阳安二线膨胀土填料改良研究

张宗堂

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

阳安二线膨胀土填料改良研究

张宗堂

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

拟建阳安二线沿线膨胀土广泛分布，膨胀土不能直接作为路基填料，如果选取合格填料，运距较远、投资大，而且挖方地段的膨胀土又得弃掉、占地多，极不经济。通过选取现场两处代表性取土场取样，生石灰粉作添加剂，按4%、6%、8%、10%四个级别的掺入比做室内改良试验，试验表明：生石灰掺入比大于4%改良后，能达到消除膨胀性的目的，改良土有较好的水稳性和较高的强度，能满足设计要求；改良土较原膨胀土有较高的抗压强度和剪切强度，且随生石灰的掺入比增加而增大；得出了路基不同部位、不同膨胀级别膨胀土的生石灰粉掺入比，为阳安二线路基填料设计提供了理论依据。

铁路路基；膨胀土；填料；改良试验

1 概况

既有阳安铁路横贯陕西省南部。线路西起宝成线阳平关站，跨嘉陵江，经汉江上游河谷，过汉中盆地，经西乡，过石泉，沿月河河谷，至安康，行经汉中安康2市共11县(区)。1969年开工建设，1972年建成通车，1976年交付运营。

拟建的二线自宝成线阳平关站引出，沿汉江河谷经勉县，至汉中盆地，通过汉江低山峡谷区，过西乡、石泉，沿月河河谷经汉阴至安康枢纽安康站。增建第二线全长329 km，路基工程占线路总长约53%。

阳安二线铁路沿线膨胀土广泛分布，集中分布于勉西以东的汉中盆地、牧马河及月河的二级及其以上的阶地上，厚度一般大于10 m。增建二线路基段的膨胀土分布情况及相关指标见表1[1]。

既有阳安线修建时由于当时对膨胀土的认识、技术标准、投资等因素限制，对膨胀土未做改良而直接作为路基填料，沿线年平均降水量772～1 103 mm，受膨胀土特有性质影响，既有线路基病害如基床翻浆冒泥、基床变形下沉、路堤边坡溜坍大量发生，经工务部门多年整治加固，虽路基大部分状况较为良好，但膨胀土引起的路基病害时有发生，全线各区段均有不同程度分布。

表1 沿线路基段膨胀土分布及指标情况

增建二线路基地段大都分布膨胀土，且厚度较大，如果不用其作填料，那么路堤段就得远运其他类填料、路堑段就得将挖方的膨胀土弃掉，增大工程投资、很不经济。全线有400多万m3膨胀土需要改良作为路基填料，改良膨胀土显得十分必要和迫切，是路基设计的一项重要工作。

2 膨胀土改良现状情况

膨胀土具“吸水膨胀，失水干缩”的特殊性质，现行铁路路基规范对膨胀土作为填料做出如下强制性规定。

《铁路路基设计规范》(TB10001—2005)：膨胀土为D类填料，路基基床不得直接采用，路堤基床以下当选用时，应采取加固或土质改良措施[2]。

《铁路特殊路基设计规范》(TB10035—2006)：路堤基床表层不得采用膨胀土或其改良土填筑，基床底层采用膨胀土作填料时，应采取土质改良措施，基床以下路堤填料采用膨胀土作填料时可采取改良或加固及防排水措施；路堑基床表层应全部换填符合相应铁路等级标准要求的材料，基床底层应采取换填或土质改良措施[3]。

膨胀土在我国广泛分布，特别是长江流域的汉水、嘉陵江、岷江、乌江水系，珠江流域的东江、桂江、郁江、南盘江水系，淮河、海河流域各干支流水系等地区膨胀土分布最为集中。在铁路、公路修建过程中对填料的改良和应用已做了较为系统的试验研究，分物理改良和化学改良，化学改良材料多为水泥、石灰、粉煤灰以及其他材料[4-8]，像李庆鸿[9]在新建时速200 km合肥—南京铁路项目中，对沿线膨胀土成分性质、改良技术、改良拌和工艺、改良土填筑压实施工工艺做了系统的研究，并应用于该项目的建设中。

陕南膨胀土的改良也在不同的工程建设中被施工应用，但系统的改良试验研究还很少见，化学改良材料的掺入量控制在什么程度才能既满足工程需要又经济合理，如何评价改良效果，是阳安二线路基设计的重要和关键所在。

3 改良试验

3.1 试验内容

二线勘察过程中选取DK84+900(以下简称第一取土场)和DK329+400(以下简称第二取土场)两处代表性取土场，取样作室内改良试验，从膨胀性、无侧限抗压强度、剪切强度、压缩性、水稳性等方面对膨胀土改良前后进行系统的对比分析研究。

