高速鐵路地基膨脹泥巖變形試驗及計算研究*

高始軍

(中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211880)

0 引言

高速鐵路主要采用無砟軌道，對軌面高程精度要求極高。高速鐵路路基在列車循環(huán)荷載和雨水等共同作用下可能發(fā)生路面開裂、路基沉降、基床翻漿冒泥等病害[1-3]。

目前，已有許多學者對路基上拱變形和膨脹土變形進行機理和試驗方面的研究，并取得一定成果。陳偉志等[4]通過對高速鐵路無砟軌道地基現(xiàn)場浸水試驗的研究，發(fā)現(xiàn)膨脹土地基浸水飽和后極限相對膨脹量的變化規(guī)律，以及膨脹量變形沿路基橫向與地基深度分布規(guī)律，為確定路基臨界高度設(shè)計提供標準；孔令偉等[5]、郭愛國等[6]研究弱膨脹土作為路基填料對路堤填筑結(jié)構(gòu)型式的影響，分析膨脹土CBR(加州承載比)值變化規(guī)律，通過將CBR值作為膨脹判斷標準，提供1種新型路堤填筑結(jié)構(gòu)型式和1種路堤填筑質(zhì)量的控制措施；許瑛等[7]通過室內(nèi)試驗，對陜西安康弱膨脹土進行研究，揭示膨脹量與上覆荷載成負指數(shù)關(guān)系，并總結(jié)膨脹量與初始含水量之間的數(shù)量關(guān)系；徐永福等[8-10]研究寧夏膨脹土的變形規(guī)律，利用線性回歸得到初始含水率、上覆荷載與膨脹量之間的函數(shù)表達式；李振等[11-12]對不同干密度的膨脹土進行浸水試驗，得出浸水前后荷載對試樣膨脹變形量的影響規(guī)律。

對于普通鐵路而言，地基膨脹土變形對路基影響常忽略不計，而高速鐵路無砟軌道路基控制標準要求較高[13-16]，地基膨脹土的膨脹變形對其影響顯著。目前，針對土體膨脹變形的研究，多采用線性回歸來計算膨脹量，而從力學性能分析相對較少，且缺乏理論依據(jù)。本文考慮含水率和上覆荷載對膨脹量的共同影響，通過室內(nèi)試驗和力學理論研究膨脹量變化規(guī)律，為相關(guān)設(shè)計和施工提供一定的理論依據(jù)。

1 室內(nèi)試驗

1.1 試驗土樣性質(zhì)

試驗土樣取自某高鐵上拱膨脹變形路段，里程為DK18+350，取土深度為10～15 m。土樣以粉質(zhì)性黏土礦物為主，具有較高壓實性和強度，如圖1所示。試驗土樣參數(shù)見表1。

表1 土樣物理性質(zhì)參數(shù)

圖1 地基膨脹泥巖試樣

1.2 試驗樣品制備

為避免地基膨脹泥巖含水率降低，造成土體結(jié)構(gòu)破壞以至產(chǎn)生裂隙。采用鉆機鉆芯取樣，并采用保鮮膜將原地剛開采出的土樣進行包裹，將包裹好的土樣裝入含紙屑的木箱進行長途運輸。利用鋼絲鋸和切土刀對原狀土進行細加工，試樣尺寸為640 mm×640 mm×40 mm。

1.3 試驗方案

根據(jù)一維滲透固結(jié)原理，通過百分表測量土體膨脹變形位移，制造出適用于測量不同含水率和上覆荷載作用下土體膨脹變形的專用設(shè)備。本文試驗的具體步驟為：

1)通過室內(nèi)試驗測量試樣的風干含水率，以風干含水率為初始含水率。

2)根據(jù)初始含水率(3.0%)和土樣質(zhì)量來計算每次注水質(zhì)量，由注水裝置自下而上向土樣中注水，保證含水率在初始含水率的基礎(chǔ)上以2%的梯度遞增。

3)通過百分表測量上覆荷載分別為0，10，20，30，40，50 kPa時對應的土體膨脹量，數(shù)據(jù)記錄頻率為20 min/次。地基膨脹泥巖注水后達到膨脹變形穩(wěn)定時即可開始下一次注水，地基膨脹泥巖的膨脹變形穩(wěn)定標準為2 h內(nèi)豎向累計變形小于0.01 mm。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 膨脹量隨時間變化規(guī)律

