高鐵路基填筑對膨潤土地基變形特性影響研究

王 拓

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308)

近年來，隨著國內(nèi)高速鐵路速度的提高，對地基沉降的要求越來越高。膨潤土作為一種強吸水性、高脹縮性土體，在其遇水時，會產(chǎn)生顯著的膨脹性；在其失水時，會產(chǎn)生較大的收縮性。干濕循環(huán)下，會產(chǎn)生明顯的脹縮效應(yīng)，對鐵路路基造成不利影響。

國內(nèi)外學(xué)者對膨潤土進行了大量的研究，胡桂陽等[1]對膨潤土混合物進行膨脹變形試驗，探究不同初始含水率對膨潤土變形的影響；王志儉等研究不同含水率和干密度對膨潤土混合物膨脹特性的影響[2]；孫德安等建立了膨潤土膨脹變形的計算模型[3]；王東偉等開展了一系列室內(nèi)干燥試驗，研究膨脹土干縮變形特性，測定了膨脹土的收縮特征曲線[4]。目前，相關(guān)研究多集中在膨潤土膨脹特性[5-6]以及其他膨脹土地基方面[7-10]，針對膨潤土地基的研究較少。

以濰坊至萊西高速鐵路(以下簡稱濰萊鐵路)工程為依托，在濰萊鐵路膨潤土試驗段進行填筑期內(nèi)的現(xiàn)場監(jiān)測[11]，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和處理分析，研究路基填筑過程中膨潤土地基的變形特性。

1 現(xiàn)場概況及監(jiān)測方案

濰萊鐵路為設(shè)計速度350 km/h雙線無砟高速鐵路，線間距為5.0 m，最小曲線半徑為7 000 m，最大坡度為20‰。

1.1 現(xiàn)場概況

膨潤土試驗段地勢平坦，地表大多為耕地，局部有膨潤土分布，其主要成分為凝灰質(zhì)角礫巖和膨潤土化凝灰?guī)r，工程性質(zhì)較差。

試驗段范圍內(nèi)表層覆蓋全新統(tǒng)人工堆積層雜填土、素填土，層厚0～4.8 m；第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土；下伏白堊系下統(tǒng)青山組凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)角礫巖、膨潤土化凝灰?guī)r及膨潤土化凝灰質(zhì)角礫巖[12]。

其中，沿線分布的膨潤土化凝灰?guī)r及膨潤土化凝灰質(zhì)角礫巖，遇水膨脹性強。根據(jù)取樣后的膨脹性試驗數(shù)據(jù)，其自由膨脹率Fs=25%～41%，蒙脫石含量M=21.35%～41.85%，陽離子交換量CEC(NH4+)=200.97～531.35 mmol/kg，依據(jù)《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》中有關(guān)內(nèi)容，判定其具有中等-強膨脹性。

試驗段屬溫帶亞濕潤氣候，春秋干旱少雨，夏季炎熱多雨，季節(jié)分明。年平均降水量約600 mm，土壤最大凍結(jié)深度為0.51 m。地下水為基巖裂隙水，地下水位埋深為2.6～5.4 m，地下水位季節(jié)變化幅度為2～4 m。

1.2 監(jiān)測方案

試驗段為路堤，監(jiān)測斷面填高約為8.5 m。該監(jiān)測斷面上覆粉質(zhì)黏土，下伏全風(fēng)化膨潤土化凝灰質(zhì)角礫巖、強風(fēng)化膨潤土化凝灰質(zhì)角礫巖，路堤兩側(cè)邊坡自基床表層以下至坡腳處每隔0.6 m鋪設(shè)1層雙向土工格柵，寬3 m，每隔1.2 m通鋪1層單向土工格柵。路基基底采用鉆孔灌注樁加固，正方形布置，樁徑0.8 m，樁間距6.0 m，樁長8～10 m，樁頂處由下至上分別設(shè)置0.5 m厚三七灰土墊層、0.2 m厚碎石墊層以及0.05 m厚C20素混凝土墊層，墊層頂設(shè)置厚0.8 m的C40鋼筋混凝土板。

