姜 祺

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

隨著高速鐵路的發(fā)展，路基的變形及穩(wěn)定控制已成為客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。軟土具有高含水量、高孔隙比、高壓縮性和低強(qiáng)度等特點(diǎn)，是影響路基設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的重要因素。 我國東北地區(qū)的軟土多為凍脹敏感性土[1，2]，進(jìn)入冬季土壤凍結(jié)膨脹，易造成軌面不規(guī)則抬升；春融期后地面解凍，易引發(fā)路基的下沉破壞，影響鐵路正常運(yùn)營。

關(guān)于嚴(yán)寒地區(qū)的軟土，前人進(jìn)行了許多研究，如由國華等[3]對(duì)哈爾濱地區(qū)軟土的特性進(jìn)行了研究；程培峰等[4]對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)軟土的固結(jié)變形特性進(jìn)行了分析；劉紅軍等[5]對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)軟土地基沉降預(yù)測問題進(jìn)行探討；陶夏新等[6]對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)軟土的抗剪強(qiáng)度特性進(jìn)行研究；崔伯民等[7]針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)軟土路基進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析研究。

結(jié)合既有工程項(xiàng)目，針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)軟土勘察的特點(diǎn)，采用原位測試、鉆探取樣及室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的綜合勘探方法，得到準(zhǔn)確的勘察成果，并與非嚴(yán)寒地區(qū)軟土試驗(yàn)資料進(jìn)行比較，分析總結(jié)其工程特征，為嚴(yán)寒地區(qū)軟土路基設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 地理位置

新建牡丹江至佳木斯客運(yùn)專線地處黑龍江省東部，其中DK63+294.73～DK64+603.00段路基位于低山丘陵區(qū)，該段線位大部分處于沖洪積形成的洼地內(nèi)，地形平坦，略有起伏，大部分為荒地及林地，軟土分布廣泛。

1.2 氣象資料

該工點(diǎn)所屬區(qū)域?yàn)橹袦貛Т箨憹駶櫺詺夂騾^(qū)，冬季受極地大陸氣團(tuán)控制，嚴(yán)寒干燥；夏季受副熱帶海洋氣團(tuán)的影響，炎熱多雨；春秋兩季因冬夏季風(fēng)交替，氣候多變；春季多大風(fēng)，降水少蒸發(fā)快，易發(fā)生干旱，秋季多寒潮侵襲，降溫急劇，易發(fā)生凍害，屬嚴(yán)寒地區(qū)。根據(jù)收集的氣象資料，該段區(qū)域最大凍結(jié)深度為2.12 m。

1.3 孔位布置原則

本次勘察階段為定測，考慮到本次路基工點(diǎn)涉及填挖方段落交錯(cuò)間隔，且初測地層揭示不夠充分，勘探孔間距控制在15～30 m，橫斷面勘探孔間距控制在50 m左右。

2 嚴(yán)寒地區(qū)軟土綜合勘探

圖1 軟土路基代表性剖面

鉆探取芯能夠較為直觀地反映地層的分布，但在嚴(yán)寒地區(qū)的軟土勘探中(特別是軟黏性土夾層)，若在鉆探取樣過程中用水或溫度控制不當(dāng)，很容易造成局部融區(qū)或孔內(nèi)凍結(jié)，使得軟黏土夾層受到人為機(jī)械擾動(dòng)，加之土中含粉粒 、粉砂，其固結(jié)較差，取得的樣品難以反映真實(shí)的地層情況。靜力觸探試驗(yàn)?zāi)芊从澈暧^結(jié)構(gòu)對(duì)巖土性質(zhì)的影響，尤其對(duì)采樣困難的軟弱夾層反應(yīng)靈敏，容易發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定層次的變化及薄層軟黏性土。

針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)軟土地層的特點(diǎn)，采用鉆探結(jié)合觸探的方法。對(duì)于需要進(jìn)行觸探的孔，在凍土層采用鉆探的方式(同時(shí)起到為觸探引孔的作用)；凍層以下采用雙橋觸探試驗(yàn)；待達(dá)到下伏基巖深度時(shí)再改為鉆探，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。二者互為驗(yàn)證與補(bǔ)充，輔以標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和剪切波速試驗(yàn)，從側(cè)面驗(yàn)證地層性狀，配合室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行定性分析。

