某鐵路粉質(zhì)黏土膨脹特性及對(duì)工程影響的研究

李德柱

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 概述

此類(lèi)土用于填料直接填筑路基能否滿(mǎn)足要求，需通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)等進(jìn)行驗(yàn)證。以下對(duì)該類(lèi)粉質(zhì)黏土膨脹特性及強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行研究，分析其對(duì)工程的影響，為工程措施的確定提供依據(jù)。

2 土的物理性質(zhì)

2.1 顆粒分析試驗(yàn)

采用密度計(jì)法測(cè)定土樣各粒組含量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 土的各粒組含量

顆粒分析結(jié)果表明，試驗(yàn)所用土樣為細(xì)粒土，土體中粉粒含量為64.3%，黏粒含量為34.6%。

2.2 液塑限試驗(yàn)

利用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀進(jìn)行，其結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 土的液塑限試驗(yàn)成果

塑性指數(shù)為13，液限為33.5%，根據(jù)《鐵路工程巖土分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》(TB 10077—2001)[2]，該土質(zhì)為粉質(zhì)黏土，根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10001—2005)[3]，該土質(zhì)為C組填料。

3 膨脹性相關(guān)試驗(yàn)

對(duì)9個(gè)取樣點(diǎn)的土樣進(jìn)行有荷、無(wú)荷膨脹率及膨脹力等膨脹性相關(guān)試驗(yàn)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定土質(zhì)的膨脹性，掌握土的脹縮變形和強(qiáng)度變化規(guī)律，確定膨脹土做為填料的適用性。

3.1 自由膨脹率[4]

自由膨脹率是反映膨脹土膨脹性的指標(biāo)之一，與土的黏土礦物成份、膠粒含量、化學(xué)成份和水溶性質(zhì)有著密切的關(guān)系。其試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單快捷，可以測(cè)定黏性土在無(wú)結(jié)構(gòu)力影響下的膨脹潛勢(shì)，被廣泛用于膨脹土脹縮性的初步判定。

按照規(guī)范要求進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)，測(cè)得其自由膨脹率為30.0%～48.0%、平均值為38.7%。

3.2 蒙脫石含量[4]

當(dāng)土中含有較多的此種黏土礦物時(shí)，常會(huì)帶來(lái)不良的工程性質(zhì)，干燥時(shí)出現(xiàn)干裂，遇水膨脹，壓縮性大，強(qiáng)度降低。

按照規(guī)范要求進(jìn)行蒙脫石含量試驗(yàn)，測(cè)得其蒙脫石含量為15.7%～24.0%，平均值為19.9%。

3.3 陽(yáng)離子交換量[4]

按照規(guī)范要求進(jìn)行陽(yáng)離子交換量試驗(yàn)，測(cè)得其陽(yáng)離子交換量范圍為197.1～246.8 mmol/kg，平均值為218.0 mmol/kg。

3.4 膨脹性判定

根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB 10012—2007)[5]，膨脹土的膨脹潛勢(shì)分級(jí)采用自由膨脹率FS、蒙脫石含量M、陽(yáng)離子交換量CEC三項(xiàng)指標(biāo)(見(jiàn)表3)，當(dāng)符合其中兩項(xiàng)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)判定為膨脹土。

表3 《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》膨脹土的膨脹潛勢(shì)分級(jí)

按照《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10012—2007)[5]膨脹潛勢(shì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土樣的膨脹潛勢(shì)為弱。

3.5 無(wú)荷和有荷膨脹率

試樣的干密度為1.65 g/cm3(壓實(shí)度為90%)，制樣含水率為15.3%。

重塑壓實(shí)土試樣的無(wú)荷和有荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表4和表5。

表4 無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果 %

表5 有荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

3.6 膨脹力

重塑壓實(shí)土試樣的有荷膨脹率和垂直壓力的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖1，圖1中曲線(xiàn)與壓力軸交點(diǎn)(該點(diǎn)膨脹率為0)對(duì)應(yīng)的壓力即為按加壓膨脹法試驗(yàn)所得的膨脹力。由圖1可知，試驗(yàn)所用土樣的膨脹力為99.4 kPa。

圖1 膨脹率—壓力關(guān)系曲線(xiàn)

3.7 無(wú)荷條件下的干濕循環(huán)試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)含水率由15.3%到飽和、含水率由15.3%到21.0%和含水率由15.3%到18.0%等三個(gè)含水率變化幅度的干濕循環(huán)試驗(yàn)，了解其裂隙變化情況及膨脹力變化規(guī)律。

