襄陽(yáng)地區(qū)膨脹土脹縮變形分析與加固措施設(shè)計(jì)

沈 磊 趙德文

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

膨脹土在我國(guó)多個(gè)省市均有分布，是一類具有多裂隙性、脹縮性和超固結(jié)性的黏土，給鐵路建設(shè)帶來相當(dāng)大的危害[1-2]。從以往常規(guī)鐵路的工程實(shí)踐來看，鐵路膨脹土地區(qū)既有線的路基完好率僅為25%，基床翻漿冒泥、路肩鼓脹、路塹側(cè)溝壁擠出等是其引起的常見病害。對(duì)于無砟軌道高速鐵路，目前常見的問題和現(xiàn)象為：路基隆起變形影響無砟軌道的幾何狀態(tài)，并具有局部性、隨機(jī)性等特點(diǎn)[3]。以下分析膨脹土地基的變形特性，并給出加固措施建議[4]。

1 氣象條件

研究區(qū)域地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)，氣候溫和多雨，冬季(12月～次年2月)寒冷少雨，春季(3～5月)多陰雨，雨量不大；初夏(6～7月上旬)雨量集中，易發(fā)生洪水；盛夏(7～8月)高溫炎熱，伏旱頻繁，時(shí)有特大暴雨發(fā)生；秋季(9～11月)氣候涼爽。多年平均降雨量約為910 mm。一般情況下，冬季雨量約占年總量的10%，春秋季雨量約占年總量的40%，夏季雨量約占年總量的50%。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

襄陽(yáng)地區(qū)地貌以漢江為界，兩側(cè)差異較大。漢江以東為南襄盆地(南陽(yáng)盆地)西南部的漢江沖積平原區(qū)，地形平坦開闊，與丘陵相接地段地形略有起伏，多呈壟崗狀，侵蝕風(fēng)化嚴(yán)重，沖溝發(fā)育；鐵路工程以路堤填方、橋涵工程為主，路塹挖方地段較少，無隧道工程。漢江以西呈壟崗間丘陵地貌，其中峴山-隆中、廟灘鎮(zhèn)、谷城縣城附近主要為漢江階地，其余地段屬丘陵地帶，地勢(shì)總體呈起伏狀，深挖方、短隧道工程較為普遍。

2.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

線路基本上在壟崗階地行進(jìn)，壟崗表層為第四系中、上更新統(tǒng)網(wǎng)紋黏土，粉質(zhì)黏土，黏土，局部夾有鈣質(zhì)結(jié)核，下部為砂礫石層或黏性土充填的礫石層，黏性土層具弱-中膨脹性，一般以硬塑-半干硬為主。坳谷表層局部分布有軟塑-可塑的松軟土，厚度一般為3～6 m。下伏地層以漢江為界，漢江以東以白堊系泥質(zhì)砂巖、泥巖為主，漢江以西主要為志留系粉砂巖、頁(yè)巖。

襄陽(yáng)地區(qū)屬南襄盆地南緣，覆蓋層較厚，沿線地質(zhì)構(gòu)造多以隱伏構(gòu)造為主，地面出露較少，對(duì)工程影響較小。

2.3 水文地質(zhì)條件

襄陽(yáng)地區(qū)壟崗及高階地覆蓋層呈典型的二元結(jié)構(gòu)，黏性土層厚5～20 m，下部砂礫石層往漢江方向逐漸增厚(最厚處超過40 m)。地下水水位隨含水層的埋深變化較大，一般屬于孔隙潛水，少數(shù)略具承壓性。漢江一級(jí)階地的深厚砂礫石層為良好的含水層，水量豐富，透水性好，水質(zhì)較好，受大氣降水和地表徑流補(bǔ)給。

3 襄陽(yáng)地區(qū)膨脹土特性

襄陽(yáng)地區(qū)膨脹土以Q2、Q3黏性土地層為主，為本線最具代表性的標(biāo)志性地層之一，廣泛分布于壟崗及河流階地上，呈棕黃、棕紅、棕褐色、磚紅色、褐黃色，外表呈網(wǎng)紋、蠕蟲狀，壟崗以硬塑-堅(jiān)硬為主，坳谷多為可塑。第四系覆蓋層一般厚10～20 m，往南襄盆地方向厚度趨增，在襄陽(yáng)附近達(dá)到最大(鉆孔80 m尚未揭示完全)。

