重載鐵路膨脹土路基石灰摻和改性加固及其穩定性研究

摘要：為研究重載鐵路膨脹土路基的改性加固技術，提升路堤邊坡的穩定性與重載鐵路的建設質量，對蒙華鐵路三荊段的膨脹土路基加固技術和路堤邊坡穩定性進行分析。采用掃描電鏡和力學試驗，對施工現場采集的膨脹土微觀結構、力學參數和膨脹特性進行研究，進而對石灰改性加固膨脹土的基本原理和加固參數開展試驗，分析了石灰改性機理。對采用石灰改性加固膨脹土路基試驗段開展邊坡穩定性分析，結果表明：面-面疊聚體構成的黏土基質對膨脹性有決定性影響，而粒狀顆粒增加則造成膨脹性降低，黏土礦物蒙脫石含量與三荊段膨脹土的自由膨脹率正相關。由于石灰摻和改性加固，膨脹土中黏土礦物成分降低，微觀結構更加致密，黏粒含量大幅減少，使原狀土的膨脹性大幅減弱，其黏聚力、內摩擦角也顯著增加。路堤邊坡變形穩定性較未改性加固前顯著提升。研究成果可為類似膨脹土地區的重載鐵路路基施工與鐵路運營維護提供參考。

關鍵詞：重載鐵路； 膨脹土； 路基加固； 邊坡穩定性

中圖法分類號：TU443 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.013

文章編號：1006-0081（2024）04-0078-07

0 引 言

重載鐵路具有載重量大、運輸效率高、經濟和社會效益顯著等優點，逐漸成為世界各國鐵路貨運的主要發展方向。隨著1992年大秦鐵路通車，中國也正式步入重載鐵路國家行列，自此中國重載鐵路的建設不斷鋪開。蒙華鐵路［1-3］是中國新型重載鐵路的代表，沿途經過多座大型水利水電工程。現階段多數大型水利水電工程需匹配火電廠提供原動力和負荷調節能力，通過水火共濟保證電力供應穩定。作為煤炭等關鍵能源物資的運輸通道，蒙華鐵路的長期運營安全對保障沿途水利水電設施穩定運行，并保持可靠的供電能力意義重大。然而，由于蒙華鐵路橫跨7個省區多種地形地貌，所遭遇的地質條件極為復雜危險，尤其是三門峽-荊州段的膨脹土地層對蒙華鐵路的長期運營穩定造成較大困擾，故亟需對該段涉及的膨脹土進行改性加固，以保障建設質量和運營安全。

在TB 10625-2017《重載鐵路設計規范》中，膨脹土在鐵路路基工程中被歸為D類填料，不能直接用作路基填筑，需通過一定技術手段對其進行改性加固，進而對路基邊坡進行專門設計分析，以保障施工和運營安全。目前，由于工程建設需要，國內外學者［4-8］均開展了關于膨脹土改性加固和邊坡穩定性的研究。占世斌等［9］對壩體土進行不同摻灰比情況下的改性土試驗，推薦了石灰摻量的膨脹土改性方案。許英姿等［10］采用摻碎石的方式對廣西南寧三塘地區的膨脹土進行改良，試驗結果也表明這種改性加固方式的有效性。于榮喜［11］對合蚌專線的膨脹土路基加固方式進行了系統研究，并評估了建設過程中的加固效果。李麗華等［12］開展了稻殼灰-礦渣固化膨脹土的力學試驗研究，從宏微觀角度分析了該改性加固方式的效果。艾密等［13］對包括石灰在內的多種固化劑對膨脹土的改性固化效果進行了研究，并探討了膨脹土的改性固化機理。唐咸遠等［14］、李建東等［15］均對膨脹土的改性固化技術開展了系統研究。考慮到石灰的成本和易獲得性等特點，部分學者也開展了關于石灰摻和膨脹土改

性加固的研究。趙紅華等［16］對石灰加固膨脹土的機理進行了總結和梳理，明確了石灰加固的機理。王學廣等［17］對換填法和石灰樁法加固的邊坡穩定性進行比較研究，對石灰樁的加固參數進行研究。王斯海等［18］對工業膨脹土進行了壓縮和膨脹率試驗，對酸、堿環境下的膨脹土脹縮變形規律進行研究。目前來看，大多數石灰改性膨脹土的研究都集中在公路［14］、普通鐵路［11］或邊坡加固［4］領域，由于中國缺乏在膨脹土地區修建重載鐵路的實踐與經驗，以往石灰改良膨脹土在普通鐵路與高速鐵路應用技術，并不能完全照搬到重載鐵路路基工程中。

