蘭州至中川城際高鐵鹽漬土現(xiàn)場浸水載荷試驗分析

張樂婷 王紅霞 任小艷

(1甘肅交通職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730070；2蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070)

1 試驗點場地概況

試驗點地形平坦開闊，線路行經(jīng)在沖、洪積土層上，并行于既有線右側(cè)，水平距離約70m。地面高程849～858m，自然坡度1°～3°，呈北高南低的趨勢，相對高差1～2m。測區(qū)內(nèi)為鹽質(zhì)荒漠，地表零星生長有耐鹽植物，該段線路大部分設計為路堤，填方高度一般為2～4m。

2 試驗點地層巖性及物理力學特性

2.1 試驗點場地地質(zhì)結構[1]

<2>CL含砂礫質(zhì)黏土（Q4al+pl）：黃色，半堅硬～硬塑狀態(tài)，含10%～25%粗砂及礫石，鉆探巖芯中可見鹽及石膏的結晶體。一般厚0.2～0.5m，局部稍厚，屬Ⅱ級普通土，C組填料。

<5-2-1> GP-GC含黏土級配不良礫（Q4al）：灰褐、灰白色，稍濕，中密～密實狀，礫石占50%～55%，粒徑5～75mm，巖質(zhì)成分以凝灰?guī)r、砂巖、玄武巖等為主，呈圓、次圓狀，余為砂及粉質(zhì)黏土充填，級配較差。不同深度可見到鹽結晶體，晶體成分主要為硫酸鹽（主要成份為CaSO42H2O），晶體含量約15%～30%，根據(jù)挖探揭示主要分布在DK79+100～DK82+000段含鹽及石膏晶體較多，一般厚0.5～1.5m，最厚可達2m，該層不宜作為路基填料。

<5-2>GP-GC含黏土級配不良礫（Q4al）：灰褐、灰色，稍濕，中密狀，稍有膠結，礫石占55%～60%，Φ5～75mm，夾少量的卵石，石質(zhì)成分以凝灰?guī)r、砂巖、玄武巖為主，呈圓、次圓狀，余為砂及粉質(zhì)黏土充填，級配較差。不同深度亦能見到鹽及石膏的結晶體。廣泛分布測區(qū)厚度大于20m，屬Ⅲ級硬土，B組填料。

2.2 各巖土層物理力學參數(shù)

各巖土層物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學指標推薦值

3 試驗方法及設備

3.1 試坑設計及測點布置

根據(jù)試驗條件并依據(jù)《鹽漬土地區(qū)建筑技術規(guī)范》確定荷載板直徑為0.8m，試坑直徑為2.5m。在坑內(nèi)布置12個沉降觀測點，每個類別的觀測點均應連線后呈正方形，且平行均勻分布于基準梁的兩側(cè)，其中，4個表層觀測點（9#，10#，11#，12#）布置在距試坑中心1m的坑底天然土層，4個荷載板觀測點（1#，2#，3#，4#）布置在荷載板外側(cè)邊緣處，4個分層觀測點（5#，6#，7#，8#）布置在距試坑中心0.43m的不同深度土層。

3.2 工況及原理

根據(jù)《鹽漬土地區(qū)建筑技術規(guī)范》和當?shù)貧庀髼l件，設定各工況，并設定浸水壓力為200KPa（即千斤頂反力10t）。加載階段分為8級進行；浸水階段分浸水60mm浸水工況，24小時30cm常水頭浸水工況，30cm常水頭長期浸水工況；將承載力特征值階段分8級荷載進行加載，以更準確的確定地基承載力。

4 試驗過程

表2 試驗工況劃分

1）開挖直徑2.5m，深0.4m的圓形試坑。

2）在以試坑中心點為圓心，半徑為0.55m的圓上，鉆四個直徑11cm的孔，四個孔的連線呈正方形且每側(cè)兩孔連線要平行于基準梁，孔底距坑底分別1.6m、3.2m、4.6m、7.6m。

3）在孔內(nèi)用適量砂子（2～3cm）墊平并壓實，將沉降板平放在坑內(nèi)，保持鋼筋桿垂直，然后放入3～5cm砂子壓在沉降板上并壓實，再放入PVC管，套在測桿上。將沙子分層填充PVC管周圍空隙至離鉆孔口30cm，每層填0.5m，用鋼筋搗實，離鉆孔口30cm的范圍內(nèi)用粘性土填筑壓實。

4）在載荷板底鋪設 3cm厚的砂層，并使之密實，將直徑為0.8m的載荷板安置在試坑中心，將反力梁及千斤頂安置好，并將25t荷載均勻堆放在加載架上。

5）架設基準梁，并固定牢固，將安裝在12根測桿（沉降板4根，載荷板4根，試坑底4根）上的百分表探針放置在基準梁上，將表調(diào)零。

6）依次按照各試驗步驟條件進行加載和注水，并由記錄人員讀數(shù)并記錄，試驗由步驟1～19依次進行。每級工況下，前 1 小時內(nèi)按間隔時間 10、10、10、15、15min 讀數(shù)，一小時以后，每隔半小時測讀一次沉降量。連續(xù)兩小時內(nèi)，每小時的沉降量小于0.1mm 時，則認為沉降已穩(wěn)定，可進行下一級工況，至最后一級荷載作用下地基沉降穩(wěn)定。