膨脹性判定主要依據(jù)《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》[5]。線路通過地區(qū)的膨脹土路基工點(diǎn)取樣化驗(yàn)結(jié)果顯示：該段線路膨脹土的自由膨脹率一般大于40%，蒙脫石含量為25%左右，陽(yáng)離子交換量一般為240～355 mmol/kg，膨脹潛勢(shì)級(jí)別以中等膨脹性為主；個(gè)別地段膨脹土的自由膨脹率達(dá)到80%左右，蒙脫石含量40%左右，陽(yáng)離子交換量大于360 mmol/kg，屬?gòu)?qiáng)膨脹土。結(jié)合路基工點(diǎn)劃分情況，中-弱膨脹土工點(diǎn)約占46%，中膨脹土工點(diǎn)約占53%，強(qiáng)膨脹土工點(diǎn)不到1%(如表1)。

表1 襄陽(yáng)地區(qū)膨脹土主要物理及膨脹性指標(biāo)

4 膨脹土脹縮機(jī)理

根據(jù)其成因，膨脹土地基變形可分為飽水膨脹變形和失水收縮變形，總稱膨脹土的脹縮變形。根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》，膨脹土變形計(jì)算可分為3種情況(即Se、Ss、Ses)[6]，對(duì)于天然狀態(tài)下的某種特定膨脹土，其最高含水量對(duì)應(yīng)其最大體積，其最小含水量對(duì)應(yīng)其最大收縮量。從最小體積至最大體積的往復(fù)變形中，其最大變形量為一定值C，即

max(Se)=max(Ss)=max(Ses)=C

以上膨脹-收縮過程隨水文年自由循環(huán)(如圖1)。

圖1 天然狀態(tài)下地表膨脹-收縮曲線

隨著含水率的增長(zhǎng)，膨脹率緩慢增大，當(dāng)含水率達(dá)到一定程度后，膨脹率急劇增大；初始含水率越小，膨脹程度越嚴(yán)重[7]。

在外部荷載一定的條件下，膨脹進(jìn)程受到外部荷載限制，整個(gè)膨脹-收縮變形在達(dá)到最小含水率時(shí)完成最大收縮變形，其膨脹-收縮過程的最大變形量為加荷狀態(tài)下的膨脹變形量，并以此為振幅往復(fù)振蕩，但并非完全可逆[8](如圖2)。

圖2 加載狀態(tài)下地表膨脹-收縮曲線

Hs——最大含水量(最大膨脹變形)對(duì)應(yīng)的地面高程；

He——最小含水率(最大收縮變形)對(duì)應(yīng)的地面高程；

Wmax——最大含水量；

Wmin——最小含水量；

Sep——加載狀態(tài)下的最大膨脹量。

5 膨脹土膨脹性判定及計(jì)算依據(jù)

根據(jù)研究對(duì)象的實(shí)際建設(shè)情況以及安全等級(jí)，依據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》計(jì)算預(yù)測(cè)膨脹地基變形量[5-6]。

Se=ψe∑δepi·hi

(1)

∑hi=da-d

其中ψe——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)規(guī)范取值0.6；

δep——自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和作用下的膨脹率(本線為I型雙塊式無砟軌道，軌道與列車均布總荷載為50.5 kPa，采用室內(nèi)在50 kPa荷載下所得到的膨脹率最大值)；

h——基礎(chǔ)底面至大氣影響深度底面的計(jì)算厚度；

da——大氣影響深度，與區(qū)域水文、氣象條件有關(guān)；

d——基礎(chǔ)埋深。

對(duì)于某一特定區(qū)域，在特定載荷作用下，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(ψe)、大氣影響深度(da)以及膨脹率(δep)皆為定值。因此，膨脹變形量的大小取決于基礎(chǔ)埋深。根據(jù)取樣試驗(yàn)，在50 kPa荷載條件下，試樣中膨脹土的最大膨脹率為0.28%；根據(jù)襄陽(yáng)地區(qū)氣象資料(月蒸發(fā)量及降水量數(shù)據(jù))，計(jì)算得到襄陽(yáng)地區(qū)大氣影響深度約為3.43 m。與南陽(yáng)地區(qū)對(duì)比，該值代表性較高[9]。因此，本地區(qū)的膨脹土最大膨脹量可表述為

