遼長鐵路膨脹土路塹試驗研究

孫明祥 溫鵬 錢洪光

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司(吉林公司),吉林吉林 132001)

新建遼源至長春鐵路位于吉林省境內(nèi)長春市的雙陽區(qū)、四平市的伊通縣、遼源市的東遼縣,全長約97 km。本文研究的是DK43+200～DK44+150路塹段。該段路塹為沖積平原地貌,地勢較平坦,表覆第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl),第四系孔隙潛水埋深12～14 m,為膨脹土路塹[1]。膨脹土是一種特殊土,是黏粒成分主要由親水性礦物組成,同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的黏性土[2]。膨脹土這種特殊性質(zhì),是當(dāng)今巖土工程領(lǐng)域中最復(fù)雜的課題之一,在各種勘察、設(shè)計中,膨脹土的問題都是重中之重。近年來,有關(guān)膨脹土的建筑工程、路基工程和線路邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生了嚴重的工程病害,可以說“逢塹必滑,有堤必坍”,人們稱它為“工程中的癌癥”[3]。因此,膨脹土治理倍受重視,引起了人們對膨脹土變形特性的關(guān)注。

影響膨脹土脹縮的因素很多,總的說來可分為內(nèi)因和外因兩個方面[4,5]。內(nèi)因:如礦物成分、顆粒成分、天然含水量、密實程度、結(jié)構(gòu)特征等;外因:如氣候、降雨量、水文工程地質(zhì)條件及外部壓力等。而內(nèi)、外因的結(jié)合所反映的結(jié)果表現(xiàn)在土的脹縮性、水理性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)等指標上。由于實驗條件有限,本文對膨脹土的研究只考慮內(nèi)因(結(jié)構(gòu)性和初始物理狀態(tài)[6])對其脹縮能力的影響。

土的結(jié)構(gòu)性是指土中顆?；蛲令w粒集合體以及它們之間的孔隙的大小、形狀、排列組合及聯(lián)結(jié)等綜合特征。因此,土的結(jié)構(gòu)性除了應(yīng)包括土的骨架和孔隙的幾何特征(即土顆粒和孔隙的大小、多少、形狀和分布等)外,從土力學(xué)的角度考慮,還應(yīng)包括顆粒之間的聯(lián)結(jié)特征。如果將孔隙看作是反映顆粒排列的一個方面,那么土的結(jié)構(gòu)性就應(yīng)該包括土中顆粒的排列特征(幾何特征)和聯(lián)結(jié)特征(力學(xué)特征)[7]。土的結(jié)構(gòu)性是影響土力學(xué)特性諸要素中一個最為重要和本質(zhì)的因素。謝定義等人沿著土力學(xué)研究的思路,對土的結(jié)構(gòu)性進行了深入研究,直接以側(cè)限壓縮試驗測定了土結(jié)構(gòu)性定量化參數(shù)——綜合結(jié)構(gòu)勢的方法[8],利用擾動、加荷和浸水方式可以使土的結(jié)構(gòu)勢充分釋放出來。擾動能破壞土的聯(lián)結(jié)作用,使土顆粒之間的聯(lián)結(jié)強度降低;加荷既能改變土顆粒的排列方式,又可改變土顆粒的聯(lián)結(jié)特征;浸水既可以使土中的化學(xué)物質(zhì)弱化、溶解、吸力聯(lián)結(jié)喪失,水膜的楔入作用又可使土所固有的漲縮勢釋放出來,構(gòu)造了能同時反映土的排列特征和聯(lián)結(jié)特征的土結(jié)構(gòu)性定量參數(shù)

式中,S0,Ss和Sr分別為原狀樣、飽和樣和重塑樣在某一壓力P的變形量:m1表示土的可變性;m2表示土的可穩(wěn)性。土的聯(lián)結(jié)越強,重塑樣在力學(xué)作用下的變形也越大,即m2越小;土的排列越不穩(wěn)定,浸水后發(fā)生的變形也越大,即m1越大。式(1)表示的結(jié)構(gòu)性參數(shù)可以反映應(yīng)力影響的動態(tài)過程。