通過地基膨脹泥巖浸水試驗，得出地基膨脹泥巖在不同上覆荷載和含水量下的膨脹量隨時間變化規(guī)律，如圖2所示。

圖2 地基膨脹泥巖的膨脹量隨時間變化規(guī)律

由圖2可知，無荷載地基膨脹泥巖的膨脹量隨時間增加呈增長趨勢；有荷載地基膨脹泥巖的膨脹量隨時間呈先減小后增大的趨勢，最終均趨于穩(wěn)定，且最終膨脹量隨荷載增大而減小。

當無上覆荷載作用時，地基膨脹泥巖的膨脹量呈階梯式增長。由于地基膨脹泥巖中含有的少量膨脹性礦物成分與水接觸有限，每次膨脹結(jié)束便穩(wěn)定在某一定值，如若此時增加其含水量，將與地基膨脹泥巖內(nèi)部膨脹性物質(zhì)進一步接觸反應，產(chǎn)生“新一輪”的膨脹變形。每一注水完成后，膨脹量加速增長階段大約持續(xù)1.5～2 h，緩慢增長并穩(wěn)定階段大約持續(xù)2～3 h，約在35 h時，含水量對地基膨脹泥巖的膨脹變形特性產(chǎn)生影響甚微。由此可知，35 h后地基膨脹泥巖的膨脹量幾乎穩(wěn)定，此時對應土體的最終膨脹量。

當上覆荷載分別為10，20，30，40，50 kPa時，膨脹量隨時間大致呈先減小后增大并最終趨于平緩的趨勢，局部依然呈階梯式發(fā)展。由于地基膨脹泥巖初期遇水后，結(jié)構(gòu)強度降低，在上覆荷載作用下，因自身強度不足難以抵抗外部荷載，在豎向方向產(chǎn)生壓縮變形，分別在10，12.6，14，15，15.6 h時達到極限壓縮量，分別為0.184，0.212，0.246，0.264，0.365 mm。由此可以發(fā)現(xiàn)，隨著上覆荷載增大，地基膨脹泥巖達到壓縮穩(wěn)定時間延長，壓縮量增大，且恢復初始厚度的時間也相應延長。

當上覆荷載為40 kPa和50 kPa時，地基膨脹泥巖的膨脹量隨時間變化規(guī)律相似，均以壓縮變形為主。其中，當上覆荷載為50 kPa時，土體最終膨脹量小于0，這是由于地基膨脹泥巖遇水產(chǎn)生的膨脹力最終未能抵抗上覆荷載的作用。

2.2 膨脹量隨含水率變化規(guī)律

地基膨脹泥巖的膨脹量在不同上覆荷載作用下，膨脹量隨含水率變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 地基膨脹泥巖的膨脹量隨含水率變化規(guī)律

由圖3可知，含水率對地基膨脹泥巖的膨脹變形影響較大。在無荷載試驗中膨脹量隨含水率的增加而增加；對于有荷載試驗，膨脹量隨含水率的增加多呈先減小后增大的趨勢。

當無上覆荷載作用時，對應含水率為3%～7%時，地基膨脹泥巖的膨脹速率增速較快；對應含水率為7%～21%時，膨脹量大致呈線性增長趨勢；對應含水率在23%附近時，地基膨脹泥巖達到膨脹變形穩(wěn)定狀態(tài)。當有上覆荷載作用時，對應含水率為9%～11%時，地基膨脹泥巖在荷載作用下達到壓縮極限；對應含水率為11%～20%時，地基膨脹泥巖開始發(fā)生膨脹變形，膨脹量增加；對應含水率為23%～25%時，地基膨脹泥巖的膨脹量基本穩(wěn)定在某一定值。

2.3 膨脹量隨上覆荷載變化規(guī)律

高度為40 mm的地基膨脹泥巖在浸水穩(wěn)定時，最終膨脹量隨上覆荷載變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 地基膨脹泥巖的最終膨脹量隨上覆荷載變化規(guī)律