Se=0.6×0.0028×(3.43-d)=1.68(3.43-d)

(2)

按照《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，無砟軌道路基基床由基床表層和基床底層組成，結(jié)構(gòu)總厚度為2.7 m[4]。根據(jù)路基的填筑形式，可分以下情況進(jìn)行討論。

①路堤填高大于2.7 m，路基作為軌道基礎(chǔ)完全置于地表，d值為0，采用γH法，地基上附加應(yīng)力最小值(填高為2.7 m時(shí))相當(dāng)于室內(nèi)有荷膨脹率試驗(yàn)采用的100 kPa荷載條件。根據(jù)室內(nèi)側(cè)限條件下的有荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果，其有荷膨脹率為0，根據(jù)公式(1)計(jì)算，膨脹土地基不會(huì)產(chǎn)生膨脹變形；實(shí)際工程中，多采用地基加固以控制其工后沉降滿足規(guī)范要求。

②低填淺挖(填高或挖深不大于2.7 m)路段，路基設(shè)計(jì)為復(fù)合結(jié)構(gòu)形式[10]，即路堤式路塹。根據(jù)地基土膨脹潛勢(shì)，斷面設(shè)計(jì)采用小堤式路塹或大堤式路塹。當(dāng)采用小堤式路塹時(shí)，應(yīng)將開挖后路塹的側(cè)溝底面作為新的大氣水文交換面(如圖3)。

圖3 弱-中膨脹土路塹和低矮路基膨脹量計(jì)算示意(單位：m)

根據(jù)公式(2)，d=2.3-0.7=1.6 m

Se=1.68×(3.43-1.6)=3.07 mm

因此，在未進(jìn)行地基處理時(shí)，膨脹土小堤式路塹最大膨脹變形量為3.07 mm。

在強(qiáng)膨脹土地段，當(dāng)?shù)桶返袒蚵穳q設(shè)計(jì)為大堤式路塹形式時(shí)(如圖4)，根據(jù)公式(2)，有

d=0 m，Se=1.68×(3.43-0)=5.76 mm

因此，在未進(jìn)行地基處理時(shí)，膨脹土大堤式路塹可以產(chǎn)生的最大膨脹變形量為5.76 mm。

圖4 強(qiáng)膨脹土路塹和低矮路基膨脹量計(jì)算示意(單位：m)

6 膨脹土地基處理設(shè)計(jì)

6.1 一般路堤(填高2.7 m以上)

襄陽(yáng)地區(qū)壟崗及坳谷地帶的覆蓋層表層多分布有軟塑-可塑粉質(zhì)黏土，下部含粉、細(xì)砂等透鏡體，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按松軟土路基進(jìn)行地基加固處理。對(duì)膨脹土地基進(jìn)行復(fù)合地基加固設(shè)計(jì)時(shí)，宜結(jié)合膨脹土具體發(fā)育特征，計(jì)算中考慮其超固結(jié)性[11]，采用挖除換填或復(fù)合地基加固[12]。當(dāng)松軟土(膨脹土)層厚度小于3 m時(shí)，宜采用挖除換填A(yù)、B組填料的措施(如圖5)。

圖5 膨脹土層厚度≤3 m采用挖除換填處理(單位：m)

當(dāng)松軟土(膨脹土)層厚度大于3 m時(shí)，一般采用CFG樁加固，樁底應(yīng)穿透松軟土地層并置于基巖或砂礫石層之中，設(shè)計(jì)最小樁長(zhǎng)為4 m(如圖6)。