5 試驗結果

5.1 分級加載階段

加載到10t時，最終沉降如表1所示，每級荷載下，荷載板沉降隨時間的關系如圖1所示。從圖1可以看出，在每級荷載作用下，沉降通常迅速完成且在短時間內(nèi)達到穩(wěn)定，隨著壓力的增大，沉降量呈增大趨勢，但最終沉降較小，為3.3mm。

圖1 載荷板分級加載s-t曲線

5.2 浸水試驗階段

表3 10t穩(wěn)定時沉降量

表4 浸水60mm穩(wěn)定時溶沉量

表5 浸水24小時穩(wěn)定時溶沉量

表6 長期浸水穩(wěn)定時溶沉量

浸水階段分為三種工況：1）注水60mm；2）浸水30cm持續(xù)24h；3）長期浸水。

圖2 載荷板浸水階段s-t曲線

1）一次性浸水60mm時，載荷板最終累計沉降量達56.7mm，相對溶陷量為53.4mm，相比天然狀態(tài)，浸水后沉降劇烈增大，說明浸水條件下鹽漬土在附加應力作用下，大孔隙石膏層飽水塌潰壓縮，發(fā)生溶陷。但各沉降板處測得溶陷較小，說明一次浸水60mm時溶陷主要發(fā)生在1.6m以上石膏富集層。

2）在浸水24h下，沉降量繼續(xù)增大，累計沉降量達122.9mm，相對溶陷量為66.2mm， 說明24h浸水時，水滲透更深，在地層表層，鹽漬土溶陷加劇。沉降板所在位置，相對溶陷量較小，說明相對石膏表層，1.6m以下的土層，溶陷較小。

3）在長期浸水狀態(tài)時，溶陷繼續(xù)增大，累計溶陷量為123.87mm，相對溶陷為4.3mm，說明在24h浸水下，沉降已經(jīng)基本完成。

圖3 坑底s-t曲線

5.3 坑底

對于坑底，從加載到最后一個浸水工況結束，從圖3可看出，第一次浸水后，坑底土呈擠升狀態(tài)，隨后由于溶陷作用，坑底相對呈現(xiàn)緩慢下沉現(xiàn)象，無附加荷載作用時，累計溶陷為1.48mm，說明該鹽漬土為非自重性溶陷鹽漬土。

5.4 溶陷系數(shù)計算

根據(jù)工程地質(zhì)勘查資料，試驗點石膏富集層厚3m，依據(jù)試驗實測數(shù)據(jù)，1.6m、3.2m處的沉降觀測標在浸水期間相對呈較小下沉狀態(tài)。4.6m、7.6m處的沉降觀測標在浸水期間有微小沉降，說明水已滲流到該處，但溶陷量很小，可忽略不計。因此結合石膏層厚度及附加應力的作用范圍，確定依其厚度計算溶陷系數(shù)。

石膏富集層累計溶陷量為123.87mm，溶陷土層厚度3m，計算出溶陷系數(shù)為0.041，依《鹽漬土地區(qū)建筑技術規(guī)范》具有中等溶陷性。

5.5 變形模量及承載力特征值

地基土的變形模量是依據(jù)p-s曲線的初始直線段[2]，并假設一剛性板作用在均質(zhì)的彈性半無限體的表面，由彈性理論計算得到。平板載荷試驗按下式計算：

式中：E0—載荷試驗的變形模量；

l—當載荷板位于半無限體表面的影響系數(shù)；對于圓形板 L0=0.785(π/4)；

k—p-s曲線直線段斜率；

μ—土的泊松比，取μ=0.27；

d—載荷板的直徑；

計算得到，天然狀態(tài)下試驗點土的變形模量為27.85MPa，浸水狀態(tài)下石膏富集層變形模量為4.81MPa。在浸水狀況下，加載到240kPa時，24h內(nèi)沉降速率沒有達到穩(wěn)定標準，表明石膏富集層浸水條件下極限承載力為240kPa，承載力特征值fak=120kPa。

圖4 承載板p-s曲線

6 結 語

1）天然狀態(tài)下，在200kPa的荷載作用時累計沉降量為3.3mm，變形模量為27.85MPa。

2）一次性浸水60mm時，沉降量為56.7mm，溶陷量為53.4mm。浸水24h達到穩(wěn)定后，載荷板沉降量為122.9mm，相對溶陷量為66.2mm，累計溶陷量為119.6mm。長期浸水時，載荷板沉降量為127.17mm，相對溶陷量為4.27mm，累計溶陷量為123.87mm。

3）溶陷深度為3.0m，累計溶陷量為123.87mm，溶陷系數(shù)為0.041，依《鹽漬土地區(qū)建筑技術規(guī)范》確定試驗點土層具有中等溶陷性。

4）浸水溶陷主要發(fā)生在石膏富集層，尤其在1.6m以內(nèi)。

5）對于坑底，在靜水壓力作用下，累計溶陷量為1.48mm，表明無附加荷載作用時，試驗點土層不具有溶陷性。

6）浸水狀態(tài)下其極限承載力為240kPa，承載力特征值fak=120kpa，變形模量為4.81MPa。

[1]任秀玲,張文,劉昕,羅艷珍,魏凱.西北地區(qū)鹽漬土鹽脹特性研究進展與思考[J].土壤通報,2016,47(01):246-252.[2017-09-29].DOI：10.19336/j.cnki.trtb.2016.01.038

[2]劉永球.鹽漬土地基及處理方法研究[D].中南大學,2002.