膨胀土胀缩机理及其改良措施

■王江琛 ■中铁武汉勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430000

1 概况

宜昌紫云地方铁路枝江至云池段铁路线位于枝江紫荆岭和宜昌猇亭区之间，为江汉平原西缘，丘陵与平原的过渡地带，由低丘或坡度较缓、连绵不断的长江高阶地经长期风化、剥蚀和切割而成，为低丘垄岗和长江Ⅰ级阶地地貌。低丘垄岗地段广泛分布有第四系中、上更新冲洪积黏性土，具弱-中等膨胀性，遇水膨胀，失水收缩。全线膨胀土地段总长约10．41km，占线路总长44．7%。

表1 沿线膨胀土分布范围一览表

膨胀土对线路路基影响较大，因此，当膨胀土作为路基填料时，需进行改良整治，避免路基病害的发生。

2 工程地质特征

2．1 地形地貌

该膨胀性黏土分布地段为紫云地方铁路长江的二、三级阶地及高级阶地与幕阜山北麓之间的丘陵。高级阶地经剥蚀呈垄岗地形，残丘土岗和宽阔的坳沟相间排列，自然坡度平缓，具有典型的膨胀土地区地貌特征。

2．2 岩土物理力学性质

沿线分布的膨胀性黏土为第四系中、上更新统(Q2～3)地层，以冲积、洪积为主，主要为黄色、棕红色间灰白色网纹状黏土，含较多黑色铁锰结核及锈斑，层厚10～30米。自由膨胀率42～57%，蒙脱石含量7．24～16．3%，阳离子交换量 CEC(NH+4)183～256mmol/kg。其中在DK2+475～DK4+330段，取土样试验结果如下表:

表2 物理力学性质指标

根据《铁路工程岩土分类标准》(TB10077-2001 J123-2001)中对膨胀土按自由膨胀率FS、蒙脱石含量M、阳离子交换量CEC(NH+4)等膨胀潜势指标分级，判定紫云铁路分布的老黏土属弱膨胀土。

2．3 水文及气象特征

沿线湖塘散布、水系发育。上部地层中的地下水主要是孔隙潜水，水位和水量受大气降水影响。

沿线属亚热带季风区，处在北温带和亚热带过渡地带，夏季炎热多雨，冬季低温少雨，秋温高于春温，春雨多于秋雨，春秋较长，年平均降雨量1213mm。大气急剧影响深度为1．2～1．5m。

3 膨胀土的胀缩机理及其影响因素

3．1 膨胀土的胀缩机理分析

黏性土中细微颗粒间并不直接接触，而是通过各自的水化膜彼此连接。膨胀土中的黏粒主要是蒙脱石、伊利石等强亲水性矿物，当水渗入土体后，极性水分子被吸附在黏土矿物颗粒的周围，形成表面结合水(水化膜)，由于水膜扩散层加厚，使固体颗粒之间的距离增大，从而导致土体积产生膨胀。当介质条件发生改变，使土体中的结合水膜变薄或消失时，粒间距离缩小，从而导致土体积缩小。土颗粒与水溶液发生离子交换作用，容易引起土体颗粒之间的联系被破坏，造成土体强度降低。［1］

综上所述，膨胀土体湿度的变化，引起土颗粒间水化膜厚度变化，导致土体积的胀缩。此即为膨胀土胀缩机理的实质和核心。

3．2 膨胀土胀缩性的影响因素

由以上分析可知，膨胀土的胀缩性与矿物成分、胶粒含量以及吸附的阳离子种类等因素有着直接的关系。土体的矿物成分和大气降雨和蒸发等是膨胀土胀缩性影响的最主要因素。

(1)土体的矿物组成、化学成分及内部结构，均对其胀缩性产生影响。蒙脱石的离子交换量、比表面积均较大，这样极性水分子最容易进入其单位晶层间，形成水膜夹层，产生晶格扩张。由此可知，蒙脱石含量是影响膨胀土胀缩性的主要内在因素。

(2)土体的初始含水量也是其膨胀性的影响因素。试验证明:土体的初始含水量越低，浸水后产生的膨胀量和膨胀力就越大;反之，则越小。

(3)土体的胀缩变形是由于土中湿度状况变化的结果，而促使土的湿度发生改变的气候诸因素，都是造成土体发生体变的诱发因素。

4 整治改良措施

4．1 生石灰对膨胀土的改良机理［2］

石灰是一种较为普遍而又经济的建筑材料，被广泛应用到地基土处理和改良中。将生石灰掺合到膨胀土中后，产生一系列的物理-化学反应，即所谓的灰土作用。即空气和水中溶解的CO2由混合料的孔隙渗入土体，生石灰遇水生成的Ca(OH)2，经过碳酸化作用形成Ca-CO3，而具有较高的强度和水稳性，它对土颗粒的胶结作用使得土的强度得到提高。