3 勘探成果分析

3.1 地層巖性

該段區(qū)域地下水埋深較淺，勘測期間地下水位埋深0～2.2 m，為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，主要由大氣降水補(bǔ)給，水位季節(jié)變化幅度為2.0～3.0 m。地層從上至下為第四系全新統(tǒng)人工填土層、第四系全新統(tǒng)沖洪積層、元古代花崗巖。地層分布見表1，代表性剖面見圖1。

表1 地層巖性特征 m

軟土主要為②15淤泥質(zhì)黏土和②25淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，詳細(xì)特征如下。

②15淤泥質(zhì)黏土：黑灰色，褐灰色，流塑狀，土質(zhì)不均，含腐殖質(zhì)，略具腥臭味，該層在場地范圍內(nèi)局部以透鏡體形式分布。

②25淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：黑灰色，褐灰色，灰黑色，流塑狀，土質(zhì)不均，含腐殖物，略有腥臭味，該層在場地范圍內(nèi)多處分布，部分地段呈連續(xù)分布狀態(tài)。

3.2 指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

該路基段軟土層共完成鉆探取樣16組，進(jìn)行了天然密度、天然含水量、孔隙比、液性指數(shù)、塑性指數(shù)、天然快剪、有機(jī)質(zhì)含量和壓縮系數(shù)等試驗(yàn)，其物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表2。與其他地區(qū)軟土指標(biāo)的對(duì)比見表3[8-11]，總結(jié)出該段嚴(yán)寒地區(qū)軟土存在如下特征。

(1)含水量較高

該段軟土的含水量大于38%，同時(shí)液性指數(shù)(IL)標(biāo)準(zhǔn)值大于0.9，表明其天然含水率較高且接近液限。將本次勘察與其他地區(qū)軟土含水量進(jìn)行對(duì)比(見圖2)，有如下特點(diǎn)：

①該段嚴(yán)寒地區(qū)軟土的含水量平均值相較于非嚴(yán)寒北方地區(qū)軟土差異不明顯，但相較于南方地區(qū)軟土，其含水量要低得多。

②通過圖2中各地區(qū)軟土含水量最小值及最大值的比較，該段嚴(yán)寒地區(qū)軟土的含水量變化幅值小于北方非嚴(yán)寒地區(qū)，南方地區(qū)軟土含水量變化幅值均大于北方地區(qū)，這說明相較于北方地區(qū)，南方地區(qū)軟土的孔隙更發(fā)育。

圖2 各地區(qū)軟土含水量柱狀圖

(2)壓縮性高

該段軟土的孔隙比e>1，同時(shí)壓縮系數(shù)α0.1-0.2>0.5 MPa-1，表明其屬于高壓縮性土，在承受上部荷載的過程中易產(chǎn)生較大沉降。該段軟土與其他地區(qū)軟土壓縮指標(biāo)的比較分析如圖3，可得出：

①相較于其他地區(qū)，該段嚴(yán)寒地區(qū)軟土的α0.1-0.2較小， 壓縮模量Es0.1-0.2較大，表明其壓縮性低于其他非嚴(yán)寒地區(qū)軟土。

②北方地區(qū)的軟土壓縮指標(biāo)相較于南方地區(qū)，α0.1-0.2更低，Es0.1-0.2更大，說明南方地區(qū)軟土的壓縮性更高。

由圖4及圖5可知，該段軟土的孔隙比e與壓縮系數(shù)α0.1-0.2及壓縮模量Es0.1-0.2具有較好的相關(guān)性：

①孔隙比e與Es0.1-0.2呈冪相關(guān)，相關(guān)指數(shù)R2為0.795，回歸方程為

Es=3.446e-0.523

(1)

②孔隙比e與α0.1-0.2呈線性關(guān)系，相關(guān)指數(shù)R2為0.765，回歸方程為

α=0.568e+0.013 5

(2)