為研究石灰改性膨脹土的力學特性和加固機理，并為重載鐵路膨脹土路基加固和維護提供參考，本文依托蒙華鐵路三荊段，開展膨脹土路基改性技術與邊坡穩定性研究。對石灰改性技術的研究方案進行分析，并對現場監測方案進行介紹。采用現場取樣和室內試驗，對膨脹土樣品的微觀結構、膨脹特性等進行研究，為石灰摻和改性提供參考。研究了石灰摻和改性后的樣品力學性能，并對摻和機理進行分析。最后，結合現場監測數據和穩定性分析，對未加固中、低膨脹土和改良后的路基邊坡穩定性進行計算分析，檢驗石灰摻和改性的效果。

1 工程概況及研究方案

1.1 工程概況

蒙西至華中鐵路全長1 837 km，起自內蒙古自治區浩勒報吉站，止于江西省吉安站，跨越七省區。由于三門峽至荊門段（約211 km）地處北亞熱帶季風型大陸性氣候，形成了大量膨脹土。膨脹土地區普遍存在嚴重的邊坡變形與基床變形，容易導致邊坡溜塌、滑坡、線路不均勻下沉等變形病害現象。鑒于此，研究膨脹土的石灰改性技術、力學特性以及加固機理至關重要，通過改良膨脹土路基，可提高鐵路的穩定性，降低工程維護成本，確保水力水電工程的可持續運行，從而支持整個區域的基礎設施和經濟發展。

三荊段DK1044+300～DK1076+050段地處磨旗山和楊家大山間丘間盆地，膨脹土厚度一般不超10 m，此段以中等膨脹土為主，長度約23.05 km，占比72.60%；弱膨脹土長度約8.70 km，占比27.40%。由于膨脹土的工程特性，為防止上拱下沉對重載鐵路平順性及運營安全的影響，需對膨脹土路基進行改性加固，提升工程質量。

1.2 研究方案

本文針對路基正線段的膨脹土路基改性加固技術進行研究，通過采集土樣、開展室內試驗、現場試驗等手段，對路基正線段的膨脹土改性加固技術和邊坡穩定性開展研究分析，為類似項目的膨脹土路基摻石灰改性加固提供參考。本文所研究的路基正線段填筑試驗段里程為DK1063+800～DK1064+000，全長200 m。故試驗段內路基的路堤本體采用3.5%石灰改良土，基床底層采用5%石灰改良土，設DK1063+975斷面為監測斷面。

本文DK1063+975斷面監測布置如圖1所示，路基中心與左線基底埋設單點沉降計，右線埋設沉降板，兩側路肩內2 m處埋設沉降監測樁，基床底層右側邊坡與土工格柵上每間隔1.2 m埋設柔性位移計，用于監測路基與邊坡變形特征；路基右側坡腳擋墻內設兩組應變傳感器用于監測擋墻變形特性。

2 膨脹土特性研究

2.1 微觀結構分析

對工段涉及的弱膨脹土和中膨脹土試樣開展電鏡掃描，對兩種膨脹土的微觀結構進行分析。結合微觀結構分析，探究試驗段膨脹土自由膨脹率與黏粒含量的關系，為后續改性加固提供技術支持。從雷家大堰取土點獲取的弱膨脹土和從楊河村取土點獲取的中膨脹土的SEM掃描結構如圖2所示。

由圖2可知：弱膨脹土微觀結構為粒徑堆疊狀，微結構單元粒徑較大，顆粒形貌以粒狀及扁平狀為主，可見多處單粒體結構，卷曲片狀顆粒少見，結構致密，未見明顯的結構裂隙，黏土礦物少且與碎屑礦物結合緊密，水分子難與親水礦物結合，因而表現為膨脹性質較弱。中膨脹土微觀結構主要以粒徑堆疊為主，局部為紊流結構，微結構單元粒徑大小不一，顆粒形貌以扁平狀顆粒聚集體和片狀顆粒為主，有彎曲或卷曲狀片狀顆粒，單粒體多見，結構松散，結構裂隙多處可見，但貫通性不強，黏土礦物含量較高，易與水分子結合，表現為具有明顯的脹縮性。研究發現：蒙脫石在微觀上形成曲片狀面-面疊聚體，其脹縮性較高，伊利石形成的平片狀面-面疊聚體脹縮性稍低，所以面-面疊聚體的黏土片形態在一定程度上影響了土的脹縮性。土中不僅要有面-面疊聚體，且這種疊聚體必須大量地以自相集聚的方式構成黏土基質。由于粒狀顆粒本身不起脹縮作用，而黏土基質才是發生膨脹的根源，當粒狀顆粒含量增多就會明顯地使膨脹性降低。

