寶蘭客運(yùn)專線強(qiáng)濕陷性黃土水穩(wěn)性試驗(yàn)研究

葉朝良,劉堯軍,李　青,白金州

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院, 石家莊　0500432； 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院, 南京　210098)

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寶蘭客運(yùn)專線強(qiáng)濕陷性黃土水穩(wěn)性試驗(yàn)研究

葉朝良1,劉堯軍1,李青1,白金州2

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院, 石家莊0500432； 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院, 南京210098)

摘要：通過自行設(shè)計(jì)的崩解試驗(yàn)和飽和前后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),對(duì)寶蘭客運(yùn)專線強(qiáng)濕陷性黃土水穩(wěn)性進(jìn)行試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明：寶蘭強(qiáng)濕陷性黃土遇水前后抗壓強(qiáng)度衰減顯著,水穩(wěn)性很差。壓實(shí)度在100%的試樣崩解時(shí)間僅為35～40 min；相同時(shí)間下,壓實(shí)度提高可以降低毛細(xì)水的上升高度,減緩其崩解速度,有效提高其抗?jié)B性。飽和前后土樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均呈應(yīng)變軟化型變化規(guī)律；飽和前后土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度差值達(dá)到295.0 kPa,強(qiáng)度衰減約77.1%。

關(guān)鍵詞：寶蘭客運(yùn)專線；黃土；水穩(wěn)性；壓實(shí)度；崩解試驗(yàn)

1概述

近年來，關(guān)于巖土材料水穩(wěn)性的試驗(yàn)研究成果較多，主要集中在路基與土石壩的濕化變形[1-5]、改良土強(qiáng)度[6-9]和土的崩解[10-12]等方面。從上述研究成果看，目前的研究均主要集中于強(qiáng)度影響方面，但巖土材料的水穩(wěn)性一般是指巖土材料受水的影響程度，應(yīng)從變形和強(qiáng)度兩個(gè)方面來綜合考慮。

寶蘭客運(yùn)專線位于我國濕陷性黃土發(fā)育最強(qiáng)烈的隴西地區(qū)，分布在這里的黃土碳酸鹽礦物含量較多，顆粒之間結(jié)合不緊密，疏松、多孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，且有許多可溶性物質(zhì)，透水性較強(qiáng)，水穩(wěn)性極差。在浸水后或干濕循環(huán)作用下，強(qiáng)度衰減，導(dǎo)致工程地質(zhì)問題十分嚴(yán)重。為了確保工后線路安全運(yùn)營，在寶蘭客運(yùn)專線建設(shè)過程中，對(duì)擊實(shí)黃土的水穩(wěn)性進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，為建設(shè)和防治黃土水毀災(zāi)害具有非常重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。

2崩解試驗(yàn)

2.1寶蘭黃土的物理性質(zhì)

土樣取自寶蘭客運(yùn)專線天水南站，通過室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)得到寶蘭黃土天然密度在1.33～1.49 g/cm3，顆粒比重為2.691；塑限為17.8%，液限為25.6%，塑性指數(shù)為7.8，定名該黃土為低液限粉土；通過擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定最優(yōu)含水率為12.8%，最大干密度為1.86 g/cm3；黃土濕陷性系數(shù)最大達(dá)0.118，自重濕陷性系數(shù)最大達(dá)0.059。

2.2崩解試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

根據(jù)表1，在最優(yōu)含水率下，用擊實(shí)法制5組試件，每組3個(gè)試樣，試驗(yàn)前試樣的高度為8 cm，直徑為3.91 cm，然后放入保濕器中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，崩解試驗(yàn)步驟如下。

表1　最優(yōu)含水率下不同干密度的土樣配制

(1)在試驗(yàn)室水槽中鋪設(shè)毛玻璃片，保持水槽平穩(wěn)，然后將每組試件置于其上。先往水槽中加入清水，直至液面與試件底面平齊，按(2)中要求記錄試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。然后，繼續(xù)加入清水，直至液面到達(dá)試件高度1/2處，按(3)中要求觀察試驗(yàn)現(xiàn)象并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(2)注水后，由于毛細(xì)作用，試件從水槽中吸水，觀察其物理現(xiàn)象。同時(shí)根據(jù)試樣顏色的變化，測(cè)記毛細(xì)水上升高度，準(zhǔn)確至0.1 cm。測(cè)記時(shí)間為1、2、3、5、10、15、20、25、30、35 min……直至上升高度不變或試樣破壞為止。

