張?zhí)畦ぃR麗娜，張戎令, 2, 3，王天雙，李進(jìn)前，李航輝

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高速鐵路泥巖地基膨脹特性試驗(yàn)研究

張?zhí)畦?，馬麗娜1，張戎令1, 2, 3，王天雙1，李進(jìn)前1，李航輝1

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2. 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070； 3. 卡迪夫大學(xué) 工程學(xué)院，英國 CF24 3AA)

以蘭新高鐵一處典型膨脹泥巖路段為研究對(duì)象，在此現(xiàn)場取樣，室內(nèi)自制試驗(yàn)箱進(jìn)行厚度分別為20，40和60 cm的泥巖地基膨脹模型試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：隨著注水量和時(shí)間的增加，地基膨脹量整體呈外凸弧線增長；含水率小的地基膨脹潛勢大，地基易膨脹，含水率大的地基反之；不同深度處的泥巖膨脹量不同，隨著深度的增加，膨脹量逐漸減??；不同厚度地基含水率與膨脹量均呈良好指數(shù)關(guān)系；對(duì)地基膨脹量與含水率及地基厚度耦合作用下的計(jì)算模型進(jìn)行探討，計(jì)算模型所得膨脹量與實(shí)際室內(nèi)試驗(yàn)量測數(shù)據(jù)擬合良好。研究成果可為膨脹泥巖地區(qū)高速鐵路修建提供參考依據(jù)，對(duì)該地區(qū)同類工程建設(shè)具有借鑒意義。

泥巖；膨脹；地基；計(jì)算模型

我國高速鐵路建設(shè)飛速發(fā)展，令人矚目，高速列車與線路結(jié)構(gòu)的相互作用已經(jīng)成為當(dāng)前研究鐵路課題的重要內(nèi)容，隨著鐵路向高速、重載的方向發(fā)展，地基已發(fā)揮出越來越重要的作用[1]。高速鐵路無砟軌道對(duì)膨脹變形值的要求極為嚴(yán)格，膨脹允許調(diào)整量僅為+4 mm[2?3]。馬麗娜等[4?7]對(duì)該地區(qū)泥巖進(jìn)行了前期研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)泥巖具有高鐵不可忽視的微弱膨脹性。國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)膨脹土的膨脹特性也進(jìn)行了相關(guān)研究。黃斌等[8]通過三軸試驗(yàn)，得出相同初始含水率和壓實(shí)度下，膨脹土的體積膨脹率隨平均主應(yīng)力的增大而減小。項(xiàng)偉等[9]通過固結(jié)儀對(duì)膨脹土試樣進(jìn)行膨脹變形研究，指出孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)弱膨脹土脹縮特性有重大影響。李芃等[10]對(duì)不同初始干密度下重塑膨脹土縮脹特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了曲線擬合及理論分析。楊俊等[11]通過對(duì)膨脹土中摻入風(fēng)化砂，得出摻砂可以有效抑制膨脹土的膨脹特性。Alonso[12]將試樣所表現(xiàn)出來的脹縮變形分為微觀結(jié)構(gòu)變形與宏觀結(jié)構(gòu)變形。Basma等[13]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膨脹土膨脹受初始含水率或吸力狀態(tài)的影響。Komine等[14]進(jìn)行各種膨脹變形試驗(yàn)及膨脹土力學(xué)試驗(yàn)，提出膨脹土膨脹變形與膨脹力之間的關(guān)系式。上述研究主要集中在對(duì)小型土樣的膨脹特性研究，而對(duì)較大尺寸的膨脹泥巖地基的微弱膨脹特性研究尚不多見。實(shí)際工程現(xiàn)場均以大體積為主，進(jìn)行較大尺寸的膨脹特性研究更接近現(xiàn)場實(shí)際情況。從土工程試驗(yàn)技術(shù)本身的發(fā)展來看，大尺寸土工試驗(yàn)的應(yīng)用，可以使巖土試樣的局部缺陷、取樣擾動(dòng)等不可避免的隨機(jī)因素的影響程度盡可能降低，可以使試驗(yàn)更宏觀化，在同樣的儀器精度下，提高試驗(yàn)成果的精度和可靠度[15]。因此，對(duì)大尺寸膨脹泥巖地基進(jìn)行膨脹特性試驗(yàn)研究更為必要。本文依托蘭新高鐵第二雙線，選取一處典型膨脹泥巖地段的土樣，研究含水率及厚度對(duì)大尺寸膨脹泥巖地基膨脹量的影響，為泥巖地區(qū)高速鐵路的修建提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