(1)土體裂隙變化及對(duì)強(qiáng)度的影響

①對(duì)試樣進(jìn)行8次干濕循環(huán)試驗(yàn)的觀察結(jié)果表明，裂隙是逐漸產(chǎn)生并發(fā)展的，其發(fā)展變化與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系呈線(xiàn)性遞增，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙基本呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，即產(chǎn)生、發(fā)展、貫通，最終形成網(wǎng)格狀裂隙。

②裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展破壞了土體的完整性，也削弱了土粒間的連結(jié)力，造成土體縱、橫向裂隙呈雜亂無(wú)章分布，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，土體抗剪強(qiáng)度降低。另一方面裂隙連通，為表水下滲提供了良好通道，水的滲入使土體黏聚力降低，強(qiáng)度衰減，進(jìn)一步降低了土體的抗剪強(qiáng)度。

(2)膨脹力變化規(guī)律

通過(guò)干濕循環(huán)試驗(yàn)，膨脹力變化試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 膨脹力變化試驗(yàn)結(jié)果 kPa

從表6中可以看出，膨脹力隨干濕循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小，但減幅也逐漸降低，經(jīng)過(guò)6次干濕循環(huán)后膨脹力基本穩(wěn)定；說(shuō)明膨脹土的膨脹勢(shì)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低，且含水率變化幅度越大，膨脹勢(shì)降低也越明顯。

4 抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律

選擇代表性土樣進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究其抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律。土質(zhì)試樣經(jīng)歷1次、2次、3次、4次、6次、8次干濕循環(huán)后，將試樣浸水飽和后進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，干濕循環(huán)過(guò)程中粉質(zhì)黏土的內(nèi)摩擦角基本保持不變，而黏聚力在第一次干濕循環(huán)后降低35%，并在以后的干濕循環(huán)過(guò)程中基本保持不變。

5 大氣影響深度試驗(yàn)

大氣影響深度是在自然氣候影響下，由降水、蒸發(fā)、地溫等因素引起地基土脹縮變形的有效深度。在大氣影響下，濕度變化引起膨脹土產(chǎn)生膨脹收縮，土體開(kāi)裂，降雨入滲，強(qiáng)度降低，甚至造成邊坡變形破壞。

為了確定大氣影響深度，于路堤基床以下中心及兩側(cè)土體4.0 m深度范圍內(nèi)設(shè)置含水率計(jì)和溫度計(jì)，對(duì)路堤土體溫度、含水率等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)土體含水率和地溫變化等綜合確定大氣影響深度。土體溫度、含水率變化幅度見(jiàn)表8、表9。

表8 路堤土體溫度變化幅度

由表8、表9可知，路堤填土的溫度、含水率變化幅度隨著深度增加逐漸減小。當(dāng)深度為4.0 m時(shí)，土體溫度變化幅度≤10 ℃；含水率變化較小，邊坡側(cè)變化幅度略大于中心。邊坡側(cè)深度2.0 m時(shí)，含水率變化幅度為2%；4.0 m時(shí)，含水率變化幅度為1.6%，其環(huán)境影響已很微弱。根據(jù)土體地溫及含水率觀測(cè)變化分析，并參考《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB50112—2013)[6]，確定路堤邊坡的大氣影響深度約為4.0 m。

表9 路堤土體含水率變化幅度

6 路基變形及穩(wěn)定性分析

6.1 路基膨脹變形分析

按路基基床厚度2.5 m，表層厚度0.6 m填筑級(jí)配碎石，底層厚度1.9 m填筑A、B組填料考慮。

根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[6]，膨脹變形量按下式計(jì)算

式中：ψe為計(jì)算膨脹變形量的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；δepi為第i層土的荷載作用下的膨脹率；hi為第i層土的厚度；n為計(jì)算深度內(nèi)劃分的土層數(shù)。

通過(guò)計(jì)算，路堤基床未填筑時(shí)，路基表面膨脹變形為74.86～74.52 mm。填筑后，在上覆基床壓力下，路基表面膨脹變形為0.39～3.81 mm，變形很小，不會(huì)對(duì)路基面的平順性產(chǎn)生影響。