根据国内外对膨胀土改良的研究成果，采用化学改良，本次改良材料采用生石灰。

生石灰采用沿线大型企业生产的商品生石灰粉，取样试验表明Ca+MgO含量大于80%，钙质生石灰粉，符合《建筑生石灰》(JC/T 479—2013)的钙质生石灰75(代号CL75)[10]。

生石灰掺入比(生石灰与膨胀土的干质量百分比)分4%、6%、8%、10%四个级别进行试验研究。

改良土主要用于路基基床底层及基床以下的填筑，现行规范要求基床底层压实度93%，基床以下90%，因此本次的改良试验试样压实度也分93%、90%两个级别。

3.2 膨胀性

分别用2个取土场的膨胀土土样，按生石灰掺入比4%、6%、8%、10%四个级别进行改良，并分别测定未改良膨胀土和改良膨胀土的自由膨胀率、阳离子交换量、蒙脱石含量、无荷膨胀率、有荷膨胀率指标，见表2[11]。

表2 不同生石灰掺入比的膨胀性指标

由表2可知，掺入4%～10%生石灰，自由膨胀率从51%降低到23%～38%，阳离子交换量从221～222 mmol/kg降低到135～188 mmol/kg，蒙脱石含量从22.3%～25.5%降低到6.0%～15.5%，无荷膨胀率从17%～25.5%降低到0.3%～3.2%，有荷膨胀率全部消除。

从试验数据看生石灰改良后无荷膨胀率、有荷膨胀率降低很快；自由膨胀率、阳离子交换量、蒙脱石含量均有不同程度的降低，且与生石灰掺量成明显正相关性；生石灰掺入比大于4%后膨胀性基本消除。

3.3 无侧限抗压强度

分别用2个取土场的膨胀土土样，按生石灰掺入比4%、6%、8%、10%四个级别进行改良，并按90%、93%压实度制样，分别测定养生龄期7、14、28、90 d无侧限抗压强度，见表3[11]和图1～图4。

表3 不同生石灰掺入比、养生龄期的无侧限抗压强度

图1 第一取土场压实度90%时各养生龄期无侧限抗压强度趋势

图2 第一取土场压实度93%时各养生龄期无侧限抗压强度趋势

图3 第二取土场压实度90%时各养生龄期无侧限抗压强度趋势

图4 第二取土场压实度93%时各养生龄期无侧限抗压强度趋势

从图1～图4可以看出：

(1)掺入生石灰改良后无侧限抗压强度有较大幅度的提高；

(2)同一掺入比情况下，无侧限抗压强度随养生龄期延长而提高，掺入比越大提高幅度越大；

(3)同一养生龄期情况下，掺入比越大无侧限抗压强度越高；

(4) 相同掺入比、养生龄期情况下，压实度越大无侧限抗压强度越高。

以上4方面说明生石灰改良膨胀土对膨胀土无侧限抗压强度提高效果明显。

3.4 剪切强度

分别用2个取土场的膨胀土土样，按生石灰掺入比4%、6%、8%、10%四个级别进行改良，并按90%、93%压实度制样，直接快剪和三轴不固结不排水剪切试验，试验结果见表4[11]。

表4 不同生石灰掺入比、压实度剪切试验

从图5、图6可知：

(1)直接快剪黏聚力在各种生石灰掺入比变化不大，但摩擦角增大明显、且随生石灰掺入比增大提高明显；

(2)三轴剪试验中生石灰改良后黏聚力、摩擦角增大明显，且随生石灰掺入比增大提高明显；

(3)相同生石灰掺入比情况下，压实度越大黏聚力、摩擦角越大。

图5 第一取土场压实度90%时各种生石灰掺入比的剪切强度趋势

图6 第二取土场压实度93%时各种生石灰掺入比的剪切强度趋势

3.5 压缩性试验

分别用2个取土场的膨胀土土样，按生石灰掺入比4%、6%、8%、10%四个级别进行改良，并按90%、93%压实度制样，压缩试验结果见表5[11]。

表5 不同生石灰掺入比、压实度的压缩试验

从图7可以看出：

(1)掺加生石灰改良后压缩性改善明显；

(2)随着生石灰掺入比的增加压缩系数逐渐降低、压缩模量逐渐增大；

(3)相同生石灰掺入比情况下，压实度越大压缩系数越小、压缩模量越大。

3.6 水稳性试验

分别用2个取土场的土样，按生石灰掺入比4%、6%、8%、10%四个级别进行改良，并按90%、93%压实度制样，养生7 d饱和无侧限抗压强度试验结果见表6[11]。