研究含水率及厚度對(duì)泥巖膨脹量的影響。

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土樣取自蘭新高鐵第二雙線DK1236處，采用鉆機(jī)取樣，取樣深度8~13 m，土樣的基本物理特性見表1。泥巖的膨脹量對(duì)含水率比較敏感，在土樣鉆取、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中，對(duì)泥巖含水率的影響較大，因此進(jìn)行地基試驗(yàn)之前將土樣在烘箱內(nèi)進(jìn)行徹底烘干，然后人工制備含水率為5%的土樣并分層擊實(shí)后進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 泥巖基本物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)過程

1) 將土樣碾細(xì)并過5 mm篩；

2) 為限制土樣的側(cè)向膨脹變形，試驗(yàn)在長100 cm，寬64 cm，高70 cm，厚1.5 cm的鐵制試驗(yàn)箱中進(jìn)行；

3) 在夯實(shí)過程中將注水管插入土樣，注水管管壁打直徑2 mm的小孔以方便水流的入滲，為盡可能實(shí)現(xiàn)均勻注水，孔分布為上部疏，下部密，在注水管底部用橡膠套將其封住以防止水從底部流出；

4) 土樣夯實(shí)后，將磁性夾持裝置吸附于鐵箱壁上，再架設(shè)百分表；

5) 為量測地基整體膨脹，試驗(yàn)中設(shè)置7個(gè)百分表，用于相互校正，試驗(yàn)裝置布置示意圖如圖1 所示；

6) 百分表架設(shè)完畢后進(jìn)行初始讀數(shù)，然后進(jìn)行注水和讀數(shù)工作，試驗(yàn)為分級(jí)注水，每級(jí)注水量為干土重量的2%；

7) 注水結(jié)束后進(jìn)行讀數(shù)，每天進(jìn)行不少于6次的讀數(shù)，當(dāng)本次讀數(shù)與上次讀數(shù)差值小于0.02 mm時(shí),進(jìn)行下次注水，當(dāng)某次注水后土樣不發(fā)生膨脹或膨脹量極小，則結(jié)束試驗(yàn)；

8) 共進(jìn)行20，40和60 cm3個(gè)厚度的地基膨脹試驗(yàn), 歷時(shí)5個(gè)多月。

圖1 試驗(yàn)布置立體圖

圖中：1為位移傳感器，量程為50 mm，對(duì)百分表進(jìn)行編號(hào)，最中間為1號(hào)，兩邊為6號(hào)和7號(hào)，臨近試驗(yàn)箱長邊為2號(hào)~5號(hào)；2為注水裝置；3為試驗(yàn)箱；4為百分表支架；5為注水管；6為夯實(shí)泥巖；7為有機(jī)玻璃片，安置在位移傳感器測量桿底部以提高測量精度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 地基膨脹變形規(guī)律

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可得地基模型膨脹量隨注水量及時(shí)間的變化規(guī)律。因3組地基試驗(yàn)的過程及方法相同，所以膨脹變形規(guī)律也基本相同，現(xiàn)以20 cm地基為例進(jìn)行論述，其他2組不再進(jìn)行贅述。

以時(shí)間為橫坐標(biāo)，總膨脹量為縱坐標(biāo)繪制地基膨脹時(shí)程曲線，如圖2所示。

圖2 20 cm地基膨脹變形時(shí)程曲線

由圖2可知：

1) 1號(hào)位移傳感器~7號(hào)位移傳感器中，1號(hào)位移傳感器周圍有4個(gè)注水裝置注水浸潤，因而土樣受水影響而膨脹較其他位移傳感器明顯，其膨脹量最大，為12.239 mm，其膨脹曲線處于圖2最上面；2號(hào)~5號(hào)位移傳感器位置對(duì)稱，這4個(gè)位移傳感器所量測的數(shù)據(jù)較1號(hào)小且數(shù)據(jù)較為集中，其膨脹曲線處于圖2中間；6號(hào)和7號(hào)位移傳感器較試驗(yàn)箱中部較遠(yuǎn)，量測的數(shù)據(jù)最小，為10.347 mm，其膨脹曲線處于圖2最下面；地基平均膨脹量為11.242 mm。最大膨脹量與平均膨脹量的差值為0.997 mm，占平均膨脹量的8.87%；最小膨脹量與平均膨脹量的差值為0.895 mm，占平均膨脹量的7.96%。最大膨脹量及最小膨脹量與平均膨脹量的差值在平均膨脹量中的占比均較小，由此可知土體整體膨脹趨于均勻。

