石灰改良膨脹土的試驗(yàn)研究

覃 江

（中鐵二十五局集團(tuán) 第四工程有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

膨脹土在溫度、濕度等反復(fù)變化下會(huì)產(chǎn)生脹縮交替作用，引起土體開裂、崩塌等工程病害，極大地危害到路基工程的結(jié)構(gòu)安全和正常運(yùn)營[1]，故施工中遇到膨脹土?xí)r，通常被丟棄，需要另設(shè)取土場借土進(jìn)行路基填筑。棄、取土場的設(shè)置需占用大量的土地，易出現(xiàn)嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象，會(huì)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞。膨脹土在我國分布區(qū)域廣泛，如果能將膨脹土進(jìn)行改良后用作公路、鐵路的路基填料，不僅可減少大量的填土借方和棄土數(shù)量，降低土地占用面積，并且可保護(hù)環(huán)境和避免水土流失，能夠產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和一定的經(jīng)濟(jì)效益。本文結(jié)合湘桂鐵路擴(kuò)能改造工程項(xiàng)目，對(duì)石灰改良膨脹土進(jìn)行技術(shù)研究，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行最佳石灰摻入比例的確定。

1 工程概況

湘桂鐵路擴(kuò)能改造工程XG-7標(biāo)正線路基長度為19．51 km；聯(lián)絡(luò)疏解線路基長20．036 km。線路所經(jīng)處的部分地段為第四系更新統(tǒng)（Qp）坡、殘積土，其由紅黏土（來源于碳酸鹽巖風(fēng)化）和粉質(zhì)黏土（來源于非可溶巖風(fēng)化）構(gòu)成，通常具有弱～中等膨脹性。本標(biāo)段路塹挖方中約32萬m3土方具有膨脹性，原施工組織方案為全部運(yùn)至棄土場丟棄，同時(shí)另選定取土場借土約45萬m3進(jìn)行路基填筑。為了減少棄土場的占地面積和路基填筑的借土方量，達(dá)到保護(hù)自然環(huán)境和降低工程投資的目的，施工單位擬改良路塹挖方中的膨脹土，并將其作為基床以下路堤的填料。

為了驗(yàn)證石灰對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，用作路基填料的技術(shù)可行性，同時(shí)通過研究不同石灰摻入比例時(shí)，膨脹土物理力學(xué)性能和水穩(wěn)定性能等指標(biāo)的變化規(guī)律，確認(rèn)改良劑的最佳摻入比例，確保在技術(shù)可行的基礎(chǔ)上，取得良好的經(jīng)濟(jì)效果。本文以正線DK506+620～DK507+380段路塹開挖土方的膨脹土改良為例，介紹石灰改良膨脹土的試驗(yàn)辦法。

土工試驗(yàn)分析膨脹土的基本性質(zhì)及物質(zhì)構(gòu)成，用于評(píng)判膨脹土的工程地質(zhì)特性。該段土體試驗(yàn)分析結(jié)果見表1和表2。

表1 土樣物理力學(xué)性質(zhì)

表2 化學(xué)成分含量分析

根據(jù)膨脹土的物理力學(xué)、自由膨脹率等指標(biāo)進(jìn)行判斷，土體膨脹潛勢為中等，為非合格的路基填料，需對(duì)其進(jìn)行改良。

2 膨脹土化學(xué)改良的試驗(yàn)

2.1 膨脹土化學(xué)改良的作用機(jī)理

膨脹土所具有的特殊縮、脹工程特性與其礦物成分，特別是黏粒的礦物構(gòu)成成分密切相關(guān)。膨脹土的縮、脹是受多種因素影響的復(fù)雜過程[2]。現(xiàn)有的研究成果表明，其縮脹受離子交換因素的影響較大。

根據(jù)對(duì)以往膨脹土改良的工程經(jīng)驗(yàn)，通常采取摻入生石灰或水泥的方法，具有較好的技術(shù)效果。膨脹土石灰、水泥改良的機(jī)理為添加劑與土體顆粒間產(chǎn)生離子交換及絮凝效應(yīng)，提高土體的穩(wěn)定性[3]。隨著齡期的延長，充分的化學(xué)反應(yīng)使土體的穩(wěn)定性得以加強(qiáng)，并且化學(xué)反應(yīng)的絮凝效應(yīng)還提高了土體抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度，即抑制膨脹性的同時(shí)，提高了土體承載能力。

綜合考慮改良效果、改良劑的供應(yīng)和成本等因素，決定采用石灰作為改良劑，并要求工程部對(duì)石灰改良膨脹土進(jìn)行技術(shù)可行性研究，并確定石灰摻入比例。