現(xiàn)場監(jiān)測主要通過多點位移計、柔性位移計以及孔隙水壓力計進行。在膨潤土地基中布設(shè)3組多點位移計，分別位于路基左側(cè)坡腳、路基中心位置及路基右側(cè)坡腳處。每組設(shè)置4通道多點位移計，最上端錨頭設(shè)置于路基基底樁頂，其余3處錨頭分別布設(shè)至距樁頂2.67 m、5.33 m以及8.0 m深度處。

柔性位移計布設(shè)于鋼筋混凝土板頂部第1層通鋪土工格柵處，橫向等間距布置，數(shù)量為6組。

孔隙水壓力計布設(shè)于膨潤土地基中，布置深度分別為15 m、17 m、19 m、21 m、23 m、25 m，沿線路縱向方向間距為2 m。

路堤形式及各處監(jiān)測元器件的布設(shè)位置如圖1所示。

現(xiàn)場監(jiān)測自開工之日開始，整個監(jiān)測過程持續(xù)約40 d，其中前30 d為路基填筑期?，F(xiàn)場監(jiān)測采用多點位移計觀測地基沉降，柔性應(yīng)變計觀測土工格柵變形，孔隙水壓力計觀測土體孔隙水壓力。

2 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果及分析

2.1 多點位移計結(jié)果及分析

圖1 監(jiān)測元器件布置示意(單位：m)

分別提取路基中心及坡腳以下地基多點位移計的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到地基分層沉降數(shù)據(jù)，如圖2、圖3所示。

圖2 路基中心處地基沉降曲線

圖3 坡腳處地基沉降曲線

由圖2、圖3可知，在路基填筑過程中，路基中心處地基沉降發(fā)生變化，初始沉降均為0，埋深2.67 m處沉降增至5 mm，埋深5.33 m處沉降增至10 mm，埋深8.0 m處沉降增至15 mm，3組分層沉降基本均勻。在16 d時，3組多點位移計的數(shù)據(jù)分別為3.514 mm、7.220 mm、10.99 mm，占填筑期地基總沉降的70%左右，此時路基填筑高度為6.3 m，地基沉降由開始時短時間內(nèi)的快速增長逐漸趨于緩慢增長至收斂。

隨著路基填筑的進行，上覆荷載增加，地基沉降逐漸增大。沉降沒有隨著上覆荷載的增加呈線性增長，而是存在1個較為明顯的拐點。由此說明，上覆荷載對膨潤土地基沉降具有一定的影響，在填高達到一定高度后，地基沉降增長速率降低且隨著時間逐漸趨于穩(wěn)定。上覆荷載較小(即填高較低)時，地基沉降增長速率較快。

地基分層沉降并沒有顯示出明顯的差異，即每層沉降較為均勻。這是由于本試驗段采用樁板結(jié)構(gòu)加固[13]，加固區(qū)內(nèi)的地基附加應(yīng)力傳遞到樁身，并由樁身傳遞到樁端。即使是歷經(jīng)干濕循環(huán)，加固區(qū)內(nèi)的地基并未顯示出明顯的脹縮特性。

路基坡腳處與中心處地基沉降趨勢大體相同，初始沉降均為0，埋深2.67 m處沉降增至4 mm，埋深5.33 m處沉降增至8 mm，埋深8.0 m處沉降增至12 mm，3組分層沉降基本均勻。但坡腳處沉降變化速率及沉降值均較中心處略小，地基沉降呈現(xiàn)出兩端小中心大的現(xiàn)象，路基中心位置處上覆荷載最大，坡腳處最小，說明膨潤土地基沉降受上覆荷載影響較大[14-15]。且由于膨潤土地基的脹縮特性，坡腳處地基在路基填筑時更容易與水接觸，使得膨潤土遇水膨脹，出現(xiàn)了上拱現(xiàn)象，導(dǎo)致地基沉降有所減小。