1 實驗方法

研究試樣是遼源至長春鐵路新建工程DK43+200～DK44+150路塹段,取樣地點是DK43+509,取樣深度分別為 2、4、6、8、10、12 m,每個深度下取雙樣 。利用WG型單杠桿固結(jié)儀(如圖1)做側(cè)限壓縮試驗[9];并對各深度試樣做膨脹性試驗[9],實驗儀器如圖2～圖4。此次土樣均為粉質(zhì)黏土,黃褐色,含銅黃色斑點、鐵錳質(zhì)結(jié)核,局部含高嶺土條紋,土質(zhì)均勻,可見針狀孔隙。

圖1 側(cè)限壓縮試驗

2.1 膨脹性試驗

經(jīng)室內(nèi)土常規(guī)試驗和膨脹性試驗,可得試樣的物理力學(xué)性質(zhì)指標如表1。

圖2 陽離子交換量試驗

圖3 蒙脫石含量試驗

圖4 自由膨脹試驗

表1 膨脹性試驗成果

根據(jù)表1結(jié)合鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[10]可知,各深度試樣大多為弱膨脹土,并且由膨脹潛勢分級指標可知,隨著深度的增加其試樣膨脹能力逐漸增強;結(jié)合試樣的初始物理狀態(tài),可以發(fā)現(xiàn):隨著深度變化,試樣的含水量逐漸變小,密度逐漸變大,孔隙比逐漸變小;這說明試樣的膨脹能力與初始物理狀態(tài)的含水量、密度,孔隙比有著密切的關(guān)系,即試樣的膨脹能力隨著密度的降低而增小,隨含水量和孔隙比的減小而增大。

1.2 側(cè)限壓縮試驗

本次側(cè)限壓縮試驗試樣尺寸為 Φ61.8 mm ×20 mm,原狀土利用環(huán)刀制作,重塑土采用制備原狀樣后所用的擾動土,在控制和原狀樣相同的密度和含水量的條件下,通過靜壓法制備,飽和樣通過裝備上原樣后注水來實現(xiàn)。根據(jù)應(yīng)變綜合結(jié)構(gòu)勢(結(jié)構(gòu)性參數(shù))計算公式(1),對于各個深度膨脹試樣在不同的加載應(yīng)力情況下的結(jié)構(gòu)性參數(shù)進行計算,應(yīng)力綜合結(jié)構(gòu)勢與加載應(yīng)力的變化曲線見圖5。綜合結(jié)構(gòu)勢mP的下標P表示土的結(jié)構(gòu)性在受力變形過程中隨加載應(yīng)力P的大小而變化。

圖5 mP與P的關(guān)系曲線

由圖5知,膨脹試樣的綜合結(jié)構(gòu)勢隨應(yīng)力主要表現(xiàn)為先下降后平緩的曲線類型,并且在應(yīng)力50 k Pa(含)之前都達到曲線的最小值,即在很小的壓力下,可以達到綜合結(jié)構(gòu)勢的最低點,并且在達到最低點過程中,曲線呈負相關(guān)性逐漸減小。

為了更好地分析試樣結(jié)構(gòu)性對其膨脹能力的影響,將圖5中的各曲線整合到一張圖中(如圖6)。

圖6 不同深度下結(jié)構(gòu)性參數(shù)與壓力關(guān)系曲線

由圖6可以發(fā)現(xiàn):

(1)各個深度下結(jié)構(gòu)性參數(shù)曲線變化趨勢大致相同,隨著深度的增加,其綜合結(jié)構(gòu)勢逐漸減小,說明了垂直方向上的變異性,也體現(xiàn)了土體在外界因素作用下(應(yīng)力)的結(jié)構(gòu)性變化越來越小,土體越來越穩(wěn)定;綜合結(jié)構(gòu)勢到了高壓階段最終都趨于一個穩(wěn)定值。

