第一章   绪论

1.1 课题背景

2015年6月开工建设的浩吉铁路按国铁Ⅰ级铁路标准、行车速度120km/h建设，其中三门峡至襄阳段占线路总长约45.5%，该段途径河南南阳地区，膨胀土分布广泛，其中DK916+000～DK1034+000段约120km范围内无优质填料可取，不可避免需要利用膨胀土作为路基填料。一直以来在我国重载铁路建设中还没有利用膨胀土或者膨胀改良土作为路基填料的实践和经验，因此，如何处理好膨胀土的问题成为了确保浩吉铁路三荆段建设质量的关键因素。

1.2 研究现状

膨胀土在全世界范围内分布广泛，目前已经发现的国家和地区多达40多个，在我国分布的区域主要包括：湖北、湖南、河南、云南、四川、安徽、甘肃等十多个省份。

上个世纪修建成渝铁路工程的过程中，我国首次遇到了膨胀土胀缩带来的质量问题，后来国家组织专人对全国的膨胀土开展了大规模的调查，建立了一整套的研究体系，取得了比较显著的研究成果，并由住房和城乡建设部发布了《膨胀土地区建筑技术规范》，用于指导膨胀土地区建设施工。

目前国内对于膨胀土的研究主要有两个方面：膨胀土的性质和膨胀土的改良方法。各个建设部门对膨胀土及其改良土进行了大量的、系统的室内试验研究。近些年铁四院李庆鸿教授和其团队致力于研究膨胀土改良研究，并结合南浔、合宁等大型铁路项目，先后完成了关于膨胀土方面18项重点攻关课题的研究。李教授编撰的《新建时速200公里铁路改良膨胀土路基施工技术》一书，至今在膨胀土地区重载铁路建设中有非常重要的指导价值。

第二章  膨胀土及其改良土的简介

2.1 膨胀土的定义、判定及分类

2.1.1定义 

膨胀土是一种具有吸水膨胀和失水收缩，并能产生往复胀缩变形的高液限黏性土。其内部结构多为钙质或铁锰质结构，外表一般呈棕、黄、褐色及灰白色。 

2.1.2  判定及分类

膨胀土的判定方法应该按照初判和详判两步进行:

初判应该根据地貌特征、土的颜色、结构、土质性状、自然地质现象和土的自由膨胀率等特征综合判定；膨胀土的详判应采用自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量三项指标，具体分级见表2-1。

表2-1膨胀土的膨胀潜势分级

注：当有两项及以上指标符合时，即判定为该等级。

2.2 膨胀改良土的定义及作用机理

2.2.1定义 

改良土是通过在土中加入砂、砾石、碎石或者石灰、水泥、粉煤灰等物理或化学材料以改善其工程特性的混合料。

2.2.2作用机理

1、离子交换作用

改良剂内的阳离子与土壤颗粒表面的例子如：Na⁺、K⁺、H⁺等发生交换作用，使土壤颗粒中带电双层变薄，土颗粒之间结合力增强，强度提高。

2、硬凝反应

化学改良剂本身就具有凝结硬化的特点，掺入到土壤中之后其本身硬化产生的钙质硬化物与土壤中存在的二氧化硅、三氧化二铝再一次发生硬化反应，形成更加紧密的结构，使改良土体的强度得以提升。

3、碳酸化作用

化学改良剂中的钙质氧化物与空气中的二氧化碳发生钙化反应，生成碳酸钙使土体硬化，起到固化土体的作用。

第三章  水泥改良土室内试验

3.1试验用原材料

试验所选用的水泥是河南省邓州中联水泥厂（联采）生产的P.O42.5级普通硅酸盐水泥，所取原状土为大山寨1#土样，测定自由膨胀率为62%，按自由膨胀率这一项指标判定属于中膨胀土。

3.2试验方案

本次室内试验均按照《铁路工程土工试验规程》（TB10102-2023）进行，采用2%、3%、4%、5%、6%五种不同的水泥掺量分别进行自由膨胀率试验和7d无侧限抗压强度试验，通过试验得到不同水泥掺量的膨胀土改良前后的各项指标值，汇总分析找出其主要性质指标的变化规律。

3.2.1自由膨胀率试验

3.2.1.1仪器设备

50ml量筒，电子天平，自由膨胀率测定仪，土壤筛，电热鼓风干燥箱，干燥器等。

3.2.1.2试验步骤

1、取风干土样约100g，过0.05mm筛，取筛下土样至于烘箱中烘干8-12h后置于干燥器内干燥备用；

2、使用自由膨胀率测定装置称取两份干燥好的土样10g，精确至0.01g；

3、将土样加入到量筒中，先加30ml水进行搅拌，然后一次加至50ml刻度线静置；

4、每间隔2h读一次量筒土面读数，直到两次读数之差小于0.2ml为止，该值即为最终读数V₁。

自由膨胀率按下式计算：

F_S=（V₁-V₀）/100×V₀

试验结果分为原状土样以及掺水泥改良之后的土样，结果汇总见表3-1：

表3-1原状土及改良土自由膨胀率试验结果

为了更加直观的表现出膨胀土自由膨胀率指标随着水泥掺量变化的规律和趋势，其趋势变化曲线如图3-1：

图3-1自由膨胀率随水泥掺量变化曲线

通过试验结果和变化曲线可以看出，素土的自由膨胀率为62%-70%，而掺加水泥改良后，自由膨胀率明显下降，当水泥掺量达到3.5%以上时，自由膨胀率已经低于弱膨胀土最低值40%，膨胀土的膨胀性得到了很好抑制，而当水泥掺量超过3.5%继续增加时随着水泥掺量的增加，改良土的自由膨胀率变化趋势逐渐变缓。

