熊自英,田 野

(1.西南交通大學希望學院,四川成都 610400；2.中鐵十九局集團第七工程有限公司,廣東珠海 519000)

膨脹土的脹縮性已被土木工程設計、施工、養(yǎng)護及科學研究領域的從業(yè)者熟知，該類土體引起的路基病害更是數(shù)不勝數(shù)，也引起了足夠的重視，如人們首次認識其危害，即始于1938年美國俄勒岡州鋼制倒虹吸管的大規(guī)?；A破壞[1]。之后，學者們對膨脹土特性及其引起路基病害的機理及治理措施進行了大量研究，取得了諸多研究成果。如Komine[2]通過壓實膨脹土的膨脹性試驗得出，膨脹量、膨脹力只與初始干密度有關；Sridharan和Thripathy[3]通過簡化雙電層模型的數(shù)學表達，提出了膨脹力的簡化計算模型。賈景超[4]通過考慮晶層表面的力場，提出了微觀晶層膨脹模型，并將之應用于膨脹土宏觀膨脹力的計算；梁大川[5]認為，引起泥巖及頁巖水化膨脹力的主要因素為粘土顆粒之間的相互排斥力，并依據雙電層理論提出了用礦物學參數(shù)計算水化膨脹力的方法。楊慶[6]綜合考慮應力與含水量因素，提出了膨脹土三維膨脹的本構關系。文松松等[7]系統(tǒng)研究了極限膨脹力的影響因素，認為其與膨脹土初始含水率及初始干密度有較大關系，并提出了基于膨脹土均勻性的弱膨脹土極限膨脹力與含水率及干密度的經驗公式。但由于膨脹土的脹縮機理及膨脹力的取值尚未良好解決，膨脹土及其工程問題仍為巖土工程領域的世界性難題及研究熱點[8-9]。我國高速鐵路的建設遇到大范圍的膨脹土路基問題，八縱八橫高等級鐵路沿線均有不同范圍和膨脹等級的該類土體分布，建設及運營過程中也出現(xiàn)了不同程度的路基病害。某鐵路K197+846～K198+369段路基即存在明顯的路基上拱病害，最大上拱量達50! mm，給行車安全造成了威脅，本文即以此為工程案例，研究膨脹土路基上拱病害的形成機理，并提出處治措施建議。

1 工程地質條件及病害特征

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)西部百色盆地區(qū)域，該盆地呈NW-SE走向，長92 km，寬7～14 km，總面積828 km2，盆地四周為中低山，內部分布丘陵、河谷及河流階地，基巖多被第四系堆積物覆蓋。路基上拱病害工點處為為低填淺挖路基，屬丘陵剝蝕地貌，地形起伏不大，總體地面坡度10～15°。

該處膨脹巖(土)地層包括：表層覆蓋的第四系膨脹土，主要為坡殘積成因，弱-中膨脹，厚度1～1.5 m；基巖為第三系那讀組(E2n)地層，巖性為灰綠色泥巖，鈣質泥巖夾少量砂巖，下部含褐煤，泥巖具有弱至中膨脹性；地下水以孔隙水及基巖裂隙水為主，大氣降水是地下水的主要補給來源，經入滲補給，沿著地形的自然坡向向低處滲流。施工時，清除表層第四系覆蓋層，并開挖至基床底層標高，然后按設計要求的壓實度等要求，進行基床底層和基床表層的施工，期間嚴格控制各層防水層的施工質量。

如圖1所示，CPIII測量結果顯示，軌面上拱可達50.1 mm。

圖1 研究工點地質條件及軌面上拱

地面調查發(fā)現(xiàn)，邊溝內側路肩有縱向地表開裂現(xiàn)象，形成寬3～10 cm、深達60 cm的地表裂縫，如圖2所示。電纜槽與混凝土護肩、電纜槽與基床表層之間存在間隙，電纜溝內的水會順此處間隙灌入路基。盲溝出口未見水流排出(圖3)，推測盲溝排水不暢，甚至無法排水。

圖2 邊溝內側的地表裂縫(據中鐵二院)

圖3 盲溝排水不暢(據中鐵二院)

經對基床表層和基床底層鉆探取樣試驗，填料均有膨脹性。

2 病害機理分析

由上述病害特征可知，軌道表面存在明顯上拱病害，最大達50 mm以上。軌面上拱應為基床上拱所致，而基床填料無膨脹性，則該上拱病害應由地基巖土體的膨脹所致。而且，有以上關于地表裂縫和盲溝的排水情況可知，地表水有下滲條件，當雨季降雨量大時，路基兩側地表水從平臺裂縫下滲，加之盲溝排水不暢，地表下滲的水體會長期儲存于膨脹性的泥巖中，路基范圍內地下水位上升，導致泥巖膨脹，并最終導致軌面的上拱病害。

路基原位鉆孔揭示，上拱病害最嚴重處膨脹巖土地基的天然含水率為20.19 %～21.26 %，而吸水后飽和含水率為26 %～31 %。為了深入認識并確定該處巖石的膨脹性，對該處泥巖進行了取樣試驗，試驗結果如表1所示。由該表中數(shù)據可知，基床的持力層為中膨脹泥巖，中間夾有弱膨脹粉砂質泥巖。由表1可知，泥巖的膨脹性隨著埋置深度的增加而逐漸減小，與基床地面接觸的泥巖膨脹性最強，自由膨脹率可達70%以上。