(3)當(dāng)試件的毛細(xì)水上升高度穩(wěn)定后，按(1)中液面高度要求，繼續(xù)向水槽中慢慢注入清水，觀察土樣的崩解現(xiàn)象和變形情況。

2.3土樣崩解過程分析

初始時(shí)，土樣的毛細(xì)水高度上升較快，由于土樣表面細(xì)小分散顆粒浸入水中，土樣周圍水體立即變渾濁，有氣泡出現(xiàn)，土樣吸水增重，但未發(fā)生明顯的崩解和變形(圖1(a))。一段時(shí)間后，土樣的毛細(xì)水上升速度開始減緩(圖1(b))，但崩解速率卻開始緩慢增加，水變得愈加渾濁，土樣浸水端開始變松變軟，出現(xiàn)裙?fàn)钭冃?圖1(c))，并且變形越來越明顯。待土樣毛細(xì)水高度上升穩(wěn)定后，繼續(xù)向水槽中緩慢注入清水，此時(shí)土樣表面開始大量破裂脫落，發(fā)生劇烈的崩解現(xiàn)象，崩解體以鱗片狀為主，出現(xiàn)大量氣泡，水體變得非常渾濁，整個(gè)土樣變形很大(圖1(d))。繼續(xù)加水，在液面未到達(dá)土樣中部前，試樣全部發(fā)生崩解破壞。取出已破壞的土樣部分，發(fā)現(xiàn)土體已經(jīng)變得非常松軟，多呈流塑或軟塑狀態(tài)，土樣崩解體呈明顯的錐體狀(圖1(e))。水槽中殘留的崩解物天然坡腳堆積(圖1(f))。

圖1　土樣浸水后的變化過程

崩解試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：壓實(shí)度為100%的試樣，崩解時(shí)間為35～40 min；壓實(shí)度95%的試樣，崩解時(shí)間為25～30 min；壓實(shí)度90%的試樣，土樣崩解時(shí)間為22～27 min；壓實(shí)度為85%的試樣，崩解時(shí)間為17 min；壓實(shí)度為75%的試樣在短時(shí)間內(nèi)毛細(xì)水高度就到達(dá)試樣頂部，并發(fā)生崩解破壞，崩解時(shí)間為7 min左右。

試件浸水后，都存在著明顯的毛細(xì)現(xiàn)象、崩解和變形，并且壓實(shí)度越大，毛細(xì)現(xiàn)象就越緩慢，變形就越小，崩解速率也越緩慢。造成該現(xiàn)象的原因主要有以下幾個(gè)方面。

(1)黃土中含有許多可溶性物質(zhì)，如碳酸鹽和石膏等易溶鹽類，遇水后極易溶解，從而使顆粒之間的膠結(jié)作用力減弱，土粒發(fā)生軟化，會(huì)導(dǎo)致土樣發(fā)生崩解和濕陷變形。

(2)土樣浸水后，毛細(xì)水高度不斷升高，土樣浸水部分的自重不斷增加，當(dāng)土樣底部無法承受其上部自重時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一定的變形。此外，毛細(xì)水高度不斷升高會(huì)導(dǎo)致土體基質(zhì)吸力降低，黏聚力減小，從而引起土樣產(chǎn)生變形和崩解。

(3)壓實(shí)度越大，土顆粒間就越密實(shí)，土體的孔隙率就越小，有些孔隙甚至成為封閉孔隙，水在試樣中的滲透阻力增加，導(dǎo)致毛細(xì)現(xiàn)象速度減慢，致使其崩解時(shí)間變長。

(4)由于外部土顆粒浸水時(shí)間較內(nèi)部長，顆粒之間的膠結(jié)力減小的更弱，更易造成顆粒集合體崩散而脫離母體，而內(nèi)部黃土顆粒受水影響較遲緩，崩解量較小，所以土樣破壞端的形狀多呈椎體狀。

2.4數(shù)據(jù)分析

(1)不同壓實(shí)度下毛細(xì)水上升速度

將觀測(cè)數(shù)據(jù)匯于圖2可以看出，試樣浸水后，剛開始毛細(xì)水上升速度很快，之后又逐漸變緩慢；壓實(shí)度越大，曲線的斜率就越小，試樣的毛細(xì)水上升速度就越慢；相同時(shí)間下壓實(shí)度越大，其毛細(xì)水上升高度也越低，說明壓實(shí)度的提高可以有效提高抗?jié)B性。