2.2 試驗(yàn)方法及目的

采用膨脹率最大的2號(hào)土樣進(jìn)行改良試驗(yàn)，其性能指標(biāo)見表1和表2。風(fēng)干原狀土，并碾碎后，過0．5 mm的篩，取土采用四分法，把土體烘干；按土體重量比為2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%的不同比例分別摻入石灰，按試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行試件的制備，然后進(jìn)行各種性能指標(biāo)的測試。

完成試驗(yàn)后，將試驗(yàn)結(jié)果與原狀土樣進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估石灰改良膨脹土的可行性，并根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)隨石灰摻量的變化規(guī)律，綜合考慮施工成本，確定石灰的最佳摻量。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 自由膨脹率試驗(yàn)

根據(jù)不同的石灰摻量得出的自由膨脹率測試結(jié)果見表3，不同摻量下土體自由膨脹率曲線如圖1所示。

表3 不同摻量下自由膨脹率試驗(yàn)

圖1 不同石灰摻量時(shí)土體自由膨脹率曲線

由圖1能夠看出，在膨脹土中摻入石灰，土樣經(jīng)化學(xué)改良后降低了自由膨脹率，當(dāng)石灰摻量≥4%時(shí)，試件的自由膨脹率已是32．5%（鐵路工程將自由膨脹率＜40%時(shí)，即判定為非膨脹性土），說明本項(xiàng)目摻入石灰的化學(xué)改良方法能使土體膨脹性得到根本性的改善，并達(dá)到非膨脹土的指標(biāo)要求，滿足作為路基填料的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)之一。

但從圖1中看出，當(dāng)石灰摻入比例≤4%時(shí)，改良土的膨脹率隨著石灰摻入比例的增加而大幅降低；當(dāng)石灰摻入比例超過5%后，改良土的膨脹率隨著石灰摻入比例的增加僅稍有降低，甚至石灰摻入比例為8%時(shí)，改良土的膨脹率還有所回升。分析圖1可得，從改善膨脹率指標(biāo)方面考慮，石灰的較佳摻入量為4%。

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

加入石灰對(duì)膨脹土進(jìn)行改良后，使土樣成分及結(jié)構(gòu)得以重塑，無疑會(huì)對(duì)土體的力學(xué)強(qiáng)度特征產(chǎn)生影響。因此，本項(xiàng)目對(duì)不同石灰摻量改良后的土體進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以評(píng)估其承載能力是否滿足鐵路路基填料的要求。試驗(yàn)結(jié)果見表4及圖2。

表4 石灰改良膨脹土強(qiáng)度指標(biāo)變化表

圖2 石灰不同摻量與最大干密度關(guān)系曲線

分析圖2可知，將石灰摻入膨脹土后，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于0．5 MPa，滿足鐵路對(duì)基床以下路基填料的要求。因?yàn)槭遗c土體顆粒間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的凝固和膠結(jié)作用會(huì)使土體承載能力獲得有效提高，所以滿足了鐵路對(duì)路基填料的要求，但是當(dāng)石灰摻入比例≤5%時(shí)，土體強(qiáng)度隨著石灰摻入比例的提高而大幅增強(qiáng)，當(dāng)石灰摻量＞5%后，土體強(qiáng)度增長緩慢。因此，從強(qiáng)度提高方面考慮，石灰最佳摻入比例為5%。

3.3 界限含水率試驗(yàn)

分析圖3可知，與原土樣進(jìn)行比較，摻入石灰后，試件界限含水率的改善非常明顯，隨著石灰摻入比例的提高，試件液限、塑限、塑性指數(shù)均逐級(jí)降低。石灰的摻入降低了土體的持水能力，增強(qiáng)了其水穩(wěn)定性，即降低了土體的遇水膨脹性。說明將石灰作為改良固化劑改善膨脹土液塑性指標(biāo)的效果良好。

圖3 石灰不同摻量與界限含水率關(guān)系曲線

3.4 擊實(shí)試驗(yàn)

為有效控制改良土路基填筑壓實(shí)質(zhì)量，確保鐵路路基穩(wěn)固，對(duì)不同石灰摻入比例的試件進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)（采用重型擊實(shí)），作為改良膨脹土路基壓實(shí)密度控制及質(zhì)量評(píng)定的依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果見表5和圖4。

表5 石灰改良膨脹土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖4 最優(yōu)含水量、最大干密度與石灰摻量關(guān)系曲線

分析圖4可知，隨著石灰劑量的加大，試件最優(yōu)含水量逐級(jí)增大，最大干密度逐級(jí)降低。在石灰摻入比例≤5%時(shí)，原土樣的最大干密度遞減、最優(yōu)含水率變動(dòng)幅度較大。在石灰摻入比例＞5%后，上述2個(gè)指標(biāo)變化逐漸趨緩。

3.5 水穩(wěn)性試驗(yàn)