(2)對于先下降后平緩這種曲線類型可以這樣理解:試驗加載壓力未達到結(jié)構(gòu)屈服壓力以前,所加載的壓力使得綜合結(jié)構(gòu)勢增大,并到達一個最低點(結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定點),也就是說土體結(jié)構(gòu)勢在一定程度上得到了增強而沒有釋放,反映了結(jié)構(gòu)的調(diào)整與壓密效果。這種調(diào)整和壓密的效果使土體存在著結(jié)構(gòu)可增強勢,在外界影響因素(壓力)作用下使得土體原生結(jié)構(gòu)能夠進一步擠密壓縮而不會被破壞;此階段屬于土體原生結(jié)構(gòu)破壞次生結(jié)構(gòu)形成的過程,也是土體可變性向可穩(wěn)性轉(zhuǎn)變的過程。隨著壓力繼續(xù)增大,最后綜合結(jié)構(gòu)勢基本穩(wěn)定在一個水平上。這表明壓力未達到土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定點時,土顆粒的排列的不穩(wěn)定勢較大,在較小的應(yīng)力增量下,可以引起較大的突變,這時土的結(jié)構(gòu)可變性較大,可穩(wěn)性較小。隨著壓力繼續(xù)增大,土顆粒原有的不穩(wěn)定勢被大大消減,在相同的應(yīng)力增量下,不會引起較大的突變,這時土的結(jié)構(gòu)性可變性最小,可穩(wěn)性最大。之后,壓力的增大已經(jīng)不能使土的密度進一步增大,而穩(wěn)定在一個水平上,此時土體可變性趨于零,而可穩(wěn)定性達到定值,原生結(jié)構(gòu)徹底打破,次生結(jié)構(gòu)形成。

(3)基于應(yīng)變的結(jié)構(gòu)性綜合結(jié)構(gòu)勢很好地反映了結(jié)構(gòu)性參數(shù)在深度上的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律,即隨著深度的增加,其綜合結(jié)構(gòu)勢逐漸減小,試樣越來越穩(wěn)定,與此對應(yīng)的其膨脹能力也越來越大,這也證明了試樣的結(jié)構(gòu)性也是影響其膨脹能力的一個內(nèi)在重要因素。

2 結(jié)論與工程建議

(1)遼源至長春鐵路新建工程DK43+200～DK44+150段路塹為弱膨脹土路塹,并且隨著深度的增加土體膨脹能力逐漸增強。

(2)實驗證明,影響土體膨脹能力的因素與初始物理狀態(tài)的含水量、密度,孔隙比和其自身的結(jié)構(gòu)有關(guān),即:隨著深度的增加,土體的含水量逐漸變小,密度逐漸變大,孔隙比逐漸變小,土體的結(jié)構(gòu)性逐漸增強,表現(xiàn)土體的膨脹能力逐漸增強。此結(jié)論可供該地區(qū)工程設(shè)計、施工參考和借鑒。

(3)針對遼長新建鐵路膨脹土路塹的病害處理原則:保濕防滲。建議放緩塹坡并防護,路塹邊坡高度大于10 m時,邊坡坡率及形式應(yīng)結(jié)合穩(wěn)定性分析計算進行設(shè)計。塹頂外設(shè)天溝并防護,做好截排水工作,根據(jù)情況做適當(dāng)?shù)挠锌坠芘潘ぷ?必要時修建擋土墻。膨脹土不可作為路基填料使用,路基兩側(cè)禁止取土;若取土,可采用摻石灰改良膨脹土,石灰劑量為4%～12%,摻石灰改良后應(yīng)達到脹縮總率小于0.7為準,以接近零為最佳,視情況而定,通過試驗確定具體摻灰率。

[1]吉林鐵道勘察設(shè)計院有限公司.遼源至長春鐵路新建工程初步設(shè)計·第四篇地質(zhì)[R].吉林:吉林鐵道勘察設(shè)計院有限公司,2010.

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[9]TB 10102—2004 鐵路工程土工試驗規(guī)程[S]

[10]TB 10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]