(2)相同時(shí)間下壓實(shí)度對(duì)毛細(xì)水上升高度的影響

由圖3可看出，相同時(shí)間下毛細(xì)水穩(wěn)定高度隨壓實(shí)度的增大而減小，壓實(shí)度為100%的試樣毛細(xì)水穩(wěn)定高度最小，約為4.5 cm，壓實(shí)度為95%、90%和85%的試樣毛細(xì)水穩(wěn)定高度分別為4.9、6.4 cm和7.7 cm，較100%的試樣，分別增大了8.9%、42.2%和71.1%。

圖2　40 min內(nèi)毛細(xì)水高度隨時(shí)間的變化規(guī)律

由圖3中曲線的各段斜率和拐彎點(diǎn)可知，當(dāng)壓實(shí)度超過95%后，毛細(xì)水上升速率就會(huì)明顯減緩，這說明，K=95%的壓實(shí)效果就已經(jīng)能很好地減緩黃土的毛細(xì)水上升。

圖3　相同時(shí)間下毛細(xì)水穩(wěn)定高度和壓實(shí)度的關(guān)系

3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

圖4　TSY10-B型臺(tái)式三軸儀加載臺(tái)

圖5　真空飽和器

根據(jù)表1，在最優(yōu)含水率下用擊實(shí)法制10組試樣(每組3個(gè))，其中5組試樣放入真空飽和器中飽和，利用TSY10-B型臺(tái)式三軸儀做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，飽和前土樣多會(huì)發(fā)生鼓脹破壞，破壞時(shí)表面有許多裂紋出現(xiàn)，而飽和樣破壞時(shí)表面沒有出現(xiàn)明顯的裂紋和鼓脹現(xiàn)象，見圖4～圖6。

圖6　破壞后的三軸試樣

3.1飽和前后的應(yīng)力變形關(guān)系

圖7為未飽和土樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，可以看出，壓實(shí)度越大，軸向應(yīng)力峰值就越高，試樣的無側(cè)向抗壓強(qiáng)度就越大，對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變也整體上呈增大趨勢(shì)。具體表現(xiàn)為壓實(shí)度為100%的試樣抗壓強(qiáng)度最大，為424.2 kPa，對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)?.5%；壓實(shí)度為 95%的試樣抗壓強(qiáng)度為315.2 kPa，對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)?.5%；壓實(shí)度為 90%的試樣抗壓強(qiáng)度為153.9 kPa，對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)?.0%；壓實(shí)度為85%的試樣抗壓強(qiáng)度為107.7 kPa，對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)?.0%；壓實(shí)度為75%的試樣抗壓強(qiáng)度為24.3 kPa，對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)?.0%。

圖7　飽和前土樣的軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖8為飽和后試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，各曲線對(duì)比表明，曲線變化規(guī)律與未飽和時(shí)相同，均呈應(yīng)變軟化型；壓實(shí)度越大，峰值強(qiáng)度越高，但比未飽和狀態(tài)下的峰值強(qiáng)度低很多。

圖8　飽和樣的軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

3.2壓實(shí)度對(duì)強(qiáng)度的影響

由圖9可知，2條曲線均隨壓實(shí)系數(shù)的增大而呈上升趨勢(shì)，飽和前后試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨壓實(shí)度的增大而增大。具體表現(xiàn)為，飽和前土樣中壓實(shí)度為100%的試樣抗壓強(qiáng)度值最大，為424.2 kPa。壓實(shí)度為95%、90%、85%、75%的試樣，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值分別為315.2、153.92、107.7、24.3 kPa。與100%的試樣相比，抗壓強(qiáng)度分別減少了25.7%、63.7%、74.6%和94.3%；飽和后壓實(shí)度為100%的試樣抗壓強(qiáng)度仍最大，為129.2 kPa。壓實(shí)度為95%、90%、85%的試樣，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值分別為95.2、36.5、29.5 kPa。與100%的試樣相比，抗壓強(qiáng)度分別減小了26.3%、71.8%、77.1%，壓實(shí)度為75%的試樣飽和后幾乎無強(qiáng)度。

