重载铁路膨胀土路基石灰掺和改性加固及其稳定性研究

摘要：为研究重载铁路膨胀土路基的改性加固技术，提升路堤边坡的稳定性与重载铁路的建设质量，对蒙华铁路三荆段的膨胀土路基加固技术和路堤边坡稳定性进行分析。采用扫描电镜和力学试验，对施工现场采集的膨胀土微观结构、力学参数和膨胀特性进行研究，进而对石灰改性加固膨胀土的基本原理和加固参数开展试验，分析了石灰改性机理。对采用石灰改性加固膨胀土路基试验段开展边坡稳定性分析，结果表明：面-面叠聚体构成的黏土基质对膨胀性有决定性影响，而粒状颗粒增加则造成膨胀性降低，黏土矿物蒙脱石含量与三荆段膨胀土的自由膨胀率正相关。由于石灰掺和改性加固，膨胀土中黏土矿物成分降低，微观结构更加致密，黏粒含量大幅减少，使原状土的膨胀性大幅减弱，其黏聚力、内摩擦角也显著增加。路堤边坡变形稳定性较未改性加固前显著提升。研究成果可为类似膨胀土地区的重载铁路路基施工与铁路运营维护提供参考。

关键词：重载铁路； 膨胀土； 路基加固； 边坡稳定性

中图法分类号：TU443 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.013

文章编号：1006-0081（2024）04-0078-07

0 引 言

重载铁路具有载重量大、运输效率高、经济和社会效益显著等优点，逐渐成为世界各国铁路货运的主要发展方向。随着1992年大秦铁路通车，中國也正式步入重载铁路国家行列，自此中国重载铁路的建设不断铺开。蒙华铁路［1-3］是中国新型重载铁路的代表，沿途经过多座大型水利水电工程。现阶段多数大型水利水电工程需匹配火电厂提供原动力和负荷调节能力，通过水火共济保证电力供应稳定。作为煤炭等关键能源物资的运输通道，蒙华铁路的长期运营安全对保障沿途水利水电设施稳定运行，并保持可靠的供电能力意义重大。然而，由于蒙华铁路横跨7个省区多种地形地貌，所遭遇的地质条件极为复杂危险，尤其是三门峡-荆州段的膨胀土地层对蒙华铁路的长期运营稳定造成较大困扰，故亟需对该段涉及的膨胀土进行改性加固，以保障建设质量和运营安全。

在TB 10625-2017《重载铁路设计规范》中，膨胀土在铁路路基工程中被归为D类填料，不能直接用作路基填筑，需通过一定技术手段对其进行改性加固，进而对路基边坡进行专门设计分析，以保障施工和运营安全。目前，由于工程建设需要，国内外学者［4-8］均开展了关于膨胀土改性加固和边坡稳定性的研究。占世斌等［9］对坝体土进行不同掺灰比情况下的改性土试验，推荐了石灰掺量的膨胀土改性方案。许英姿等［10］采用掺碎石的方式对广西南宁三塘地区的膨胀土进行改良，试验结果也表明这种改性加固方式的有效性。于荣喜［11］对合蚌专线的膨胀土路基加固方式进行了系统研究，并评估了建设过程中的加固效果。李丽华等［12］开展了稻壳灰-矿渣固化膨胀土的力学试验研究，从宏微观角度分析了该改性加固方式的效果。艾密等［13］对包括石灰在内的多种固化剂对膨胀土的改性固化效果进行了研究，并探讨了膨胀土的改性固化机理。唐咸远等［14］、李建东等［15］均对膨胀土的改性固化技术开展了系统研究。考虑到石灰的成本和易获得性等特点，部分学者也开展了关于石灰掺和膨胀土改

性加固的研究。赵红华等［16］对石灰加固膨胀土的机理进行了总结和梳理，明确了石灰加固的机理。王学广等［17］对换填法和石灰桩法加固的边坡稳定性进行比较研究，对石灰桩的加固参数进行研究。王斯海等［18］对工业膨胀土进行了压缩和膨胀率试验，对酸、碱环境下的膨胀土胀缩变形规律进行研究。目前来看，大多数石灰改性膨胀土的研究都集中在公路［14］、普通铁路［11］或边坡加固［4］领域，由于中国缺乏在膨胀土地区修建重载铁路的实践与经验，以往石灰改良膨胀土在普通铁路与高速铁路应用技术，并不能完全照搬到重载铁路路基工程中。