2.2 膨脹特性研究

自由膨脹率是指一定質量的烘干、過篩土顆粒在無結構約束狀態下自由吸水的體積膨脹量與原始體積之比，以百分率表示，是反映土的膨脹特性的最直接度量指標之一。本節采用自由膨脹率為試驗工點的膨脹特性指標，探究膨脹特性與黏粒含量的關系。結合項目其他試驗段的試驗數據，進一步探索蒙脫石含量與自由膨脹率的關系，試驗數據如圖3所示。

根據TB 10077-2019《鐵路工程巖土分類標準》、GB 50112-2013《膨脹土地區建筑技術規范》等規定，自由膨脹率在60%～65%以內的屬于弱膨脹土，自由膨脹率在60%～90%的屬于中膨脹土，自由膨脹率大于90%屬于強膨脹土。從圖3可知：膨脹土的膨脹性隨其黏粒含量增加而明顯增強，兩者呈正相關，弱膨脹土的黏粒含量僅為24.2%，而中膨脹土中的黏粒含量達到了45%。結合2.1節中關于微觀結構對膨脹特性的作用，可以發現蒙脫石含量與自由膨脹率也呈正相關，這驗證了蒙脫石形成的面-面堆疊體對黏性基質和膨脹性的重要作用，也為后續改性加固提供指引，即破壞或者減少黏性基質的含量以降低膨脹性。

2.3 力學參數

為充分了解試驗段膨脹土的抗剪強度特性，本次試驗共開展了9組殘余剪切強度試驗，9組不排水不固結三軸剪切試驗（UU）以及109組直接剪切（快剪）試驗。試驗數據如表1所示。

從表1可知：試驗段弱膨脹土室內直剪強度黏聚力在24.0～74.0 kPa，平均值為40.38kPa，內摩擦角在8.2°～22.6°，平均值為16.16°；中膨脹土在21.0～101.0 kPa，平均值為49.21 kPa，內摩擦角在8.5°～30.2°，平均值為17.71°。由此可見，隨著膨脹土的黏聚力隨其膨脹性的增強而增大，而內摩擦角相差不大。因此可以說明，試驗段膨脹土的堅硬程度為中膨脹土大于弱膨脹土。

3 石灰摻和改性加固

3.1 加固機理

石灰改良膨脹土的主要機理主要分為離子交換作用、固化作用、凝膠作用和結晶作用4個部分。離子交換作用指在土中水作用下，生石灰迅速消解，Ca2+、Mg2+置換膨脹土顆粒所吸附的K+、Na+等離子，降低了土樣結合水的成分，使膨脹土的分散性、坍塌性、親水性和膨脹性降低，形成早期強度；固化作用指石灰遇水反應生成CaCO3和MgCO3堅硬的固體顆粒，具有較高的強度和水穩定性，由于CaCO3對土體的膠結作用使得土體形成石灰穩定土；凝膠作用指膨脹土中的硅膠、鋁膠與石灰進一步反應形成含水硅酸鈣、鋁酸鈣，這兩種凝膠能夠在水環境下發生硬化，在膨脹土的黏粒外圍形成穩定的保護膜，黏結力較強，形成網狀結構，使石灰改良土強度增長，并保持長期穩定。結晶作用指石灰摻入膨脹土中后，溶解度小，除了離子交換和碳酸化作用外，絕大部分以氫氧化鈣結晶水的形式析出，進一步提高了膨脹土的強度和水穩定性。

3.2 黏粒含量變化

從上文可知，膨脹土的黏粒含量與其膨脹性指標自由膨脹率呈正相關。為研究石灰摻和改性加固膨脹土的實際效果，本節對2%、3%、4%、5%、6%的5種摻入比的生石灰、熟石灰改良土進行了顆粒分析試驗，所得結果如圖4所示。從圖4中可知：

（1） 由于石灰的化學反應及凝膠作用，改良土的黏粒含量明顯降低，粉粒及砂粒含量也都有不同程度地提高，且膨脹趨勢越大，石灰改良的效果越明顯，具體而言，弱膨脹土的黏粒含量下降12.4%～23.8%，粉粒含量上升4.2%～8.4%，砂粒含量上升7.2%～15.0%，中膨脹土的黏粒含量下降28.8%～37.1%，粉粒含量上升16%～28%，砂粒含量上升9.7%～12.1%。