2) 隨著注水量和時(shí)間的增加，地基膨脹量呈“階梯型”增長，最后趨于穩(wěn)定。

每2次注水之間的膨脹過程為一個(gè)“階梯”，以地基第5次注水時(shí)1號(hào)百分表的膨脹規(guī)律(如圖3)為例，可知。在158~163 h時(shí)，地基膨脹時(shí)程曲線近似于直線，且增長速率較大；在163~180 h時(shí)，膨脹曲線呈弧線增長，增長速率逐漸減?。辉?80~194 h時(shí)，膨脹曲線較平緩，近似于直線，增長速率較小，接近于0，地基膨脹速率達(dá)到最小。由此可得階梯3部分分別為：①線性快速膨脹階段；②非線性減速膨脹階段；③線性緩慢膨脹階段。

圖3 第5次注水1號(hào)百分表膨脹曲線

3) 階梯各階段的膨脹量占本階梯總膨脹量的比重不同。在試驗(yàn)前期，線性快速膨脹階段產(chǎn)生的膨脹量占本階段膨脹量的70%~85%，非線性減速膨脹階段產(chǎn)生的膨脹量占本階段膨脹量的10%~ 20%，線性緩慢膨脹階段產(chǎn)生的膨脹量占本階段膨脹量的2%~4%；在試驗(yàn)中期，線性快速膨脹階段產(chǎn)生的膨脹量與非線性減速膨脹階段產(chǎn)生的膨脹量約各占總膨脹量的45%~50%；在試驗(yàn)后期，線性快速膨脹階段產(chǎn)生的膨脹量占本階段膨脹量的30%~40%，而大部分膨脹量產(chǎn)生于非線性減速膨脹階段。

4) 試驗(yàn)中期膨脹時(shí)程曲線偏于離散，經(jīng)分析是由于土體是由人工夯實(shí)，不能保證每一塊土體的密實(shí)度相同所導(dǎo)致的。因此后期分析取位移傳感器量測的膨脹平均值進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

2.2 含水率對(duì)地基膨脹量的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提取出20 cm地基、40 cm地基和60 cm地基在不同含水率時(shí)的總膨脹量，并以含水率為橫坐標(biāo)，地基總膨脹量為縱坐標(biāo)，繪制不同含水率與總膨脹量的關(guān)系，如圖4~6試驗(yàn)曲線所示。

由圖4~6可知：

1) 各厚度泥巖地基隨著注水量增加，地基膨脹量逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定。

2) 隨著含水率的增加，地基膨脹量呈外凸弧線非線性增加，地基膨脹量前期大，后期小。地基在相同注水量產(chǎn)生的膨脹量不同。含水率小時(shí)，膨脹量大，含水率大時(shí)，膨脹量小。

圖4 20 cm地基含水率與總膨脹量關(guān)系

圖5 40 cm地基含水率與總膨脹量關(guān)系圖

圖6 60 cm地基含水率與總膨脹量關(guān)系

分析原因如下：地基厚度一定，則導(dǎo)致地基產(chǎn)生膨脹的黏土礦物成分一定，含水率較小時(shí)，水分只與一小部分膨脹成分如蒙脫石、伊利石和高嶺石等發(fā)生反應(yīng)，而大部分膨脹成分未與水反應(yīng)，未與水反應(yīng)的土體儲(chǔ)存著較大膨脹能；當(dāng)含水率較大時(shí)，土體中大部分黏土成分與水均發(fā)生反應(yīng)，膨脹能在前期釋放較多，此時(shí)再遇水則產(chǎn)生膨脹量較??；土體中貯存膨脹能的釋放大小以地基膨脹的多少表現(xiàn)出來，試驗(yàn)前期，土樣較為干燥，土體內(nèi)部膨脹能大，膨脹潛勢大，因而前期膨脹量大；隨著注水量的增加，膨脹能逐漸釋放，膨脹潛勢逐漸減小，導(dǎo)致后期地基膨脹量小，最后膨脹能釋放完畢，地基不再膨脹，整體膨脹量趨于穩(wěn)定。

