于榮喜

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

合蚌客運(yùn)專(zhuān)線是京福高速鐵路的重要組成部分，同時(shí)也是京滬高速鐵路與合武客運(yùn)專(zhuān)線間的快速連通線，正線全長(zhǎng)129.861 km，其中正線路基總長(zhǎng)42.11 km，約占正線總長(zhǎng)的32.9%，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，采用CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道;項(xiàng)目位于安徽省中部，為淮河平原與沿江平原之間的江淮崗地丘陵區(qū)，沿線廣泛分布第四系上更新統(tǒng)黏土，褐黃色，硬塑，自由膨脹率為5% ～74%，蒙脫石含量為17% ～36%，陽(yáng)離子交換量為240～390 mmol/kg，具有弱～中膨脹性。

1 合蚌客運(yùn)專(zhuān)線沿線膨脹土的工程地質(zhì)特征

1.1 地層巖性

合蚌客運(yùn)專(zhuān)線膨脹土分布于沿線經(jīng)過(guò)之江淮波狀平原區(qū)，微地貌形態(tài)為一、二級(jí)階地及崗地，分布高程多介于20～66 m。地層巖性:上部為棕黃色黏土、粉質(zhì)黏土，硬塑，含鐵、錳薄膜，并多含鐵錳質(zhì)結(jié)核層，該層柱狀裂隙較發(fā)育，節(jié)理面光滑，裂隙在干燥條件下為開(kāi)啟狀，并多見(jiàn)有擦痕，裂隙中充填灰白、灰綠色黏土條帶或薄膜，厚度1～3 m;中部為棕黃及土黃色黏土、粉質(zhì)黏土，含鐵、錳質(zhì)結(jié)核，硬塑，柱狀裂隙發(fā)育一般，裂隙多呈閉合狀，裂隙面光滑，厚3～5 m;下部為棕紅色黏土，含灰白色鋁質(zhì)條帶，硬塑，柱狀節(jié)理不發(fā)育，厚5～25 m。

1.2 大氣影響深度

大氣影響深度是自然氣候作用下，由降水、蒸發(fā)、地溫等因素引起土體脹縮變形的有效深度。依據(jù)安徽地區(qū)多年蒸發(fā)量與降雨量等氣象資料的統(tǒng)計(jì)值，以及在高速公路取樣試驗(yàn)研究的成果，本工程區(qū)域的濕度系數(shù)ψw=0.868。按《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GBJ112—87)［1］表3.2.5確定的相應(yīng)的大氣影響深度為3.20 m，大氣影響急劇層深度為1.44 m。本次研究主要為大氣影響深度及取土場(chǎng)開(kāi)挖深度范圍內(nèi)的膨脹土。

1.3 膨脹土主要物理力學(xué)指標(biāo)

主要物理力學(xué)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)詳見(jiàn)表1，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，自由膨脹率多介于40% ～60%，單指標(biāo)判定以弱膨脹土為主，而蒙脫石含量多介于17% ～33%，單指標(biāo)判定以中等膨脹土為主，陽(yáng)離子交換量多介于200～400 mmol/kg，單指標(biāo)判定多為弱膨脹土及中等膨脹土，各指標(biāo)頻次分布詳見(jiàn)圖1～圖3，按照《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》(TB10038—2012)［2］表 5.5.2-3 的綜合判定(當(dāng)土質(zhì)符合任意2項(xiàng)以上指標(biāo)時(shí)即判定為該等級(jí))，判定結(jié)果詳見(jiàn)圖4，從統(tǒng)計(jì)分析，本線膨脹土屬弱～中等膨脹土，僅個(gè)別土樣具強(qiáng)膨脹潛勢(shì)，其液限一般大于39%，其他指標(biāo)如膨脹力在11～39 kPa，無(wú)荷膨脹率在0.3% ～9.1%，平均4.1%左右，25 kPa荷載下的膨脹率在0.1% ～1.9%，50 kPa荷載下的膨脹率在0.1% ～1.1%，收縮系數(shù)在0.17～0.36。

表1 膨脹土的常規(guī)物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

圖1 自由膨脹率頻次分布

圖2 蒙脫石含量頻次分布

圖3 陽(yáng)離子交換量頻次分布圖圖

圖4 按鐵路規(guī)范膨脹土潛勢(shì)判定結(jié)果

2 高速鐵路膨脹土路基設(shè)計(jì)難點(diǎn)