（2） 生石灰及熟石灰對于膨脹土內的顆粒粒徑改變無明顯區別，隨摻灰率的增加，膨脹土顆粒級配變化逐漸變緩，當摻灰率達到5%后，膨脹顆粒粒徑趨于穩定。

可見石灰改性使膨脹土的黏粒、粉粒和砂粒組分產生了顯著變化，并進一步改變了土體的微觀結構與力學性質。黏粒含量的降低，可有效抑制了土體的膨脹與收縮能力，提高了土壤的穩定性。與此同時，粉粒含量的增加填補了土壤的顆粒間的微小空隙，可有效提升土體的抗壓抗剪性能，增加鐵道基礎穩定。此外，砂粒含量的上升有助于提高土壤的排水性能，減少土壤的孔隙壓力，改善土壤的抗滲透性，可有效抵御水利水電工程周邊富水環境引起的鐵道基礎變形。因此，石灰改性能有效的保障膨脹土的力學性質和工程性質，為能源運輸鐵路及其相關水利水電工程長久穩定運行提供了重要支撐。

3.3 力學性質

研究石灰改良土摻灰率與其抗剪強度的關系，制作了2%、3%、4%、5%、6%摻灰率的改良土試樣，在室內開展了快速剪切試驗，統計試驗結果如圖5所示，從圖5可知：石灰能大幅增強膨脹土的抗剪強度，主要表現在黏聚力的大幅增加以及內摩擦角的少量提高。具體而言，改良后弱膨脹土的黏聚力增加31.3～66.2 kPa，內摩擦角增加到4°～9°，中膨脹土的黏聚力增加30.7～74 kPa，內摩擦角增加7°～21°。生石灰改良效果較熟石灰要更好，且土體膨脹性越強，石灰改良的效果越好，黏聚力和內摩擦角在摻灰率為5%左右時存在明顯拐點，到達拐點后，強度增加緩慢，甚至不變，路堤改良強度設計要求250 kPa，基床底層改良強度設計要求為350 kPa，從室內試驗的情況來看，改良土在摻灰3%的情況下均能滿足這一要求。從強度隨摻灰率的試驗可知，石灰發揮最大效益的摻灰比為5%左右。因此從強度因素考慮，三荊段DK1044+300～DK1076+050段膨脹土改良的石灰摻入量不宜小于3%，故試驗段內路基的路堤本體采用3.5%石灰改良土，基床底層采用5%石灰改良土。

上述數據表明，石灰改性對膨脹土的力學性能影響顯著，主要表現為黏聚力和內摩擦角的變化。其中，黏聚力的增加表明土壤顆粒之間的黏著性增強，這有助于提高土壤的整體黏結性和穩定性。而內摩擦角的增加意味著土壤顆粒之間的咬合效應有所提升，土體抗剪能力顯著增強，使土壤能承受更高的外部荷載和剪切力的作用。這些結果表明，石灰改性策略對土壤微觀結構和顆粒間相互作用的改善作用明顯。改性后的土壤更有利于鐵道基礎長期運行穩定，從而保障工程項目運行的穩定性和可靠性。

4 改性膨脹土路基穩定性分析

4.1 監測數據

為研究堆填改性膨脹土后的路基邊坡穩定性，本節對DK1063+975監測斷面邊坡變形量和擋墻位移監測數據進行分析，所得的變形量和擋墻變形數據如圖6所示。從圖6中5處柔性位移計的監測成果可以發現，距路基面越遠，邊坡的變形越大，具體而言，路肩下6 m邊坡穩定變形幅值為1.45 mm，路肩下4.8 m處填筑完成后邊坡變形穩定值分別為0.81 mm，路肩下3.6 m處填筑完成后邊坡變形穩定值分別為0.552 mm，路肩下2.4 m處填筑完成后邊坡變形穩定值分別為0.33 mm。邊坡變形主要發生在填筑完成后的30～60 d內，不同深度的路基邊坡，變形穩定的時間也各不相同，深度越大，變形穩定時間越長。整體而言，路堤邊坡的變形幅值不超過1.55 m，且邊坡受雨水沖刷下滲嚴重，但其變形未出現明顯波動起伏。因此可認為，膨脹土石灰改良填筑路堤邊坡穩定性較強，未發現明顯脹縮變形，石灰改良土填筑路堤的邊坡膨脹性基本消除。

4.2 計算模型

為研究采用不同填料填筑時膨脹土路堤邊坡的合理坡率，選取了弱膨脹土、中膨脹土、改良土3種填料，邊坡坡率分別為1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0時，采用rocscience軟件，分別采用極限平衡法、強度折減法，研究了大氣影響范圍達到0，1，2，3 m和4 m條件下路堤邊坡的穩定特性，計算模型如圖7所示。