为研究石灰改性膨胀土的力学特性和加固机理，并为重载铁路膨胀土路基加固和维护提供参考，本文依托蒙华铁路三荆段，开展膨胀土路基改性技术与边坡稳定性研究。对石灰改性技术的研究方案进行分析，并对现场监测方案进行介绍。采用现场取样和室内试验，对膨胀土样品的微观结构、膨胀特性等进行研究，为石灰掺和改性提供参考。研究了石灰掺和改性后的样品力学性能，并对掺和机理进行分析。最后，结合现场监测数据和稳定性分析，对未加固中、低膨胀土和改良后的路基边坡稳定性进行计算分析，检验石灰掺和改性的效果。

1 工程概况及研究方案

1.1 工程概况

蒙西至华中铁路全长1 837 km，起自内蒙古自治区浩勒报吉站，止于江西省吉安站，跨越七省区。由于三门峡至荆门段（约211 km）地处北亚热带季风型大陆性气候，形成了大量膨胀土。膨胀土地区普遍存在严重的边坡变形与基床变形，容易导致边坡溜塌、滑坡、线路不均匀下沉等变形病害现象。鉴于此，研究膨胀土的石灰改性技术、力学特性以及加固机理至关重要，通过改良膨胀土路基，可提高铁路的稳定性，降低工程维护成本，确保水力水电工程的可持续运行，从而支持整个区域的基础设施和经济发展。

三荆段DK1044+300～DK1076+050段地处磨旗山和杨家大山间丘间盆地，膨胀土厚度一般不超10 m，此段以中等膨胀土为主，长度约23.05 km，占比72.60%；弱膨胀土长度约8.70 km，占比27.40%。由于膨胀土的工程特性，为防止上拱下沉对重载铁路平顺性及运营安全的影响，需对膨胀土路基进行改性加固，提升工程质量。

1.2 研究方案

本文针对路基正线段的膨胀土路基改性加固技术进行研究，通过采集土样、开展室内试验、现场试验等手段，对路基正线段的膨胀土改性加固技术和边坡稳定性开展研究分析，为类似项目的膨胀土路基掺石灰改性加固提供参考。本文所研究的路基正线段填筑试验段里程为DK1063+800～DK1064+000，全长200 m。故试验段内路基的路堤本体采用3.5%石灰改良土，基床底层采用5%石灰改良土，设DK1063+975断面为监测断面。

本文DK1063+975断面监测布置如图1所示，路基中心与左线基底埋设单点沉降计，右线埋设沉降板，两侧路肩内2 m处埋设沉降监测桩，基床底层右侧边坡与土工格栅上每间隔1.2 m埋设柔性位移计，用于监测路基与边坡变形特征；路基右侧坡脚挡墙内设两组应变传感器用于监测挡墙变形特性。

2 膨胀土特性研究

2.1 微观结构分析

对工段涉及的弱膨胀土和中膨胀土试样开展电镜扫描，对两种膨胀土的微观结构进行分析。结合微观结构分析，探究试验段膨胀土自由膨胀率与黏粒含量的关系，为后续改性加固提供技术支持。从雷家大堰取土点获取的弱膨胀土和从杨河村取土点获取的中膨胀土的SEM扫描结构如图2所示。