圖3 各地區(qū)軟土壓縮指標(biāo)關(guān)系

圖4 本次勘察軟土孔隙比與壓縮模量關(guān)系

圖5 本次勘察軟土孔隙比與壓縮系數(shù)關(guān)系

(3)抗剪強(qiáng)度低

該段軟土的內(nèi)摩擦角Φq<10，黏聚力Cq<23，其抗剪切能力較差，在路基施工及運(yùn)行過程中易造成滑移失穩(wěn)及不均勻沉降。該段軟土與其他地區(qū)軟土的剪切指標(biāo)見圖6，經(jīng)比較可以得出：該嚴(yán)寒地區(qū)淤泥質(zhì)黏土的黏聚力Cq大于其他地區(qū)，北方地區(qū)軟土的Cq值較之南方地區(qū)普遍更大，表明其強(qiáng)度更高。

圖6 各地區(qū)軟土剪切指標(biāo)

由圖7及圖8可知，該段軟土的液性指數(shù)IL與內(nèi)摩擦角Φq及黏聚力Cq的對(duì)數(shù)存在一定的相關(guān)性，其關(guān)系式為

lg(Φq)=1.148IL-0.307

(3)

lg(Cq)=0.353IL+0.888

(4)

圖7 本次勘察軟土液性指數(shù)與內(nèi)摩擦角關(guān)系

圖8 本次勘察軟土液性指數(shù)與黏聚力關(guān)系

表2 軟土地層物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

表3 其他地區(qū)軟土地層物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

(4)有機(jī)質(zhì)含量高

該段軟土的有機(jī)質(zhì)含量為8.27%～19.83%，屬高有機(jī)質(zhì)土及泥炭土。較高的有機(jī)質(zhì)含量會(huì)使土體抗壓強(qiáng)度下降，產(chǎn)生較大沉降。

(5)強(qiáng)凍脹性

經(jīng)過試驗(yàn)判別，該段軟土表層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土具Ⅳ級(jí)強(qiáng)凍脹性～Ⅴ級(jí)特強(qiáng)凍脹性，表層淤泥質(zhì)黏土具Ⅳ級(jí)強(qiáng)凍脹性。

3.3 原位測試成果

(1)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

該軟土路基段共完成標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)252次，其中淤泥質(zhì)土層范圍內(nèi)20次，其標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)指標(biāo)見表4。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，嚴(yán)寒地區(qū)軟土層的標(biāo)貫擊數(shù)偏大，分析其原因，可能為土層中存在砂土薄層，致使土層不均，加之勘探時(shí)間為初冬，受土壤凍結(jié)影響所致。

表4 標(biāo)準(zhǔn)貫入指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

(2)靜力觸探試驗(yàn)

該段共選取12孔進(jìn)行雙橋靜力觸探，淤泥質(zhì)土層指標(biāo)見表5。由表5可以看出，兩層土的觸探錐尖阻力qc<0.7 MPa，根據(jù)規(guī)范判定為軟土，觸探試驗(yàn)也驗(yàn)證了該軟土的分布。

表5 軟土地層觸探指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

3.4 地層承載力

通過室內(nèi)試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)等多種方式計(jì)算嚴(yán)寒地區(qū)軟土地層承載力特征值。

(1)室內(nèi)試驗(yàn)法

室內(nèi)試驗(yàn)得到的孔隙比e及液性指數(shù)IL，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》中承載力推薦表，采用內(nèi)插法計(jì)算[12]。

(2)標(biāo)準(zhǔn)貫入法

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N進(jìn)行修正，再根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算[13]

fak=105+20(Nc-3)

(5)

(3)靜力觸探法

按照《軟土地區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》，對(duì)于黏性土、粉土和砂土，無當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí)可以采用式(6)估算[14]

fak=29+0.072qc

(6)

采用以上方法計(jì)算地層承載力特征值的結(jié)果見表6，由表6可知，本次嚴(yán)寒地區(qū)軟土承載力推薦范圍為62.1～118 kPa。由于土層中存在砂土薄層及季節(jié)影響，使得本次標(biāo)貫擊數(shù)偏大；土樣在取樣及運(yùn)輸過程中受到擾動(dòng)，存在部分失水，導(dǎo)致室內(nèi)試驗(yàn)含水量偏低，使得地層承載力特征值偏大。靜力觸探過程中土樣受到的擾動(dòng)較小，得到的地層承載力特征值較為真實(shí)合理。綜合考慮，建議本段軟土承載力特征值可取為70 kPa。