路堤邊坡分析時，考慮膨脹土受外界影響條件下的強度參數降低，對于大氣影響帶深度范圍內采用干濕循環后的殘余抗剪強度指標，大氣影響帶深度范圍之外（即路堤內部）采用干濕循環前的峰值強度指標，結合試驗結果分別確定了基床以下路堤范圍采用弱膨脹土、中膨脹土、改良土（摻3.5%石灰）填筑（壓實度K=0.90）的力學指標，如表2所示。

4.3 計算結果

弱膨脹土、中膨脹土、改良土3種填料類型，邊坡坡率1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0時，大氣影響范圍分別達到0，1，2，3 m和4 m條件下路堤邊坡的穩定安全系數統計詳見表3。分析表明：① 在填料相同的條件下，邊坡坡率越陡邊坡穩定安全系數越低，大氣影響范圍越大邊坡安全系數越低。② 采用中膨脹土直接填筑邊坡坡率1∶2.0條件下大氣影響深度達到3 m時，以及采用弱膨脹土直接填筑邊坡坡率1∶1.75 條件下大氣影響深度達到3 m時，邊坡穩定系數將不足，由于工程中常采用這2種形式的坡率進行填筑，這也基本驗證了膨脹土直接填筑路堤邊坡受大氣急劇影響的深度為2～3 m。③ 采用改良土填筑后，受坡體強度增加影響，邊坡穩定性明顯增強，改良土路堤邊坡穩定性良好。

5 結 論

本文研究重載鐵路膨脹土路基的改性加固技術，提升路堤邊坡的穩定性，并采用了現場監測、室內試驗和數值模擬等多種手段，主要結論如下。

（1） 室內試驗表明，膨脹土的膨脹特性指標自由膨脹率主要與其黏粒含量有關，并受到微觀的面-面疊聚體影響，貢獻面-面疊聚體的蒙脫石含量可有效反映膨脹性。

（2） 室內試驗表明，中、低膨脹性膨脹土的黏聚力和內摩擦角等力學參數的均值差異不大。

（3） 生、熟石灰摻和均可通過減少黏粒含量降低膨脹土的膨脹性，摻和生熟石灰改性效果差異不大，當摻灰率達到5%后，黏粒含量趨于穩定，摻和石灰后可以有效提升膨脹土的黏聚力和內摩擦角，且提升效果與摻和量成正相關。

（4） 膨脹土邊坡的穩定性系數與膨脹土的膨脹性強弱、坡度、大氣影響帶范圍相關性較大。采用改良土填筑后，邊坡穩定性有明顯增強且穩定性系數大于1.5，改良土路堤邊坡穩定性良好。

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（編輯：唐湘茜）

Study on reinforcement and stability of lime blending of expansive soil subgrade for heavy-haul railway

HUANG Qiyou

（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China）

Abstract： In order to study the modification and reinforcement technology of expanded soil subgrade for heavy-haul railway and to improve the stability of embankment slopes so as to improve the construction quality of heavy-haul railway，the reinforcement technology of expanded soil subgrade and the stability of embankment slopes of Sanjing section of Menghua railway was analyzed.The micro-structure，mechanical parameters and expansion characteristics of the expanded soil collected from the construction site were analyzed by scanning electron microscope and mechanical test，which provided the basis for the development of the subsequent reinforcement technology.Experimental research was carried out on the basic principle of lime-modified reinforced expansive soil，reinforcement parameters and the mechanism of lime modification.The slope stability analysis was carried out on the test section of the lime-modified and reinforced expansive soil roadbed.The relevant results showed that the clay matrix consisting of face-side superposition had a decisive influence on the swelling，while the increase of granular particles caused a decrease in the swelling，and the content of the clay mineral montmorillonite was positively correlated with the free swelling rate of the swelling soil in the Sanjing section.Due to the modification of lime mixed reinforcement，the clay mineral composition in the swelling soil was decreased，the microstructure became denser，and the content of clay particles decreased dramatically，causing the swelling of the in-situ soil to weaken dramatically，and its cohesion and angle of internal friction also increased significantly.The stability was significantly improved compared with that of the unmodified reinforced slope.The research results can provide a reference for the construction of heavy-haul railway superstructure and railway operation and maintenance in similar expansive soil areas.

Key words： heavy-haul railway； expansive soils； subgrade reinforcement； slope stability

收稿日期：2023-09-11

基金項目：中國鐵建股份有限公司科技研發計劃項目“數字化融合勘察設計一體化成套技術研究與應用”（2022-A02）

作者簡介：黃啟友，男，工程師，主要從事鐵路工程路基設計及研究工作。E-mail：604580822@qq.com