CaO+H2O→Ca(OH)2Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

灰土作用的强度是生石灰改良膨胀土的关键所在。大气和雨水中的CO2通过孔隙渗入到土体，经过碳酸化作用形成CaCO3是一个缓慢的过程，故改良土从初始强度到后期强度形成，需要一定的时间:初始强度形成→水稳性提高→灰土强度的延续→后期强度形成。

4．2 石灰对膨胀土的改良效果［3］

4．2．1 石灰对膨胀土胀缩性的改良

将不同配合比的石灰土(生石灰与土的干重比)进行自由膨胀率试验，试验结果见表3和图1。

表3 不同掺灰量石灰土的自由膨胀率

图1 不同配合比灰土的自由膨胀率Fs

试验结果表明，掺入石灰的膨胀土较天然土样的自由膨胀率急剧降低。随石灰含量的增加而减小的趋势是由陡到缓。

4．2．2 灰土强度的提高

对掺入石灰比例为0%、3%、5%、7%、9%、12%、15%的石灰土试样均在含水量为26%左右条件下保水养护3天和28天后，其无侧限抗压强度试验结果如表4和图2:

表4 不同灰土比的无侧限抗压强度

试验结果表明，石灰土的击实样比天然土样的无侧限抗压强提高了2．5～9倍，提高后的强度已能满足铁路路基床基的强度要求。

从图2可以直观地发现，两种情况下，都是掺入石灰量为5%的无侧限抗压强最大，而掺入石灰量为3%、7%、9%、12%、15%的较之均小。这一特点在两种养护方法中均有不同程度的体现。

图2 不同养护时间灰土的无侧限抗压强度

养护时间为3天和28天的强度不同，则反映了灰土从初期强度到后续强度的形成。养护3天时，只是灰土初期强度形成，因而强度较低;而灰土后期强度一般需在3～4周后才能形成，故养护28天后，灰土的强度大幅度提高。

综合考虑掺入生石灰量对膨胀性改善和强度提高的影响，5%～7%的配合比是最佳配合比的参考值。

4．3 改良土施工质量的控制

膨胀土中加入生石灰不仅能显著降低膨胀土的胀缩性，还可以提高膨胀土的强度，增强基床土水稳性。在施工过程中，要严把质量关，严格按配合比进行拌和，将混合料的含水量控制在最优含水量值上下，严格按程序施工。

为保证生石灰与膨胀土拌和的均匀性，改良土拌和前应首先对原填料进行粉碎、清除杂质，测含水量等工作，原填料在路基上摊铺后，各项要求达到后，按5% ～7%的比例掺入石灰粉，用旋耕犁拌和均匀，使混合料色泽一致，没有灰条、灰团和花面，且水分合适均匀，每层压实厚度为30～40cm。每两层结合部位进行拉毛处理，以加强上下层的黏结。

改良土填筑应采用重型机械碾压，碾压到一定程度后，喷水养护，再碾压，同时配合使用核子密度仪、K30载荷板、轻型动力触探等手段检测，直到填土达到最佳密实度的90%以上;对于既有线应分段换填处理，采用小型机械夯实，并且特别注意路肩部分碾压质量。

5 结语

(1)随着铁路运输的发展，新建铁路等级愈来愈高，特殊土路基的勘察、设计、施工应引起足够的重视。

(2)利用生石灰改良膨胀土时，生石灰的最佳掺入量与膨胀土的矿物成分及其含量有关，必须通过试验确定其配合比。改良深度应根据膨胀土的等级及大气影响深度等因素确定，具体情况具体分析。

(3)本文仅就利用生石灰改良膨胀土路基基床进行了粗浅的探讨，在实际工程中，应根据膨胀土的矿物成分、膨胀潜势等级、大气影响深度等因素综合分析，配合使用土工材料，采用综合措施，方能取得较好的效果。

［1］缪林昌．膨胀土的强度与含水量的关系．岩土力学，1999，20(2)．

［2］惠会清．石灰、粉煤灰改良膨胀土性质机理．长安大学学报自然科学版，2006，(2):34-37．

［3］边加敏．石灰改良膨胀土强度试验．长安大学学报自然科学版，2013，(2)．