合蚌客運(yùn)專(zhuān)線設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，采用無(wú)砟軌道，對(duì)路基變形要求極其嚴(yán)格，而沿線廣泛分布的膨脹土，穩(wěn)定性差，受氣候影響大，對(duì)路基危害大，本工程的設(shè)計(jì)難度主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)膨脹土受氣候影響大，遇水膨脹、崩解，失水急劇收縮開(kāi)裂，對(duì)路基影響大。

(2)膨脹土在高速列車(chē)動(dòng)荷載及水的影響下，容易破壞失穩(wěn)。

(3)線路附近缺乏優(yōu)質(zhì)填料，根據(jù)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，采用改良土填筑，而對(duì)膨脹土的改良利用是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

(4)高速無(wú)砟軌道線路對(duì)路基變形要求嚴(yán)格，如何進(jìn)行地基處理，控制路基變形是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

3 高速鐵路膨脹土路基設(shè)計(jì)措施

為避免合蚌客運(yùn)專(zhuān)線沿線廣泛分布的膨脹土對(duì)高速鐵路產(chǎn)生影響，采用以下措施對(duì)膨脹土進(jìn)行處理，以滿足高速鐵路路基的沉降與穩(wěn)定的要求。

3.1 路堤基底處理

由于膨脹土在大氣降水的影響下具有吸水膨脹、軟化、崩解和失水急劇收縮開(kāi)裂的性質(zhì)，為了保證路基基底的穩(wěn)定性，對(duì)膨脹土地段路堤基底挖除換填0.5 m改良土，作為膨脹土與路堤之間的隔離層，減少膨脹土的大氣影響深度，減少基底膨脹土對(duì)路基的影響;換填設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 路堤基底換填(單位:m)

3.2 路基基床處理

基床是受列車(chē)動(dòng)荷載影響最大的部分，其穩(wěn)定性及強(qiáng)度直接影響高速鐵路運(yùn)營(yíng)的安全及舒適性，高速鐵路對(duì)路基基床的要求非常高，特別是對(duì)路塹及低填淺挖路基，其基床位于膨脹土中，受氣候變化影響很大，需要對(duì)路基基床進(jìn)行特殊處理。針對(duì)本線廣泛分布的膨脹土，設(shè)計(jì)時(shí)采用不同于一般鐵路路塹形式的路堤式路塹形式，將路基基床部分的膨脹土，全部挖除換填A(yù)、B組填料或改良土，保證路基基床不受膨脹土影響，同時(shí)將側(cè)溝設(shè)置于路基基床以下，及時(shí)引排基床積水，減少地表、地下水對(duì)基床的影響，保證路基基床不受膨脹土影響。路堤式路塹設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 路堤式路塹設(shè)計(jì)(單位:m)

3.3 膨脹土邊坡防護(hù)

膨脹土地區(qū)路塹邊坡由于直接與大氣接觸，其受氣候影響較大，新開(kāi)挖邊坡在降水影響下容易崩解，造成邊坡溜坍、滑坡等路基病害。本次設(shè)計(jì)時(shí)邊坡坡率采用放緩一級(jí)處理，一般采用1∶1.75～1∶2，路塹邊坡采用加厚型拱形截水骨架護(hù)坡(主骨架厚0.8 m)，骨架內(nèi)種植灌木、草籽，坡底留3 m平臺(tái)的綜合治理措施。

3.4 膨脹土填料改良

由于本線大部處于江淮平原區(qū)，線路附近缺乏優(yōu)質(zhì)填料，如路基填料全部采用遠(yuǎn)運(yùn)，工程投資巨大，所以本線除窯河以北剝蝕丘陵區(qū)及部分路基基床填料采用外運(yùn)A、B組填料外，其余路基均采用改良土填筑，改良土的設(shè)計(jì)及施工是本工程的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。

根據(jù)合蚌客運(yùn)專(zhuān)線沿線填料需求，全線設(shè)置6個(gè)取土場(chǎng)，取土場(chǎng)填料物理性質(zhì)及膨脹性指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 取土場(chǎng)填料物理性質(zhì)及膨脹性指標(biāo)

從表2中可以看出，全線取土場(chǎng)的土源均具有弱～中等膨脹性，必須經(jīng)過(guò)改良后才能用于路堤填筑。從塑性指數(shù)指標(biāo)來(lái)看，全線土源用土絕大部分為黏土和少量粉質(zhì)黏土。從含水量來(lái)看，取土場(chǎng)的含水量普遍偏高。