6.2 路基穩(wěn)定分析

路堤地段，自路堤面以下0～8 m范圍內(nèi)邊坡坡率為1∶1.5，8 m以下為1∶1.75。大氣影響深度4.0 m范圍內(nèi)，取浸水飽和的固結(jié)快剪指標(biāo)c=10.9 kPa、φ=21.1°，非大氣影響深度范圍浸水飽和的固結(jié)快剪指標(biāo)c=17.7 kPa、φ=21.3°。采用圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行穩(wěn)定性檢算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 路堤穩(wěn)定安全系數(shù)

經(jīng)路堤穩(wěn)定性檢算，當(dāng)路堤邊坡高度≤8 m時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.25，滿(mǎn)足《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10035—2006)[7]規(guī)定的要求，邊坡高度大于8 m時(shí)，穩(wěn)定性不滿(mǎn)足規(guī)范要求，需采取放緩邊坡或加設(shè)護(hù)道的措施(見(jiàn)圖2)。

圖2 路堤穩(wěn)定檢算示意

7 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果分析

7.1 路堤水平位移

為了研究低膨脹性粉質(zhì)黏土作為填料的適用性，選取某路堤填筑試驗(yàn)段。該段路堤填高7 m，在路堤基床以下布設(shè)單點(diǎn)沉降計(jì)、分層沉降管，兩側(cè)邊坡安裝測(cè)斜管，檢測(cè)路堤填筑后的水平變形及豎向位移情況，路堤兩側(cè)深層水平位移隨時(shí)間變化過(guò)程見(jiàn)圖3、圖4。最大水平位移見(jiàn)表11。

圖3 路堤右側(cè)不同深度處土體水平位移

圖4 路堤左側(cè)不同深度處土體水平位移

由表11可以看出，A、B組土和級(jí)配碎石填筑前最大水平位移為4.1 mm，發(fā)生在0.5 m深度處；A、B組土和級(jí)配碎石填筑后最大水平位移為42.0 mm，發(fā)生在0.5 m深度處；A、B組土和級(jí)配碎石填筑后1.5～6.0 m深度范圍內(nèi)的最大水平位移為6.8 mm，發(fā)生在2.0 m深度處；A、B組土和級(jí)配碎石填筑后2.0～6.0 m深度范圍內(nèi)的最大水平位移為6.8 mm，發(fā)生在2.0 m深度處。根據(jù)深層水平位移變化情況可知，基床A、B組土和級(jí)配碎石填筑導(dǎo)致路堤邊坡淺層(2.0 m深度以?xún)?nèi))土體發(fā)生較大水平位移，其0.5 m處發(fā)生的位移最大(主要受基床施工填筑及碾壓的影響)，在此之后水平位移逐漸穩(wěn)定。A、B組土和級(jí)配碎石填筑后深層水平位移基本在5 mm范圍內(nèi)，路堤邊坡整體水平位移較小，路堤處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表11 最大水平位移統(tǒng)計(jì)

7.2 路堤沉降變形

路堤在基床填筑前表面實(shí)測(cè)最大膨脹變形為4.22～11.64 mm?；蔡钪蟊砻鎸?shí)測(cè)數(shù)值表現(xiàn)為壓縮變形，主要為路堤填土的膨脹、沉降、地基土體壓縮變形的綜合結(jié)果，在上覆基床壓力下，膨脹變形不會(huì)對(duì)路基面的平順性產(chǎn)生影響。

8 結(jié)論

對(duì)路基的變形和穩(wěn)定性檢算以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果表明，弱膨脹性土直接填筑基床以下路堤可行，但路堤邊坡高度不宜大于8 m；邊坡高度大于8 m時(shí)，需采取放緩邊坡或加設(shè)護(hù)道等措施，并應(yīng)加強(qiáng)路基防排水。

嚴(yán)寒地區(qū)粉質(zhì)黏土路基邊坡的穩(wěn)定及防護(hù)，應(yīng)考慮凍融循環(huán)、淺層溜塌等因素的影響，坡面盡量采用輕型護(hù)坡并結(jié)合植物防護(hù)等措施，減少春融對(duì)坡面的影響[13]。

[1] 四川省水利電力學(xué)校.土質(zhì)及土力學(xué)[M].北京：水利出版社，1980

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[11] 鐵道第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1999

[12] 殷宗澤.土工原理[M].北京：中國(guó)水利出版社，2007

[13] 陳之祥，等.熱參數(shù)對(duì)凍土溫度場(chǎng)的影響及敏感性分析[J].水利水電技術(shù)，2017(5):136-141