表1 上拱病害最嚴重處基床底層下巖土體膨脹性試驗結果

取1號巖樣進行膨脹力試驗。實驗利用WG型三聯(lián)單杠桿固結儀(圖4)、采用平衡加壓法進行。試驗嚴格按照鐵路實驗規(guī)程進行，在試樣盒中自下而上依次放置下部透水石、下部濾紙、試驗巖樣、上部透水石、上部濾紙，巖樣直徑為φ61.5 mm，透水石厚度為10 mm。試驗時，將試樣放入底座透水石(即下部透水石)的中心位置，安裝百分表并在平衡桿上懸掛塑料桶，調節(jié)固結儀平衡螺母并觀察平衡水準氣泡，待固結儀平衡鋼桿水平后將百分表讀數(shù)歸零。自試樣盒上部凹槽緩慢加入實驗室制備的蒸餾水直至水面高出試樣5 mm，并注意在試驗過程中持續(xù)加水以保持該水面高度。試驗中專人觀察百分表讀數(shù)的變化并做好記錄，過程中在塑料桶中緩慢加入石英砂以維持固結儀杠桿處于水平狀態(tài)。試驗結束的控制條件為，百分表2 h內讀數(shù)不變(變化率小于5 %)。實驗結束后，稱量塑料桶中石英砂的質量，精確至g，按規(guī)范規(guī)定的公式計算膨脹力。進行三組平行試驗，取算數(shù)平均值作為最終膨脹力結果。

圖4 WG型三聯(lián)單杠桿固結儀

試驗結果如表2所示，可見基床底部直接接觸的那讀組泥巖膨脹力最高可達135 kPa，平均值接近132 kPa。若計基床填筑密度為22 kN/m3，則該膨脹力相當于6 m。而我國高速鐵路的基床表層厚度為0.7 m，基床底層厚度為2.3 m，合計厚度為 3.0 m(如圖1所示)，該厚度遠小于膨脹力的當量厚度，故在此膨脹力和基床厚度條件下，基床勢必在膨脹力的作用下發(fā)生上隆，最終導致軌面的上拱病害。

表2 上拱病害最嚴重處基床底層泥巖膨脹性試驗結果

值得注意的是，不同的里程，雖然同為那讀組泥巖，但其膨脹力會有明顯差異。本文自上述上拱病害最嚴重的里程處開始，向大里程方向100 m沿鐵路線長度內，取樣四處(距上述最大上拱病害里程處，下稱點位距，分別為25 m、50 m、75 m、100 m)，進行基床底部泥巖的膨脹力測試，測試方法及過程與上述方法及過程完全一致，膨脹力結果如表3所示?？梢娮钚∨蛎浟H為52 kPa，當量填筑厚度為2.36 m，此條件下基床將不會發(fā)生上隆，軌面將不會上拱，而相距100 m的點位卻上拱達50.1 mm，這樣會產生明顯的軌面不平順，對旅客舒適度甚至是列車運營安全造成很大威脅。

圖5為點位依據表3中數(shù)據繪制而成的巖土體初始含水量、膨脹后含水量、膨脹力隨點位距的變化曲線。由該圖可知，兩條含水量曲線基本平行，說明各點位處巖石的吸水性大體一致；深入觀察仍不難發(fā)現(xiàn)，點位距分別為50 m 和75 m的點位含水量變化較小，其對應的膨脹力也較小，這可能和該處的地表水下滲條件有關，但含水量的變化與點位距為0、25 m、100 m的點位差別并不大，而膨脹力差別卻十分明顯，說明各點處泥巖的膨脹性有很大差別，可能是由于巖石的礦物含量不同導致的。

表3 不同點位距泥巖膨脹力試驗結果

圖5 不同點位距處的巖土體膨脹力及含水量變化

由前述分析，軌面上拱的主要原因為地基膨脹力大于基床填筑重力，即膨脹力土柱高度大于基床填筑高度。采用點位距0處(即前述上拱最大處)的上拱量50.1 mm和超出基床填筑高度的膨脹力當量土柱高度(下稱超出土柱高度)3 m(6～3 m)作為參照，點位距為25 m、50 m、75 m、100 m處的超出土柱高度分別為2.01 m、0 m、0 m、0.67 m，則各點位處的上拱量將分別為33.56 mm、0 mm、0 mm、11.19 mm，如圖6所示?？梢?00 m線路延長內由地基膨脹導致的軌面附加高差將達50.1 mm，亦即0.5 mm/m，會顯著影響列車運行穩(wěn)定和安全，列車也不得不降低運行速度。

圖6 不同點位距的上拱量

3 上拱病害處治措施建議

由以上分析可知，地基的膨脹土吸水膨脹是導致基床上隆，并最終形成軌面上拱的最主要原因。故該類地區(qū)軌面上拱的處治措施，應以排水、防水為主，本文基于此提出如下處置措施：

(1)封閉路肩，做好地表排水，防治地表水下滲。

(2)加深盲溝，改善盲溝排水能力，排水通道應暢通。

(3)增設盲溝檢查井，以提前檢查盲溝排水情況。

(4)對于既有工程，在加深盲溝過程中，應注意盲溝側壁安全，可加設豎向微型鋼管樁。

(5)必要時，可在基床填料中施做斜向鋼花管注漿，增強基床的整體性，并提高基床密實度，以抵抗膨脹力。

4 結 論

本文通過系統(tǒng)的試驗研究和理論分析，研究鐵路膨脹土地區(qū)軌面上拱病害的機理，得出如下結論：

(1)軌面上拱的主要原因為膨脹土地基的吸水膨脹導致的基床上隆。研究實例地段的膨脹力甚至達到2倍的基床重力，故而會引起顯著的軌面上拱。

(2)膨脹土地基的巖土體膨脹性能即使在短距離內也可能有明顯的膨脹性差異，從而會引起明顯的軌面上拱差異，威脅行車穩(wěn)定和安全。

(3)膨脹土地區(qū)的軌面上拱病害整治措施應以排水和防水為主，必要時可施做基床鋼花管注漿提高基床整體性和密實度。