目前處理膨脹土的方法主要是化學(xué)改性，如摻石灰、水泥、粉煤灰、氯化納、氯化鈣、瀝青、合成固化劑、合成樹(shù)脂和磷酸等，使之與土壤發(fā)生一定的物理化學(xué)反應(yīng)，以改變?cè)恋奈锢砹W(xué)性質(zhì)來(lái)穩(wěn)定膨脹土。綜合分析各種改良方法及安徽中部已實(shí)施工程的成果及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，考慮到石灰在改良高塑性黏土所具有的優(yōu)勢(shì)以及合蚌客運(yùn)專(zhuān)線沿線被改良土質(zhì)的特性、料源、施工設(shè)備等各種條件，合蚌客運(yùn)專(zhuān)線在前期勘察過(guò)程中對(duì)各個(gè)取土場(chǎng)土源均進(jìn)行了室內(nèi)改良試驗(yàn)，選用的改良劑主要為石灰，摻灰比分別為5%、6%、7%、8%，取得浸水72 h崩解性、7 d浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、自由膨脹率、無(wú)荷膨脹率、有荷膨脹率(50 kPa)、收縮系數(shù)、脹縮總率、重型擊實(shí)試驗(yàn)、陽(yáng)離子交換量、蒙脫石含量等各項(xiàng)指標(biāo)，在濱湖取土場(chǎng)還進(jìn)行摻水泥改良實(shí)驗(yàn);代表性取土場(chǎng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3、表4所示。

表3 羅南取土場(chǎng)填料摻灰實(shí)驗(yàn)

表4 湖濱取土場(chǎng)填料摻灰實(shí)驗(yàn)

按公路建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，摻石灰的最佳配比，以處理后脹縮總率不超過(guò)0.7%為宜(《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］7.8.2條)。鐵路建設(shè)中各項(xiàng)目也提出了石灰改良處理的控制指標(biāo)，根據(jù)合寧線肥東試驗(yàn)段研究結(jié)果［4］，提出的控制指標(biāo)為無(wú)荷膨脹率＜1%，50 kPa荷載下有荷膨脹率＜0;浸水48 h無(wú)明顯崩解，根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］(試行)中表 6.3.3、表 6.4.1，基床底層改良土填料現(xiàn)場(chǎng)7 d齡期浸水無(wú)側(cè)限強(qiáng)度要求≥350 kPa，基床以下路堤本體改良土填料場(chǎng)7 d齡期浸水無(wú)側(cè)限強(qiáng)度要求≥250 kPa。

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著石灰含量的增加，脹縮總率呈反向下降趨勢(shì)，最大均不超過(guò)0.7%，一般介于0.3%～0.6%，無(wú)荷膨脹率一般介于0～0.4%(最大值也僅為0.7%，小于1%的控制值)，有荷膨脹率(50 kPa)介于0.05% ～0.16%(可通過(guò)摻石灰含量控制在0.05%至近0)，7 d浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最小618 kPa、平均值在997～1 077 kPa，也遠(yuǎn)大于《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］(試行)中表 6.3.3、表 6.4.1 的要求;從石灰改良后膨脹土判定的三項(xiàng)指標(biāo)看，經(jīng)過(guò)石灰改良后均已變?yōu)榉桥蛎浲?，可滿足設(shè)計(jì)要求。但不同取土場(chǎng)膨脹土土性不同，摻灰比例與改良效果并不是所有指標(biāo)均呈正向波動(dòng)，故本項(xiàng)目建議摻灰比為5% ～8%，在滿足設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)控制指標(biāo)時(shí)，可根據(jù)各取土場(chǎng)具體取樣試驗(yàn)結(jié)果確定經(jīng)濟(jì)合理的摻灰比，為保證路基基床改良土的改良效果，要求基床底層改良土采用場(chǎng)拌法施工，基床底層以下改良土采用路拌法施工。