由图2可知：弱膨胀土微观结构为粒径堆叠状，微结构单元粒径较大，颗粒形貌以粒状及扁平状为主，可见多处单粒体结构，卷曲片状颗粒少见，结构致密，未见明显的结构裂隙，黏土矿物少且与碎屑矿物结合紧密，水分子难与亲水矿物结合，因而表现为膨胀性质较弱。中膨胀土微观结构主要以粒径堆叠为主，局部为紊流结构，微结构单元粒径大小不一，颗粒形貌以扁平状颗粒聚集体和片状颗粒为主，有弯曲或卷曲状片状颗粒，单粒体多见，结构松散，结构裂隙多处可见，但贯通性不强，黏土矿物含量较高，易与水分子结合，表现为具有明显的胀缩性。研究发现：蒙脱石在微观上形成曲片状面-面叠聚体，其胀缩性较高，伊利石形成的平片状面-面叠聚体胀缩性稍低，所以面-面叠聚体的黏土片形态在一定程度上影響了土的胀缩性。土中不仅要有面-面叠聚体，且这种叠聚体必须大量地以自相集聚的方式构成黏土基质。由于粒状颗粒本身不起胀缩作用，而黏土基质才是发生膨胀的根源，当粒状颗粒含量增多就会明显地使膨胀性降低。

2.2 膨胀特性研究

自由膨胀率是指一定质量的烘干、过筛土颗粒在无结构约束状态下自由吸水的体积膨胀量与原始体积之比，以百分率表示，是反映土的膨胀特性的最直接度量指标之一。本节采用自由膨胀率为试验工点的膨胀特性指标，探究膨胀特性与黏粒含量的关系。结合项目其他试验段的试验数据，进一步探索蒙脱石含量与自由膨胀率的关系，试验数据如图3所示。

根据TB 10077-2019《铁路工程岩土分类标准》、GB 50112-2013《膨胀土地区建筑技术规范》等规定，自由膨胀率在60%～65%以内的属于弱膨胀土，自由膨胀率在60%～90%的属于中膨胀土，自由膨胀率大于90%属于强膨胀土。从图3可知：膨胀土的膨胀性随其黏粒含量增加而明显增强，两者呈正相关，弱膨胀土的黏粒含量仅为24.2%，而中膨胀土中的黏粒含量达到了45%。结合2.1节中关于微观结构对膨胀特性的作用，可以发现蒙脱石含量与自由膨胀率也呈正相关，这验证了蒙脱石形成的面-面堆叠体对黏性基质和膨胀性的重要作用，也为后续改性加固提供指引，即破坏或者减少黏性基质的含量以降低膨胀性。

2.3 力学参数

为充分了解试验段膨胀土的抗剪强度特性，本次试验共开展了9组残余剪切强度试验，9组不排水不固结三轴剪切试验（UU）以及109组直接剪切（快剪）试验。试验数据如表1所示。

从表1可知：试验段弱膨胀土室内直剪强度黏聚力在24.0～74.0 kPa，平均值为40.38kPa，内摩擦角在8.2°～22.6°，平均值为16.16°；中膨胀土在21.0～101.0 kPa，平均值为49.21 kPa，内摩擦角在8.5°～30.2°，平均值为17.71°。由此可见，随着膨胀土的黏聚力随其膨胀性的增强而增大，而内摩擦角相差不大。因此可以说明，试验段膨胀土的坚硬程度为中膨胀土大于弱膨胀土。

3 石灰掺和改性加固

3.1 加固机理

石灰改良膨胀土的主要机理主要分为离子交换作用、固化作用、凝胶作用和结晶作用4个部分。离子交换作用指在土中水作用下，生石灰迅速消解，Ca2+、Mg2+置换膨胀土颗粒所吸附的K+、Na+等离子，降低了土样结合水的成分，使膨胀土的分散性、坍塌性、亲水性和膨胀性降低，形成早期强度；固化作用指石灰遇水反应生成CaCO3和MgCO3坚硬的固体颗粒，具有较高的强度和水稳定性，由于CaCO3对土体的胶结作用使得土体形成石灰稳定土；凝胶作用指膨胀土中的硅胶、铝胶与石灰进一步反应形成含水硅酸钙、铝酸钙，这两种凝胶能够在水环境下发生硬化，在膨胀土的黏粒外围形成稳定的保护膜，黏结力较强，形成网状结构，使石灰改良土强度增长，并保持长期稳定。结晶作用指石灰掺入膨胀土中后，溶解度小，除了离子交换和碳酸化作用外，绝大部分以氢氧化钙结晶水的形式析出，进一步提高了膨胀土的强度和水稳定性。