圖9　無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與壓實(shí)度的關(guān)系曲線

兩條曲線相互對(duì)比可知，與飽和前土樣相比，飽和后土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯降低，但相應(yīng)的軸向應(yīng)變卻有所增大。這說明，土樣受水影響后抗壓強(qiáng)度衰減很大，發(fā)生破壞時(shí)的變形也相對(duì)增大。隨著壓實(shí)度的增大，飽和前后試樣的抗壓強(qiáng)度差值也逐漸增大，具體為：壓實(shí)度為100%、95%、90%、85%的試樣抗壓強(qiáng)度差值分別為295.0、220.0、117.4、78.1 kPa和24.3 kPa。飽和前后，壓實(shí)度為100%、95%、90%、85%、75%的土樣抗壓強(qiáng)度百分?jǐn)?shù)分別為69.5%、 69.8%、76.3%、、72.6%；壓實(shí)度為75%的土樣飽和后幾乎無強(qiáng)度。

以上數(shù)據(jù)說明，對(duì)于寶蘭黃土這一特殊的濕陷性土來說，壓實(shí)度越大，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也越大，但其受水后的強(qiáng)度衰減也更為顯著，說明寶蘭黃土的水穩(wěn)性很差。將其直接用于路基填料應(yīng)進(jìn)行改良處理，提高其水穩(wěn)性。

4結(jié)論

(1)崩解試驗(yàn)表明，寶蘭黃土的水穩(wěn)定性很差。壓實(shí)度100%的試樣崩解時(shí)間在35～40 min；壓實(shí)度為85%的試樣，崩解時(shí)間大約為17 min；壓實(shí)度為75%的試樣，崩解時(shí)間為7 min左右。相同時(shí)間下，壓實(shí)度提高可以降低毛細(xì)水的上升高度，減緩其崩解速度，有效提高其抗?jié)B性。

(2)飽和前后土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明，二者的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變軟化型變化規(guī)律；飽和前的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于飽和后的；飽和前土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大值不超過424.2 kPa，浸水飽和后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大值不超過129.2 kPa，飽和前后土樣的強(qiáng)度差值最大達(dá)到295.0 kPa。由此可見，濕陷性黃土遇水后抗壓強(qiáng)度會(huì)迅速下降，水穩(wěn)性很差。

由于寶蘭黃土受水后強(qiáng)度衰減很大，崩解速度快，水穩(wěn)性很差，在線路修建時(shí)應(yīng)采取積極措施做好防水排水工作，如路基的邊溝以及路面等的排水，及時(shí)修復(fù)和完善各種設(shè)施，防止路基基底土體等發(fā)生濕化現(xiàn)象，如采用該黃土作為路基填料應(yīng)進(jìn)行改良，以便控制路基沉降變形，確保施工運(yùn)營的安全。

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The Study of Water Stability of Collapsible Loess in Baoji-Lanzhou Passenger-dedicated RailwayYe Chao-liang1, Liu Yao-jun1, Li Qing1, Bai Jin-zhou2

(1.College of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China;

2.College of Civil and Transportation Engineering, Hehai University, Nanjing 210098, China)

Abstract：The water stability of Collapsible Loess in Baoji-Lanzhou Passenger-dedicated Line is studied with disintegration test and unconfined compressive strength test. The results show that the compressive strength of Collapsible Loess in Baoji-Lanzhou Passenger-dedicated line is declined rapidly with poor water stability. When the compactness of soil samples is about 100%, the time of disintegration is only 35～40min, meanwhile, with the increasing of the compaction, the height of capillary water is increased which accelerates the rate of disintegration and improves the permeating-resisting performance. The stress-strain curve of the soil samples before and after saturation demonstrates strain softening. The difference of the unconfined compressive strength of the soil samples before and after saturation reaches 295.0 kPa, and the strength attenuates about 77.1%.

Key words：Baoji-Lanzhou passenger-dedicated railway; Loess; Water stability; Compactness; Disintegration test

中圖分類號(hào)：U238; U213.1+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.006

文章編號(hào)：1004-2954(2015)02-0023-04

作者簡介：葉朝良(1969—)，男，教授，工學(xué)博士，E-mail:yechl001@163.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50978172)；鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2010G018-B-4)

收稿日期：2014-05-14； 修回日期：2014-06-24