由圖4可知，地基膨脹泥巖在浸水試驗中，最終膨脹量隨上覆荷載的增加大致呈線性減小趨勢。當上覆荷載由0 kPa增至10 kPa時，最終膨脹量縮減幅度最大，縮減斜率對應0.156 mm/kPa，由此可知，有無上覆荷載對地基膨脹泥巖的膨脹變形影響較大，上覆荷載對土體的抑制作用也較為明顯；當上覆荷載由10 kPa增至30 kPa時，地基膨脹泥巖的最終膨脹量縮減幅度先減小后增大，這是由于荷載增大對地基膨脹泥巖有明顯的擾動作用；當上覆荷載由30 kPa至50 kPa時，最終膨脹量縮減幅度增大，說明上覆荷載過大時，會對地基膨脹泥巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞以至其強度降低。

3 地基膨脹泥巖的膨脹量理論計算公式推導

試驗土樣中含具有膨脹性的黏土礦物顆粒，主要包括蒙脫石(含量約1.5%)、伊利石(含量約2.6%)、高嶺土(含量約0.8%)。注水前，在膠結(jié)物的黏結(jié)作用下呈規(guī)律排列；注水后，礦物顆粒表面發(fā)生水化反應，產(chǎn)生膨脹力，在膨脹力的作用下，礦物顆粒被迫脫離膠結(jié)物的連接，發(fā)生位置變化，使得顆粒間產(chǎn)生一定裂隙，該空間將被水所充滿。在含水率一定的情況下，隨著時間的增長，膨脹力與礦物顆粒間的黏結(jié)力會達到平衡，此時裂隙空間不再增加，膨脹變形趨于穩(wěn)定。在開始下次注水時，礦物顆粒此前達到的平衡將被打破，裂隙會進一步增大，直至新一輪的平衡[17]。由膨脹機理可知，在土樣吸水飽和前，含水率的增加會不斷打破原有的平衡，引起進一步膨脹。含水率在特定的范圍內(nèi)時，膨脹量與含水率之間大致呈正相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合上述分析，考慮荷載的作用，本文從力學的角度進行地基膨脹泥巖的膨脹量計算公式推導。

3.1 有荷載地基膨脹泥巖的膨脹量計算

含水量是地基膨脹泥巖發(fā)生膨脹變形的直接原因，上覆荷載對其起抑制作用。在含水量一定時，考慮土體自身的膨脹力與上覆荷載的關(guān)系，推導出上覆荷載作用下地基膨脹泥巖的膨脹量計算公式。

進行以下基本假設(shè)：

1)土樣滿足線彈性本構(gòu)模型，試樣材料為虎克彈性體。

2)考慮含水量和自身膨脹力對土體膨脹變形的影響。

3)土樣僅在豎向產(chǎn)生膨脹，側(cè)向被約束。

通過室內(nèi)試驗，研究風干含水率為3%的地基膨脹泥巖，利用注水裝置改變地基膨脹泥巖的含水率，發(fā)現(xiàn)在上覆荷載一定的情況下，忽略地基膨脹泥巖浸水產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)強度損失，地基膨脹泥巖的膨脹量隨含水率的增加大致呈線性增長趨勢，對試驗數(shù)據(jù)進行線性回歸，地基膨脹泥巖的膨脹量與含水率呈線性關(guān)系[18]，如式(1)所示：

δ1=K(w-w0)

(1)

式中：δ1為土體豎向膨脹量，mm；K為試驗初始斜率；w為含水率；w0為初始含水率。

側(cè)限約束條件下，土體在實際鐵路地基及模型試驗中的受力狀態(tài)如圖5所示。其中，p0為地基膨脹泥巖遇水后自身產(chǎn)生的膨脹力，Pa；p1為四周桶壁的擠壓力，Pa；p為上覆荷載，Pa。

圖5 側(cè)限膨脹試驗土樣受力模型

地基膨脹泥巖在某一特定含水條件下產(chǎn)生膨脹變形，在徑向及環(huán)向方向上，地基膨脹泥巖受周圍桶壁約束作用，限制其側(cè)向變形；在豎向方向上，土體受上覆荷載作用，當p