图7 第一取土场各种生石灰掺入比的压缩性趋势

表6 不同生石灰掺入比养生7 d饱和无侧限抗压强度

改良土有较好的水稳性，生石灰掺入比≥4%均能满足7 d饱和无侧限抗压强度大于350 kPa的规范要求[12]。

4 结语

(1)既有阳安线修建于20世纪60年代末70年代初，由于当时对膨胀土的认识、技术标准、投资等因素限制，对膨胀土未做改良而直接作为路基填料，所以既有线路基病害较多，制约行车速度和运能的提升；按照现行规范要求，二线建设中对膨胀土进行改良是十分必要的，就近利用膨胀土掺加生石灰进行改良作路基填料是经济和合理可行的。

(2)阳安二线沿线膨胀土生石灰掺入比大于4%改良后，能达到消除膨胀性的目的。

(3)改良土较原膨胀土有较高的抗压强度和剪切强度，且随生石灰的掺入比增加而增大。

(4)生石灰的掺量大于4%后，改良土有较好的水稳性和较高的强度，7 d饱和无侧限抗压强度满足大于350 kPa的规范要求。

(5)根据室内改良试验结果可以得出以下设计指导意见：阳安二线沿线弱膨胀土改良生石灰掺入比，基床底层采用7%、基床以下采用5%；中等膨胀土改良生石灰掺入比，基床底层采用8%、基床以下采用6%。

(6)陕南地区年降水量较为充沛，膨胀土地段路基基床表层底部铺设防水层，阻防降水下渗软化基床底层是十分必要和有效的措施。

(7)阳安二线膨胀土的试验研究对本项目的设计、施工有十分重要的指导作用；并对陕南其他交通和市政项目的建设具有积极的借鉴意义。

[1] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.改建铁路阳安线增建第二线初步设计第四篇地质[Z].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2014．

[2] 中华人民共和国铁道部.TB10001—2005铁路路基设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005．

[3] 中华人民共和国铁道部.TB10035—2006铁路特殊路基设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2006．

[4] 杨西锋.高速铁路路基粗颗粒土填料物理改良试验分析[J].铁道标准设计，2013(12)：1-4．

[5] 薛晓辉，扈世民.二灰土改良风积土可行性试验研究[J].铁道标准设计，2013(12)：63-66．

[6] 赵新益.石灰改良下蜀黏土作为高速铁路路基填料的动力特性试验研究[J].铁道标准设计，2012(11)：1-3．

[7] 李敏，柴寿喜，杜红普.麦秸秆加筋石灰土抗剪强度影响因素灰色关联度分析[J].路基工程，2011(4)：82-85．

[8] 阎飞.膨胀土改性试验研究[J].土工基础，2012(3)．

[9] 李庆鸿.新建时速200公里铁路改良膨胀土路基施工技术[M].北京：中国铁道出版社，2007．

[10]中华人民共和国工业和信息化部.JC/T479—2013建筑生石灰[S].北京：中国建材工业出版社，2013.

[11]中铁第一勘察设计院集团有限公司.改建铁路阳安线增建第二线初步设计膨胀土改良试验报告[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2014.

[12]中华人民共和国铁道部.TB10020—2009高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2010．

[更正]本刊2015年第6期第91页图2中“3号塔”应为“1号塔”，“4号塔”应为“2号塔”，特此更正。

本刊编辑部

Study on Improvement of Expansive Soil Filler of YangAn Railway Second Line

ZHANG Zong-tang

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co. Ltd.， Xi’an 710043， China)

The expansive soil is widely distributed in the proposed YangAn second line and the expansive soil can not be directly used as roadbed filler. If other qualified filling material is used the haul distance will be longer with heavy investment， waste of excavated expansive soil and more land coverage. A test is conducted with two representative field soil samples and lime powder as additive in 4%， 6%， 8% and 10% of four levels of incorporation for improvement. Test results show that the soil improvement with mixing ratio greater than 4% can eliminate the swelling， and the improved soil has good water stability and higher strength and meets the design requirements. Compared with the original expansive soil， the improved soil has higher compressive strength and shear strength with the increase of the lime mixing ratio. The mixing ratios for different part of subgrade and different grade of expansive soil are obtained， providing theoretical reference for the design of YangAn second-line subgrade filler．

Railway subgrade; Expansive soil; Filler; Improvement test

2014-09-23；

2014-10-11

张宗堂(1968—)，男，教授级高级工程师，1990年毕业于西南交通大学铁道工程专业，工程硕士，E-mail：zhang_zt@126.com。

1004-2954(2015)07-0023-05

U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.006