表6 地層承載力特征值計(jì)算 kPa

4 建議處理方案

對(duì)沿線分布的軟土進(jìn)行綜合勘探分析，確定了其分布范圍、埋深及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)。嚴(yán)寒地區(qū)軟土路基的施工處理過程中，需特別考慮凍脹及凍融問題，防止因凍脹而導(dǎo)致軌道抬升或因凍融導(dǎo)致的不規(guī)則沉降。結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)[15-18]，對(duì)處理方案提出如下建議：

(1)對(duì)于埋深小于3 m的軟土層，應(yīng)采用挖除換填加固的處理措施。挖除軟土前應(yīng)提前挖好排水溝，排除地表水以及盡可能的降低地下水位；若降水效果不理想，可在挖除軟弱土至透水性好的砂土層后，基底先采用50 cm毛石填筑，壓實(shí)后再采用砂礫分層填筑。換填至地面高程后壓實(shí)，再鋪設(shè)一層土工格柵。

(2)對(duì)于埋深大于3 m的軟土層，選用CFG樁加固的處理措施，樁徑為0.5 m，樁間距控制在2 m以內(nèi)，正方形布置。樁頂設(shè)置C35鋼筋混凝土樁帽，樁帽上鋪設(shè)0.5 m厚碎石墊層，墊層內(nèi)加鋪一層土工格柵(100 kN/m)。

(3)路堤基床表層取0.7 m，采用級(jí)配碎石摻5%水泥填筑，基床底層厚度取2.3 m，上部1.8 m 采用非凍脹A、B組土填筑，其下0.5 m采用A、B組土填筑?；惨韵绿钪嗀，B組和C組碎石、礫石類填料。

(4)路堤邊坡坡度建議為1∶1.50，路塹邊坡坡度建議為1∶1.75。線路單側(cè)或兩側(cè)設(shè)置C35鋼筋混凝土矩形側(cè)溝，在溝下設(shè)置上覆保溫板的滲水盲溝并設(shè)置保溫出口，滲水盲溝每隔25 m設(shè)置一處檢查井。

(5)施工應(yīng)避開雨季和季節(jié)性凍土期，根據(jù)氣象資料，施工宜在9月份至10月中旬期間實(shí)施。

5 結(jié)論

(1)為了研究嚴(yán)寒地區(qū)軟土的特殊工程性質(zhì)，采用工程地質(zhì)測繪、原位測試、鉆探取樣及室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的綜合勘探方法。

(2)該地區(qū)軟土含水量ω>38%，孔隙比e>1，壓縮系數(shù)α0.1-0.2>0.5 MPa-1、有機(jī)質(zhì)含量為8.27%～19.83%，凍脹性為Ⅳ～Ⅴ級(jí)。說明其除具有一般軟土的高含水率、高壓縮性、低強(qiáng)度和高有機(jī)質(zhì)含量等特點(diǎn)外，還具有嚴(yán)寒地區(qū)特有的強(qiáng)凍脹性。

(3)通過分析，該地區(qū)軟土的孔隙比e與壓縮系數(shù)α0.1-0.2呈冪相關(guān)，與壓縮模量Es0.1-0.2呈線性相關(guān)；液性指數(shù)IL與內(nèi)摩擦角Φq及黏聚力Cq的對(duì)數(shù)呈線性相關(guān)。

(4)通過與非嚴(yán)寒地區(qū)軟土比較得出，該地區(qū)軟土的含水量平均值比南方地區(qū)低24%～49%，含水量變化幅值小于其他地區(qū)；壓縮系數(shù)較南方地區(qū)低35%～73%，具有更低的壓縮性；該段軟土內(nèi)摩擦角Φq<10，黏聚力Cq<23，抗剪強(qiáng)度較之南方地區(qū)軟土更高。