室內(nèi)試驗測量地基膨脹泥巖的膨脹量，因試樣采用圓柱體(Ф80 mm×40 mm)，故選用柱坐標系求解。目前，土力學的地基沉降計算多基于經(jīng)典彈性理論[16]。在線彈性模型中，只需要彈性模量E和泊松比ν2個材料參數(shù)即可描述其應力應變關(guān)系。對于該地基膨脹泥巖，可引入膨脹率，根據(jù)定義可得式(2)：

(2)

式中：α為膨脹率；h1為試樣膨脹后高度，mm；h0為試樣初始高度，mm。

根據(jù)物理方程并引入膨脹率，地基膨脹泥巖的應力應變關(guān)系可表示為式(3)：

(3)

式中：Δεr為徑向應變增量；Δεθ為環(huán)向應變增量；Δεz為豎向應變增量；σr為徑向應力分量，MPa；σθ為環(huán)向應力分量，MPa；σz為豎向應力分量，MPa；E為彈性模量，MPa；α為膨脹率；ν為泊松比。

在有荷試驗中，試樣豎向受到外加荷載作用，徑向和環(huán)向則被完全限制，如式(4)所示：

Δεr=Δεθ=0

(4)

其中，在徑向及環(huán)向方向應力增量如式(5)～(6)所示：

(5)

(6)

將式(4)，(5)，(6)分別代入式(3)可得式(7)：

(7)

由此可知，當考慮含水率與上覆荷載的耦合作用對地基膨脹泥巖的膨脹變形影響時，將式(7)代入式(2)，并結(jié)合式(1)，可得地基膨脹泥巖的膨脹量，如式(8)所示：

(8)

式中：δ2為地基膨脹泥巖的膨脹量，mm。

3.2 無荷載地基膨脹泥巖的膨脹量計算公式

當不考慮上覆荷載對地基膨脹泥巖的膨脹量抑制作用時，在豎向方向，符合式(9)：

p=ΔεzE

(9)

將式(9)代入式(8)可得式(10)：

(10)

3.3 理論驗證

通過三軸試驗確定泊松比ν取0.32，初始斜率K取0.04；地基膨脹泥巖試樣初始高度h0取40 mm，對應風干含水率為3%。

將各參數(shù)代入式(10)，計算地基膨脹泥巖在不同含水率下的膨脹量，無荷載地基膨脹泥巖的膨脹量計算結(jié)果與試驗結(jié)果隨含水率w變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 無荷載地基膨脹泥巖的膨脹量隨含水率變化規(guī)律

由圖6可知，公式計算結(jié)果與試驗結(jié)果規(guī)律相似，膨脹量隨含水率的增加而增加，在注水初期，當對應含水率為5%～7%，相對誤差分別為34.4%和20.3%，這是由于注水初期，試樣浸水以至土體強度降低，進而影響試驗結(jié)果，該線地基土含水率在7%以上時，最大相對誤差控制在14.87%。

4 結(jié)論

1)無上覆荷載作用時，地基膨脹泥巖的膨脹量隨時間呈“階梯式”持續(xù)增長。有上覆荷載作用時，膨脹量隨時間大致呈先減小后增大的趨勢，在對應含水率為9%～13%時，地基膨脹泥巖的膨脹量最小，然后隨時間呈同無荷載試驗相似的“階梯式”增長，且上覆荷載越大所需的變形穩(wěn)定時間越長。

2)含水率對地基膨脹泥巖的膨脹變形影響較大，在無荷載試驗中膨脹量隨含水率的增加而增加；對于有荷載試驗，膨脹量隨含水率的增加呈先減小后增大的趨勢。當對應含水率為23%～25%時，地基膨脹泥巖達到膨脹變形穩(wěn)定，而最終膨脹量隨上覆荷載的增加大致呈線性減小趨勢。

3)通過將試樣假設(shè)為虎克彈性體，利用物理方程并引入膨脹率，推導出該段鐵路地基土在含水率和上覆荷載共同作用下的膨脹量計算公式，其中，通過試驗結(jié)果與所推公式計算結(jié)果間的對比，驗證無上覆荷載作用下的地基膨脹泥巖的膨脹量計算公式的準確性，該線地基土含水率在7%以上時，最大相對誤差為14.87%，為工程提供一定的理論支撐。