3.2.2 无侧限抗压强度试验

3.2.2.1仪器设备

液压万能材料试验机（量程100KN），无侧限抗压试模（50mm×50mm），电子天平，土壤筛，恒温恒湿养护箱，电热鼓风干燥箱等。

3.2.2.2试验步骤

1、混合料的最大干密度和最佳含水量按照击实试验选用，试件成型前材料焖料24h；

2、每组不同水泥掺量的试件应不少于6个，试验用料通过计算后可以一次称取；

3、试件成型前1h，将水泥掺入土样中充分拌合均匀，再静置1h；

4、取静置后混合料分2-3次装入无侧限抗压强度试模，然后采用万能试验机进行静压成型，注意静压过程中土样完全压入试模后要稳压1min；

5、取成型好的试件放置于电动脱模器上进行脱模，脱模后置于电子天平上称量，然后立即放入密封的恒温恒湿养护箱中进行养护7d，养护期间应始终保持试件外有一层不透水的塑料薄膜包裹；

6、试件养护到最后一天时，取出再次称量。如果试件需要浸水，应先将其放入水中浸泡24h，保持液面高于试件2-5cm。取出试件用柔软抹布擦净试件表面余水后称量质量。养护期间质量损失应该按照下列规定执行：50mm×50mm的试件不得超过1g，超过此规定的试件应予作废；

7、取养护完成的试件，采用游标卡尺测量其高度，然后将试件放置于万能材料试验机上进行抗压试验，记录试件破坏时的最大压力值；

8、从破碎试件中取代表性土样两份测定其含水率，无侧限抗压强度试验结果汇总见表3-2：

表3-2原状土及改良土无侧限抗压强度试验结果

注：崩解是膨胀土的一种工程特性，就是土体浸水后发生体积膨胀，土体破坏的一种现象。

为了更加直观的表现出膨胀土7d无侧限抗压强度指标随着水泥掺量变化的规律和趋势，其趋势变化曲线如图3-2：

图3-2无侧限抗压强度随水泥掺量变化曲线

通过试验结果和变化曲线可以看出，未掺加水泥改良的膨胀土浸水后马上发生崩解，水泥掺量为2%的改良土同样发生浸水崩解，当掺量增加到3%时，水泥改良膨胀土未出现崩解，并且强度达到1.6MPa，改良土的崩解特性得到明显改变，随着水泥掺量逐渐增加，水泥改良土的7d无侧限抗压强度呈现线性增长。

第四章  结语

4.1主要结论

本试验采用新建浩吉铁路南阳地区中膨胀土为原状土，对其水泥改良前后做了一系列室内试验研究。试验结果汇总后得到掺水泥改良前后膨胀土的指标变化如下表4-1，表中所列指标分别为：自由膨胀率F_S（%）、7d无侧限抗压强度（MPa）：

表4-1水泥改良土室内试验各项指标汇总

由表4-1可以得到以下结论：

1）从总体来看，膨胀土掺入水泥改良后，其基本的工程特性都得到了较大的改善，自由膨胀率呈线性下降态势，而无侧限抗压强度得到了根本性的转变，从崩解无强度到满足设计要求而且具有较大的富余系数，这充分表明水泥对于膨胀土改良的有效性是显著的，可以应用于实际施工现场；

2）自由膨胀率在水泥掺量超过3.5%时下降幅度变缓，说明此时膨胀土的胀缩率已经接近饱和，后续持续增加水泥掺量非但不会显著改变胀缩特性反而会增加工程成本，所以实际施工中选取一个比较合理的水泥掺量尤为重要；

3）通过崩解试验可以看出，在膨胀土属于中膨胀时，水泥掺量低于2%起不到任何改良效果，因为土体的强度为零。而后随着水泥掺量的增加，7d无侧限抗压强度呈现线性增长趋势，在水泥掺量2%-4%区间范围内涨幅尤为明显，综合各方面因素考虑，3.5%的水泥掺量比较合理。

4.2进一步研究的建议

由于作者水平有限,工作经验不足,再加上试验条件和时间有限,文中有些内容及观点还不够深入和全面,仍有待于进一步研究。

1.对改良膨胀土中改良剂的类别没有进行过多的比较和取舍，比如增加石灰或者粉煤灰等改良剂，通过试验比对结果，找出最佳改良效果，在以后的研究中可以多尝试更多品种的改良剂。

2.本试验制备试样过程中采用的是湿法制样，还可以采用干法制样，不同的掺灰方式是否会对最终试验结果产生不同的影响，还有待于进一步研究考证。

3.本试验仅仅从少数几个指标对水泥改良膨胀土做了研究，全面性不够，要想更加深入了解改良膨胀土的原理，需要进一步增加试验项目，比如固结试验、胀缩性试验、动载试验等。

4.由于施工现场膨胀土的多变性和复杂性，要想真正将室内研究成果应用于实际，后续必须进行试验段的施工工艺和现场控制研究。

参考文献

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