3.2 黏粒含量变化

从上文可知，膨胀土的黏粒含量与其膨胀性指标自由膨胀率呈正相关。为研究石灰掺和改性加固膨胀土的实际效果，本节对2%、3%、4%、5%、6%的5种掺入比的生石灰、熟石灰改良土进行了颗粒分析试验，所得结果如图4所示。从图4中可知：

（1） 由于石灰的化学反应及凝胶作用，改良土的黏粒含量明显降低，粉粒及砂粒含量也都有不同程度地提高，且膨胀趋势越大，石灰改良的效果越明显，具体而言，弱膨胀土的黏粒含量下降12.4%～23.8%，粉粒含量上升4.2%～8.4%，砂粒含量上升7.2%～15.0%，中膨胀土的黏粒含量下降28.8%～37.1%，粉粒含量上升16%～28%，砂粒含量上升9.7%～12.1%。

（2） 生石灰及熟石灰对于膨胀土内的颗粒粒径改变无明显区别，随掺灰率的增加，膨胀土颗粒级配变化逐渐变缓，当掺灰率达到5%后，膨胀颗粒粒径趋于稳定。

可见石灰改性使膨胀土的黏粒、粉粒和砂粒组分产生了显著变化，并进一步改变了土体的微观结构与力学性质。黏粒含量的降低，可有效抑制了土体的膨胀与收缩能力，提高了土壤的稳定性。与此同时，粉粒含量的增加填补了土壤的颗粒间的微小空隙，可有效提升土体的抗压抗剪性能，增加铁道基础稳定。此外，砂粒含量的上升有助于提高土壤的排水性能，减少土壤的孔隙压力，改善土壤的抗渗透性，可有效抵御水利水电工程周边富水环境引起的铁道基础变形。因此，石灰改性能有效的保障膨胀土的力学性质和工程性质，为能源运输铁路及其相关水利水电工程长久稳定运行提供了重要支撑。

3.3 力学性质

研究石灰改良土掺灰率与其抗剪强度的关系，制作了2%、3%、4%、5%、6%掺灰率的改良土试样，在室内开展了快速剪切试验，统计试验结果如图5所示，从图5可知：石灰能大幅增强膨胀土的抗剪强度，主要表现在黏聚力的大幅增加以及内摩擦角的少量提高。具体而言，改良后弱膨胀土的黏聚力增加31.3～66.2 kPa，内摩擦角增加到4°～9°，中膨胀土的黏聚力增加30.7～74 kPa，内摩擦角增加7°～21°。生石灰改良效果较熟石灰要更好，且土体膨胀性越强，石灰改良的效果越好，黏聚力和内摩擦角在掺灰率为5%左右时存在明显拐点，到达拐点后，强度增加缓慢，甚至不变，路堤改良强度设计要求250 kPa，基床底层改良强度设计要求为350 kPa，从室内试验的情况来看，改良土在掺灰3%的情况下均能满足这一要求。从强度随掺灰率的试验可知，石灰发挥最大效益的掺灰比为5%左右。因此从强度因素考虑，三荆段DK1044+300～DK1076+050段膨胀土改良的石灰掺入量不宜小于3%，故试验段内路基的路堤本体采用3.5%石灰改良土，基床底层采用5%石灰改良土。

上述数据表明，石灰改性对膨胀土的力学性能影响显著，主要表现为黏聚力和内摩擦角的变化。其中，黏聚力的增加表明土壤颗粒之间的黏着性增强，这有助于提高土壤的整体黏结性和稳定性。而内摩擦角的增加意味着土壤颗粒之间的咬合效应有所提升，土体抗剪能力显著增强，使土壤能承受更高的外部荷载和剪切力的作用。这些结果表明，石灰改性策略对土壤微观结构和颗粒间相互作用的改善作用明显。改性后的土壤更有利于铁道基础长期运行稳定，从而保障工程项目运行的稳定性和可靠性。

