生石灰改良膨胀土路基的应用效果探讨

朱宏涛

中铁十八局集团第三工程有限公司 河北 涿州 072750

在经济社会快速发展的时代，我国也在基础建设工程中遭遇了越来越多膨胀土危害的影响。为尽量规避膨胀土对铁路路基工程的不利影响，同时考虑到工程施工的便利性与经济性，国内外通常选择用生石灰对膨胀土性质进行改良，进而得到满足要求的路基土。因此，探究生石灰改良膨胀土在铁路路基中的应用对当今铁路基础工程的发展意义重大[1]。

19世纪初，工程师与研究人员逐步认识到膨胀土对工程项目的危害，而后有关膨胀土规范的条则被逐步列入相关规范。

20世纪50年代，我国首次在铁路修建过程中遭受膨胀土的危害，而后越来越多的科学家、研究者从各种角度对膨胀土的工程影响展开了研究。

秦朝辉[2]以某铁路工程项目为研究背景，对原状膨胀土的各种性质进行试验研究，探究了其强度、变形及力学特性与环境、时间和工程特点等因素的关系。

张鲁军[3]通过分析我国西南部某膨胀土铁路路段的生石灰改良土特性，提出铁路路段路基土的改良方案，为该工程建设提供了一定的依据。

谭松林等[4]进一步试验研究了生石灰改良膨胀土的膨胀率、塑性指数和相关强度等性质，为国内许多类似工程提供了大量可靠的数据参考。

目前，大多数研究[5]仅针对膨胀土本身对铁路路基的危害影响，对生石灰改良膨胀土的各种指标是否满足工程规范要求的相关研究则相对缺乏。本文以我国西南部地区某铁路路基工程某膨胀土路段的生石灰改良为背景，设计室内击实试验、加州承载比试验及胀缩性试验，得到其在相应条件下的最佳含水率、最大干密度、承载比RCB值和膨胀量，进而对生石灰在铁路地基膨胀土中的改良效果进行评估，希望能为我国铁路路基工程的安全建设提供一定的帮助。

1 工程概况与试验设计

1.1 工程概况

本次试验工程背景为我国西南地区某铁路通道骨干线路某路段，该设计路段全长逾270 km。所处地区地貌单元复杂，横跨高原、盆地及其过渡区山地，其中某盆地区内沿线分布大量膨胀土路段。膨胀土性质较为特殊，对铁路环境的湿度、温度、压力等因素反应敏感，环境因素改变时极易产生吸水膨胀、风化干裂和卸荷张裂等不良现象，因而会对铁道路基造成极大危害。

1.2 试验设计

为探究生石灰改良膨胀土在铁路路基中的应用效果，设计了室内击实试验、加州承载比试验及胀缩性试验。试验相关要点及重要环节如下所述，详细步骤参考相关试验标准[6-7]。

1）生石灰改良膨胀土室内击实试验：采用干法击实，取原状土除杂后与三级及以上石灰，按生石灰∶干土=5∶100的配比（每100 g干土加5 g石灰）进行均匀混合；而后制取5个不同含水率的试样500 g（17%～18%、19%～20%、21%～22%、23%～24%、25%～26%，试样编号为A-1—A-5），并使其湿润均匀；置于击实筒内后，按照试验规定进行击实（击实锤重 4.5 kg，落距45 cm，分5层击实，每层击数27次）；不同含水率击实试验完成后，取2个试样中心样品并测定其含水率。

2）生石灰改良膨胀土加州承载比试验：将原状土去杂加石灰（以上配比）处理后，按上步击实试验所得最佳含水率配方制备加州承载比试件，通过设置不同的击实次数（30、50、98次，试样编号B-1—B-3）来控制试样在不同的干密度条件下RCB值的变化，并进行贯入试验（45 N荷载、1.00～1.25 mm/min贯入速度），实时记录各个百分表读数，进而算出RCB值。

3）生石灰改良膨胀土胀缩性试验：将原状土去杂加石灰（以上配比）处理后，以上步击实试验所得最佳含水率配方按照重型击实方法制样（击实次数30、50、98次，试样编号C-1—C-3），进而进行膨胀试验，注意控制槽内水应高于试件顶面大约25 mm，浸泡时间为4 d，并读取记录对应试样的初始值与终值，而后计算出膨胀量。