圖6 膨脹土層厚度>3 m采用復(fù)合地基處理(單位：m)

6.2 路塹及低矮路基(填高≤2.7 m)

路基基床總厚度為2.7 m。其中，基床表層采用級(jí)配碎石，厚0.4 m；基床底層采用A、B組填料填筑，厚2.3 m?；卜秶鷥?nèi)挖除膨脹土，基床底層與下部膨脹土之間采用“中粗砂+復(fù)合土工膜”隔離，厚0.1 m；并根據(jù)地基土膨脹潛勢(shì)，采用小堤式路塹或大堤式路塹進(jìn)行橫斷面設(shè)計(jì)。

對(duì)于挖深大于2.7 m的膨脹土路塹，亦可采用復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，針對(duì)不同膨脹潛勢(shì)的地基及路基橫斷面，采用大堤式路塹或小堤式路塹形式，基底以下除防水保濕措施外，一般不需進(jìn)行地基加固處理(如圖7、圖8)。

圖7 深挖方路基基底防排水措施(小堤式路塹)(單位：m)

圖8 深挖方路基基底防排水措施(大堤式路塹)(單位：m)

對(duì)于挖深不大于2.7 m的膨脹土路塹或低矮路基，當(dāng)膨脹土層厚度小于3 m時(shí)，可挖除換填A(yù)、B組填料；膨脹土層厚度大于3 m時(shí)，一般采用CFG樁筏結(jié)構(gòu)加固，樁長(zhǎng)根據(jù)檢算確定，設(shè)計(jì)最小樁長(zhǎng)為4 m(如圖9、圖10)。

圖9 淺挖方和低矮路基地基加固處理(小堤式路塹)(單位：m)

圖10 淺挖方和低矮路基地基加固處理(大堤式路塹)(單位：m)

同理，對(duì)于基床底面以下，可采用挖除換填或復(fù)合地基加固的膨脹土路塹和低矮路基，無需考慮地基膨脹變形。

6.3 膨脹土地基防排水措施

溫濕度變化是引起膨脹土地基工程性質(zhì)變化以致發(fā)生各種基床病害的根本原因，設(shè)計(jì)過程中必須重視膨脹土地基的防水保濕工作。

(1)應(yīng)控制大氣降水直接入滲浸潤(rùn)基床及地基土?；脖砻妗⒙穳q側(cè)溝內(nèi)外側(cè)平臺(tái)均采用混凝土封閉，并將其表面設(shè)計(jì)為不小于4%的排水坡度，將降水收集入排水系統(tǒng)；低填淺挖路基、路塹采用復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，可有效地降低或消除水對(duì)基床部位的侵害[10]。

(2)在路塹地段，于基床底層底面鋪設(shè)“中粗砂+復(fù)合土工膜”，用以隔離下部地基膨脹土，并通過人字坡將地表和地下滲水引排至基床底部?jī)蓚?cè)縱向滲排水網(wǎng)管(地下水較豐富時(shí)采用排水盲溝，如圖7)或側(cè)溝(如圖8)，以確?；惨韵碌貙拥暮勘３衷诜€(wěn)定狀態(tài)。

7 結(jié)束語(yǔ)

以襄陽(yáng)地區(qū)某在建高速鐵路工程為例，采用大氣影響深度法對(duì)該地區(qū)膨脹土的膨脹性進(jìn)行研究，通過計(jì)算得出不同路基設(shè)計(jì)形式膨脹土地基的膨脹量，對(duì)不同厚度膨脹土地基采取了針對(duì)性的地基加固措施。無論何種斷面形式的膨脹土路基，未經(jīng)處理的地基可能產(chǎn)生的膨脹量都很微小，其最大膨脹量?jī)H為5.76 mm?？紤]到路基本身為柔性結(jié)構(gòu)物，地基膨脹產(chǎn)生的微小變形傳遞至基床表面時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)小于其初始值[13]。因此，地基膨脹變形處于可接受范圍。同時(shí)，為減弱溫濕度變化對(duì)膨脹土地基的影響，在地基處理時(shí)通常于基底處采取隔水保濕措施。

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