2.2 柔性位移計結(jié)果及分析

通過鋼筋混凝土板頂部土工格柵處柔性位移計的監(jiān)測，得到各處土工格柵柔性位移，如圖4所示。

圖4 土工格柵柔性位移曲線

土工格柵柔性位移初始均為0，在路基填筑過程中，③、④號土工格柵柔性位移增至約1.1 mm，②、⑤號土工格柵柔性位移增至約0.8 mm，①、⑥號土工格柵柔性位移增至約0.6 mm，6組土工格柵柔性位移大體呈線性增長趨勢，并未出現(xiàn)突變增長期，且在填筑結(jié)束后達到穩(wěn)定狀態(tài)。

填筑初期，土工格柵變形與地基沉降有著相似的變化趨勢，即隨著上覆荷載的增加，格柵變形逐漸增大。但當(dāng)?shù)鼗两颠_到拐點后，格柵沉降并未出現(xiàn)拐點，而是繼續(xù)以較為均勻的變形直至填筑結(jié)束。

這說明鋼筋混凝土板頂部處的土工格柵為持續(xù)受拉狀態(tài)，并隨著路基填筑的進行，柔性位移逐漸增大。與地基變形不同，土工格柵產(chǎn)生了較為均勻的變形，說明樁板結(jié)構(gòu)的剛性加固方式消除了膨潤土地基變形對路基本體的影響，土工格柵的變形隨荷載的增加而增大，同時這也使得路基荷載均勻的作用在地基上。

由于路基中心位置荷載最大，且荷載由中心向兩側(cè)遞減，土工格柵變形顯示出自路基中心向兩側(cè)逐漸衰減的現(xiàn)象。

2.3 孔隙水壓力計結(jié)果及分析

通過地基土的孔隙水壓力計的監(jiān)測，得到不同深度孔隙水壓力的變化情況，如圖5所示。

圖5 地基孔隙水壓力

填筑過程中，孔隙水壓力由初始值110～210 kPa逐漸增大，初始增長較快，隨后增長率逐漸變緩，20 d時，埋深15～25 m處的孔隙水壓力最大值可達115～215 kPa。40 d時，孔隙水壓力逐漸出現(xiàn)穩(wěn)定趨勢?？紫端畨毫﹄S埋深增加而增大，且基本與埋深成正比例。各埋深處孔隙水壓力隨路基填筑的變化規(guī)律基本相同。

填筑初期，孔隙水壓力隨著填筑的進行呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，說明由于上覆荷載的增大，導(dǎo)致膨潤土土體受到擠壓，微孔隙減小，孔隙水壓力增大，此時孔隙水壓力增長較快。但隨后孔隙水壓力增長速率逐漸放緩，在此階段地基沉降速率也逐漸變緩，這說明膨潤土地基沉降與孔隙水壓力密切相關(guān)，孔隙水壓力的變化反映出膨潤土地基沉降的變化情況。

隨著填筑的進行，孔隙水壓力增大速率減小，這時膨潤土地基沉降速率明顯降低。當(dāng)孔隙水壓力穩(wěn)定后，地基沉降也趨于收斂。由此可見，膨潤土地基排水固結(jié)為地基沉降的主要過程，孔隙水壓力的逐漸收斂使得地基沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)語

(1)濰萊鐵路試驗段通過樁板加固等措施，對膨潤土地基沉降控制較好，加固效果明顯。隨著路基填筑荷載的增加，地基沉降逐漸增大，填筑高度6 m后，地基沉降增加速率明顯降低。

(2)鋼筋混凝土板頂部土工格柵柔性變形均勻，呈現(xiàn)出由路基中心向兩側(cè)逐漸衰減的趨勢。樁板結(jié)構(gòu)削弱了地基沉降對路基本體的影響。

(3)膨潤土地基沉降過程和孔隙水壓力變化過程密切相關(guān)，當(dāng)孔隙水壓力穩(wěn)定時，地基沉降也趨于收斂。加強防水排水可有效控制膨潤土地基沉降變形。