4 改性膨胀土路基稳定性分析

4.1 监测数据

为研究堆填改性膨胀土后的路基边坡稳定性，本节对DK1063+975监测断面边坡变形量和挡墙位移监测数据进行分析，所得的变形量和挡墙变形数据如图6所示。从图6中5处柔性位移计的监测成果可以发现，距路基面越远，边坡的变形越大，具体而言，路肩下6 m边坡稳定变形幅值为1.45 mm，路肩下4.8 m处填筑完成后边坡变形稳定值分别为0.81 mm，路肩下3.6 m处填筑完成后边坡变形稳定值分别为0.552 mm，路肩下2.4 m处填筑完成后边坡变形稳定值分别为0.33 mm。边坡变形主要发生在填筑完成后的30～60 d内，不同深度的路基边坡，变形稳定的时间也各不相同，深度越大，变形稳定时间越长。整体而言，路堤边坡的变形幅值不超过1.55 m，且边坡受雨水冲刷下渗严重，但其变形未出现明显波动起伏。因此可认为，膨胀土石灰改良填筑路堤边坡稳定性较强，未发现明显胀缩变形，石灰改良土填筑路堤的边坡膨胀性基本消除。

4.2 计算模型

为研究采用不同填料填筑时膨胀土路堤边坡的合理坡率，选取了弱膨胀土、中膨胀土、改良土3种填料，边坡坡率分别为1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0时，采用rocscience软件，分别采用极限平衡法、强度折减法，研究了大气影响范围达到0，1，2，3 m和4 m条件下路堤边坡的稳定特性，计算模型如图7所示。

路堤边坡分析时，考虑膨胀土受外界影响条件下的强度参数降低，对于大气影响带深度范围内采用干湿循环后的残余抗剪强度指标，大气影响带深度范围之外（即路堤内部）采用干湿循环前的峰值强度指标，结合试验结果分别确定了基床以下路堤范围采用弱膨胀土、中膨胀土、改良土（掺3.5%石灰）填筑（压实度K=0.90）的力学指标，如表2所示。

4.3 計算结果

弱膨胀土、中膨胀土、改良土3种填料类型，边坡坡率1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0时，大气影响范围分别达到0，1，2，3 m和4 m条件下路堤边坡的稳定安全系数统计详见表3。分析表明：① 在填料相同的条件下，边坡坡率越陡边坡稳定安全系数越低，大气影响范围越大边坡安全系数越低。② 采用中膨胀土直接填筑边坡坡率1∶2.0条件下大气影响深度达到3 m时，以及采用弱膨胀土直接填筑边坡坡率1∶1.75 条件下大气影响深度达到3 m时，边坡稳定系数将不足，由于工程中常采用这2种形式的坡率进行填筑，这也基本验证了膨胀土直接填筑路堤边坡受大气急剧影响的深度为2～3 m。③ 采用改良土填筑后，受坡体强度增加影响，边坡稳定性明显增强，改良土路堤边坡稳定性良好。

5 结 论

本文研究重载铁路膨胀土路基的改性加固技术，提升路堤边坡的稳定性，并采用了现场监测、室内试验和数值模拟等多种手段，主要结论如下。

（1） 室内试验表明，膨胀土的膨胀特性指标自由膨胀率主要与其黏粒含量有关，并受到微观的面-面叠聚体影响，贡献面-面叠聚体的蒙脱石含量可有效反映膨胀性。

（2） 室内试验表明，中、低膨胀性膨胀土的黏聚力和内摩擦角等力学参数的均值差异不大。

（3） 生、熟石灰掺和均可通过减少黏粒含量降低膨胀土的膨胀性，掺和生熟石灰改性效果差异不大，当掺灰率达到5%后，黏粒含量趋于稳定，掺和石灰后可以有效提升膨胀土的黏聚力和内摩擦角，且提升效果与掺和量成正相关。

（4） 膨胀土边坡的稳定性系数与膨胀土的膨胀性强弱、坡度、大气影响带范围相关性较大。采用改良土填筑后，边坡稳定性有明显增强且稳定性系数大于1.5，改良土路堤边坡稳定性良好。

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（编辑：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：中国铁建股份有限公司科技研发计划项目“数字化融合勘察设计一体化成套技术研究与应用”（2022-A02）

作者简介：黄启友，男，工程师，主要从事铁路工程路基设计及研究工作。E-mail：604580822@qq.com