石灰改良膨脹土的最終目的是能夠作為路基填料，而路基結(jié)構(gòu)需承受自然環(huán)境的干濕循環(huán)作用[4]，故測試改良土在干濕循環(huán)環(huán)境下的水穩(wěn)性，即改良土抵抗浸水侵蝕的能力具有實(shí)際工程意義。通過干濕循環(huán)后的崩解試驗(yàn)、膨脹率變化試驗(yàn)測試改良土的水穩(wěn)性。

3.5.1 干濕循環(huán)后崩解試驗(yàn)

在室內(nèi)模擬進(jìn)行路基歷經(jīng)雨季、旱季等自然條件下的干濕循環(huán)試驗(yàn)。該試驗(yàn)采用環(huán)刀試件進(jìn)行浸水和脫濕試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境為恒溫、恒濕。浸水試驗(yàn)方法：試件在摻入不同比例的石灰標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后，將試件置于透水石上，為了避免試件崩解的顆粒堵塞透水石。于試件與透水石間放置一層濾紙[5]。注水使試件的2/3沒入水中，試件通過毛細(xì)吸管作用吸水飽和后，完成一個(gè)濕循環(huán)。脫濕方法：于恒溫恒濕的陰涼處將試件通過自然蒸發(fā)水分至風(fēng)干狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場測試，自然風(fēng)干條件下的穩(wěn)定含水率為15%，即試件風(fēng)干至15%含水率即為風(fēng)干狀態(tài)，此時(shí)完成一個(gè)干循環(huán)。對(duì)石灰不同摻入比例的試件均做6次干濕循環(huán)。在試驗(yàn)過程中，含水率的計(jì)算通過稱重法進(jìn)行。

試件歷經(jīng)6次干濕循環(huán)后的試驗(yàn)結(jié)果如下：石灰摻入比例為2%、3%的2組試件表面出現(xiàn)裂紋、顆粒崩解及脫環(huán)現(xiàn)象；石灰摻入比例為4%的試件未出現(xiàn)明顯的宏觀裂紋，但產(chǎn)生脫環(huán)現(xiàn)象；石灰摻入量為5%、6%、7%、8%的4組試件的表面完整，沒有產(chǎn)生貫穿裂縫，也沒有產(chǎn)生顆粒脫落和脫環(huán)現(xiàn)象；試件整體呈現(xiàn)出隨著石灰摻量的增加而水穩(wěn)性能逐漸增強(qiáng)的狀態(tài)。表明膨脹土摻入石灰后發(fā)生的硬凝、膠結(jié)等作用在降低原土膨脹性的同時(shí)，促使土樣的水穩(wěn)性得到加強(qiáng)，利于路基在運(yùn)營期間長期保持穩(wěn)定。從試驗(yàn)結(jié)果可得，石灰摻入比例≥5%時(shí)，具有良好的水穩(wěn)性。

3.5.2 膨脹率變化試驗(yàn)

分析圖5可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同石灰摻入比例試件的絕對(duì)膨脹率呈現(xiàn)出遞增的趨勢。前3次濕循環(huán)中試件膨脹率增值較大，第4次干濕循環(huán)后增值趨于穩(wěn)定，僅稍有增高。

圖5 絕對(duì)膨脹率-干濕循環(huán)次數(shù)的曲線

從圖5還可以看出，膨脹土摻入石灰改良后，其膨脹率得到大幅降低且隨著石灰摻入比例的增大，在各次干濕循環(huán)下的膨脹率均遞減。石灰摻入比例為2%、3%的土樣在干濕循環(huán)后膨脹率較大，這是因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)生成少量硅酸鈣使其膠結(jié)能力遭到破壞。但是，石灰摻入比例≥4%的試件具有良好的水穩(wěn)性，這是因?yàn)楦嗍业膿饺氩粌H減少了土體親水性的黏粒數(shù)量，并且在干濕循環(huán)中持續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成更多的膠結(jié)物質(zhì)，進(jìn)而確保了土樣具有更好的水穩(wěn)性。從水穩(wěn)性方面考慮，石灰摻入比例≥4%為宜。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目進(jìn)行的系列室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，生石灰作為改良劑摻入，能夠顯著改善膨脹土的工程特性。隨著石灰摻入劑量比例的增加，大幅度地降低了改良土試件的自由膨脹率、界限含水率、最大干密度，顯著提高了試件的抗壓強(qiáng)度和最優(yōu)含水率，使膨脹土得到改良，成為合格的鐵路路基B組填料。

分析以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合成本考慮，理論最佳石灰摻入比例為5%。考慮到現(xiàn)場施工相對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)的質(zhì)量控制難度大及施工精準(zhǔn)度差等因素，現(xiàn)場施工石灰摻入比例取6%，施工現(xiàn)場對(duì)改良膨脹路基填筑進(jìn)行的質(zhì)量檢測，結(jié)果均符合規(guī)范要求。