濱湖取土場(chǎng)摻水泥改良土試驗(yàn)結(jié)果表明:除浸水72 h崩解性及7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)(達(dá)1 230～1 299 kPa，較石灰改良略大)外，其他與膨脹性相關(guān)的指標(biāo)改良效果均較石灰改良差，水泥改良后脹縮總率介于1.7% ～2.5%，自由膨脹率改良后下降15% ～30%(原狀土自由膨脹率59%，改良后下降為38% ～50%)，但仍屬弱膨脹土，說(shuō)明水泥改良對(duì)本項(xiàng)目膨脹土的抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)性效果明顯，但對(duì)各膨脹性指標(biāo)改良效果不明顯，證明摻水泥不是膨脹土改性處理的有效方法。

從合蚌客運(yùn)專(zhuān)線后續(xù)施工情況看，取土場(chǎng)所取膨脹土，在摻石灰改良后填筑，路基各部分壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)均能達(dá)到規(guī)范要求，摻灰后膨脹土的膨脹性基本消除，改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到規(guī)范要求。

3.5 地基處理

無(wú)砟軌道對(duì)路基變形要求較高，在合蚌客運(yùn)專(zhuān)線施工工期相對(duì)緊張的情況下，需要按照近似零沉降的理念進(jìn)行設(shè)計(jì);合蚌客運(yùn)專(zhuān)線路基沿線的覆蓋土層較厚(5～40 m)，主要土層為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)黏土，多具有弱～中膨脹性，該土層直立性強(qiáng)，成孔質(zhì)量好;按照無(wú)砟軌道路基的沉降要求，對(duì)全線鋪設(shè)無(wú)砟軌道的所有土質(zhì)地基均進(jìn)行了沉降分析。根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合土層情況，選擇長(zhǎng)螺旋CFG樁作為合蚌客運(yùn)專(zhuān)線地基處理的主要處理樁型，CFG樁是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的混凝土樁，具有承載力提高幅度大、地基變形小、投資相對(duì)較低等特點(diǎn)，其成樁質(zhì)量與長(zhǎng)螺旋成孔質(zhì)量息息相關(guān)，在成孔好的地層中，CFG樁甚至可以達(dá)到剛性樁的處理效果;從現(xiàn)場(chǎng)施工情況及檢測(cè)結(jié)果看，CFG樁成樁效果很好，很少出現(xiàn)斷樁、縮徑等現(xiàn)象，地基處理后路基變形很小，滿足路基鋪設(shè)無(wú)砟軌道的要求，CFG樁設(shè)計(jì)圖如圖7所示。

圖7 CFG樁設(shè)計(jì)(單位:m)

4 結(jié)語(yǔ)

安徽省中部是我國(guó)膨脹土分布比較典型的區(qū)域，目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)時(shí)速350 km無(wú)砟軌道高速鐵路路基中大范圍通過(guò)膨脹土地區(qū)并大面積采用膨脹土改良土作為填料的較少，合蚌客運(yùn)專(zhuān)線路基通過(guò)采取膨脹土改良、基底封閉、基床換填、加強(qiáng)防護(hù)、地基處理等綜合措施對(duì)膨脹土路基進(jìn)行處理，在參建各方的共同努力下，圓滿地完成了合蚌客運(yùn)專(zhuān)線膨脹土路基的建設(shè)任務(wù)。目前合蚌客運(yùn)專(zhuān)線已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)一年，路基已經(jīng)過(guò)了至少兩個(gè)雨季的考驗(yàn)，通過(guò)施工期間的監(jiān)測(cè)，驗(yàn)收、聯(lián)調(diào)聯(lián)試的檢查及開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后的檢驗(yàn)，合蚌客運(yùn)專(zhuān)線路基穩(wěn)定，變形小，未發(fā)現(xiàn)由于膨脹土引起的路基病害，線路運(yùn)營(yíng)舒適性好，膨脹土路基處理措施得當(dāng)，效果良好，可以為后續(xù)膨脹土地區(qū)的高速鐵路設(shè)計(jì)提供參考。

［1］ 建設(shè)部.GBJ112—87 膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1988.

［2］ 鐵道部.TB10038—2012 鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2012.

［3］ 交通部.JTG D30—2004 公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］ 長(zhǎng)江三角洲城際鐵路公司籌備組，中鐵三局，鐵四院，等.合寧線膨脹土路基土質(zhì)改良措施及填筑工藝試驗(yàn)階段性研究報(bào)告［R］.上海:長(zhǎng)江三角洲城際鐵路公司籌備組，2005.

［5］ 鐵道部.TB10020—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2010.

［6］ 劉曉義，楊有海.石灰改良膨脹土填料試驗(yàn)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(1):20-22.