨脹土液限高于40%[1]，具有較高的塑性。膨脹土同時還往往具備明顯失水收縮性。如地鐵路基段采用膨脹土進行回填或作為天然地基，在降雨或地下水位變動時會造成路基不均勻沉降、道床結構開裂等情況。故膨脹土不能直接作為路基填料使用。

本文以成都某地鐵路基為研究對象，該地鐵線路臨近地鐵停車場設置地面車站及路基段。且該路基所處地段屬川西平原岷江水系Ⅲ級階地，為弱~中等膨脹土。

由于地鐵線路位于既有市政道路路塹邊坡上，考慮到整條線路的土方平衡。如采用換填路基及外購土方進行路基回填則經濟投資過大。根據TB 10001—2016《鐵路路基設計規范》[2]及GB 50157—2013《地鐵設計規范》[3]膨脹土為D組填料，不能直接作為路基填料。綜合考慮到環境保護、工程造價、設計要求等擬采用水泥作為改良劑的方式，改良膨脹土，用作路基填料。

2 水泥改良膨脹原理

膨脹土與水泥混合后，水泥遇水后水化反應產生Ca（OH）2，Ca2+與顆粒表面的陽離子發生交換，使顆粒的吸水性降低和團粒化，增加膨脹土的水穩定性；Ca2+與OH-滲入土顆粒內部，與黏土礦物發生物理化學反應，減少親水礦物的含量，并提高土顆粒間的連接強度，從而降低膨脹土的膨脹性，提高黏土的強度。另外，水泥水化反應后形成C-S-H和C-A-H凝膠，吸附在土顆粒表面，具有較強的膠結作用[4，5]。

許多研究認為[6]，隨水泥摻量的增加，膨脹土的強度也會提高，但隨著水泥水化反應的不斷發生，會大量消耗膨脹土內部的水分，包括游離的自由水和土顆粒內部的結合水，這樣就會使黏土礦物發生干縮和開裂，隨著水泥摻量增加，穩定土的收縮性能變差。同時隨著水泥摻量的增加，工程造價也會明顯增加。

3 試驗材料與試驗方案

3.1 試驗材料

本項目試驗材料為地鐵路基項目所在位置的鉆孔土樣，根據工程勘察報告，該處膨脹土為弱~中等膨脹土。其物理指標詳見表1。

表1 天然土（膨脹土）的物理指標

固化劑采用42.5普通硅酸鹽水泥。

3.2 試驗方案

將取回的膨脹土烘干碾碎，過2 mm篩，再根據天然含水率摻入蒸餾水，均勻拌和。按水泥摻入比為0%、3%、5%、8%、10%配置改良膨脹土，在標準養護條件下養護28 d[7]。然后，再對摻入水泥改良后的膨脹土的自由膨脹率、界限含水率的研究。通過重型擊實試驗確定不同摻入比下膨脹土的最大干密度和最佳含水率，在此基礎上重新制備土樣，經標準養護7 d后，測試土樣的飽和無側限抗壓強度。并對不同摻入比試樣進行風干，觀察風干后試驗的裂隙發育情況。

4 試驗結果及分析

膨脹土不同水泥摻入比改良后的物理力學性質詳見表2。

表2 不同摻入比的水泥改良土物理力學性質

4.1 自由膨脹率

自由膨脹率是膨脹土的膨脹特性特征指標，也是試驗最容易得到的指標，自由膨脹率的大小與黏土礦物的含量及成分有關。可以說，自由膨脹率的變化情況是驗證改良效果的最為直觀的指標。

由圖1可以看出，本工程膨脹土的自由膨脹率隨著水泥摻入比的增加而降低。當摻入比超過8%時自由膨脹率為38%＜40%，下降了16%。同時，在摻入比大于8%后，隨著水泥摻入比的增加，自由膨脹率降低的速度逐步降低。可見，在水泥摻入比較少時，水泥改良的作用主要表現為化學反應與水泥膠結共同作用，但隨著水泥摻入比的增加，離子交換達到平衡，改良作用主要表現為水泥的膠結作用。

圖1 水泥摻入比與自由膨脹率變化關系曲線

4.2 界限含水率

黏性土的液限是確定地鐵路基填料組別的重要指標，液限越高說明土體可塑性越強，地基越容易軟化變形。

由圖2看出，水泥摻入后，對土體的液限影響不大，當水泥摻入比達到10%后，液限下降為9.2%。雖然也有明顯的下降，但相對土的液限整體影響相對較小。

圖2 水泥摻入比與液限含水率變化關系曲線

4.3 7 d飽和無側限抗壓強度

7 d無側限抗壓強度為改良土能否作為地鐵路基填料的最重要的依據參數。

由圖3可以看出，水泥改良后的膨脹土7 d飽和無側限抗壓強度隨著水泥摻入比的增加提高較為明顯，當水泥摻入比為8%時，7 d飽和無側限抗壓強度是未改良時的5.05倍。遠遠大于規范規定的350 kPa的要求。同時，根據圖3曲線可以看出，水泥摻入比的增加并未顯示出如自由膨脹率類似地隨著水泥摻入比的增加出現強度增加明顯減緩的情況。故采用水泥改良土體更多地表現為水泥的膠結作用。

圖3 水泥摻入比與7 d飽和無側限抗壓強度變化關系曲線

4.4 風干土樣裂隙發育情況

在將式樣進行自然風干過程中，發現為進行改良的重塑土樣風干裂隙發育明顯。經水泥改良后的土樣風干裂隙明顯減少。但當水泥摻入比達到10%后，裂隙數量又較多出現。故可以看出并不是隨著水泥摻入比的增加改良土的效果越好。水泥出入量過大后仍會使得土體發生收縮開裂，從而影響土體強度。

5 結論

1）采用水泥改良土膨脹土的方案可行，且隨之水泥出入比的增加，自由膨脹率較低較為明顯，水泥摻入比超過5%后，自由膨脹率可降低至40%以下，已經不屬于膨脹[8]。但水泥摻入比大于8%后改良效果降低。

2）水泥改良土對改善土體的液限效果并不明顯。

3）隨著水泥摻入比的增加，改良土的7 d無側限抗壓強度提高較為明顯。水泥摻入比在4%左右時即可滿足規范對強度的要求。

4）水泥改良膨脹土并非水泥摻入比越大越好，當水泥摻入比達到10%后，土體干縮裂隙明顯。故實際工程中應嚴格控制水泥摻入比。

5）由于本試驗采用在室內進行，水泥摻入拌和較為均勻。路基實際施工“場拌”過程中無法達到室內理想條件，故本工程的水泥摻入比可采用8%。