2 试验结果分析

为探究生石灰改良膨胀土在环境因素变化下对铁路路基的影响，设置以上试验测定生石灰改良膨胀土的相关参数数据并通过数据处理得到相关评价指标，与相关工程规范对比来验证铁路地基是否满足工程标准要求。本文引入最佳含水率、最大干密度、加州承载比RCB值和膨胀量作为评价指标来体现生石灰改良膨胀土的应用效果，其相关分析如下。

2.1 生石灰改良膨胀土的最大干密度与最优含水率

在铁路路基工程的建设过程中，路基的承载力和强度是否达标是至关重要的一环。为验证经生石灰改良后的膨胀土能否满足强度和承载力要求，通常我们将最优含水率时的最大干密度作为一个中间指标，结合相关公路土工试验规程来进行初步评判。在进行的干法击实试验中，通过预定的几组不同含水率的试样来探究其最优含水率下的最大干密度（图1）。图1中的最终试验数据显示：在含水率从17.2%升至21.3%这个阶段，干密度与含水率基本呈正相关关系，且干密度逐渐增大至1.65 g/cm3；而随着含水率的继续增大，干密度则呈逐渐减小的趋势，直至含水率达到26.1%时，干密度降至1.57 g/cm3。

图1 生石灰改良膨胀土含水率与干密度关系曲线

分析含水率与干密度的变化规律，其内因在于：在含水率到达最优含水率之前，土颗粒间隙随着含水率的增加（有润滑作用）而减小，因而干密度逐渐增大；而当含水率超过最优含水率之后，过多的水充斥在土颗粒间隙之间，因而干密度逐渐减小。

2.2 生石灰改良膨胀土的加州承载比

加州承载比试验作为发达国家认可度较高的一种评价土基承载力的强度指标[8]，是生石灰改良膨胀土综合质量评价的一个关键指标（图2）。

图2 不同击实次数下单位压力与贯入量关系曲线

由图2可知，在3种不同击实试验的条件下（每层30、50、98次），单位压力对贯入量的影响规律大致相同：随着单位压力的逐步提升，贯入量也相应增大，且单位压力越高，贯入量的提升趋势也越来越快。在3组不同试验条件下，当选定贯入量为2.5 mm时，其对应的RCB值为7.8%、10.5%、11.7%；而当选定贯入量为5.0 mm时，其对应的RCB值为7.0%、10.2%、10.8%。

在3组不同试验条件下，RCB值随干密度的变化关系曲线（图3）中，无论贯入量是2.5 mm还是5.0 mm，对应的RCB值都随击实次数的增加而增大，同时，同情况下贯入量2.5 mm对应的RCB值始终大于贯入量5.0 mm的RCB值。参考相应土基规范，3种情况下的RCB值均满足路基填土的基本标准。

2.3 生石灰改良膨胀土的胀缩性

膨胀土会受路基周围环境的影响，吸水膨胀而使土的体积大幅增大，进而影响地基的承载能力；而周围环境水分减少时土体会发生收缩，很可能造成承载力丧失等严重的工程质量问题[9]。因此，对于生石灰改良膨胀土的质量，膨胀性指数是尤为重要的指标。

根据膨胀试验数据（表1），用相关的计算公式算出膨胀量分别为3.28%、2.78%、1.81%，进而做出图4膨胀量随干密度的变化关系曲线。

表1 膨胀试验数据

图3 承载比（RCB值）在不同击实次数下随干密度的变化关系

图4 膨胀量随干密度的变化关系曲线

结合表1与图4可以得知，击实次数的增加可使生石灰改良膨胀土更加密实，干密度更大，但随着干密度增大，试样在泡水后膨胀的程度也越大。从图4中的折线看出，干密度与膨胀量的关系基本呈线性增加趋势。

3 结语

通过室内击实试验、加州承载比试验及胀缩性试验，得到生石灰改良膨胀土在相应条件下的最佳含水率、最大干密度、RCB值和膨胀量，深入探讨了生石灰改良膨胀土的可行性与工程应用情况，并得出以下结论：

1）在超过最优含水率之后，随着含水率的继续增加，干密度呈减小趋势。总体上，含水率与干密度的变化关系曲线呈抛物线形。

2）单位压力对贯入量的影响规律均为随单位压力增加，贯入量呈加速度增加的趋势。而击实次数越多，改良的膨胀土干密度越大。

3）在生石灰改良膨胀土的膨胀性试验中，生石灰改良膨胀土的膨胀量均较低，且随着每层击实次数（30、50、98次）的增加，其干密度在随之增大的同时，试样吸水膨胀的程度也呈线性趋势逐步增加。