2.3 地基膨脹量與含水率關(guān)系計(jì)算模型

通過進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)地基含水率與總膨脹量呈指數(shù)關(guān)系，對(duì)3個(gè)厚度地基數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，分別得到擬合度達(dá)99.74%、98.65%和99.54%的擬合方程，擬合曲線如圖4~6所示。分析擬合曲線，當(dāng)含水率較小時(shí)切線斜率較大，當(dāng)含水率較大時(shí)切線斜率較小。也即在注入等量水時(shí)，與含水率較大的地基相比較，含水率較小的地基更容易發(fā)生膨脹，含水率較小的地基有較大的膨脹潛勢，符合實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果。

膨脹量與含水率關(guān)系式為：

?b×c(1)

提取出不同厚度時(shí)系數(shù)，和的值，并列表，如表2。

表2 地基厚度與擬合系數(shù)關(guān)系

根據(jù)表2數(shù)值，以厚度為橫坐標(biāo)，系數(shù)，和值為縱坐標(biāo)，進(jìn)行繪圖，如圖7所示。

由圖7可知，系數(shù)與地基厚度為線性關(guān)系，進(jìn)行線性擬合，得到擬合度達(dá)到0.997的擬合方程，方程為：7.598+0.267；系數(shù)與地基厚度也為線性關(guān)系，進(jìn)行線性擬合，得到擬合度達(dá)到0.979的擬合方程，方程為：=1.77+0.89；系數(shù)基本不隨地基厚度變化，取3種厚度的平均值作為計(jì)算模型的，計(jì)算得=0.88。

圖7 系數(shù)a, b, c與厚度的關(guān)系

將上述，和的計(jì)算式代入式(1)，得膨脹量在含水率及地基厚度共同作用下的計(jì)算模型：

=(7.598+0.267)?(1.77+0.89)0.88 (2)

式中：為地基膨脹量，mm；為地基厚度，cm；為地基體積含水率，%。利用該式可以對(duì)已膨脹地基進(jìn)行膨脹量計(jì)算及膨脹潛勢計(jì)算。也即，可以計(jì)算一定厚度、一定含水率的膨脹土地基已經(jīng)發(fā)生多少膨脹量，如若繼續(xù)浸水，還會(huì)發(fā)生多大的膨 脹量。

2.4 計(jì)算模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證計(jì)算模型的正確性及通用性，在試驗(yàn)后期又進(jìn)行了1組30 cm厚的地基模型試驗(yàn)。將其含水率與總膨脹量關(guān)系繪制成圖，并將計(jì)算模型代入30 cm地基進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)測值及模型計(jì)算值如圖8所示。

由圖8可知，30 cm地基膨脹試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)與模型計(jì)算數(shù)據(jù)有較高擬合度，說明該計(jì)算模型可以進(jìn)行相關(guān)的地基膨脹計(jì)算。

2.5 地基厚度對(duì)膨脹量的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以地基厚度為橫坐標(biāo)，地基總膨脹量為縱坐標(biāo)，繪制泥巖厚度和地基總膨脹量的關(guān)系，如圖9所示。

圖8 模型驗(yàn)證

圖9 地基厚度與膨脹量的關(guān)系

由圖9可知：

1) 當(dāng)?shù)鼗穸葹?0，40和60 cm時(shí)，地基最終膨脹量分別為11.24，18.07和21.94 mm。當(dāng)?shù)鼗穸染€性增加時(shí)，其最終膨脹量并不是線性增加，而是呈外凸弧線增加，增長速率有下降趨勢。

2) 20 cm地基最終膨脹量為11.24 mm，40 cm地基最終膨脹量為18.07 mm，假定40 cm地基上部20 cm與實(shí)際試驗(yàn)的20 cm地基膨脹量相同，所以其下部20 cm地基僅膨脹了6.83 mm，較實(shí)際試驗(yàn)的20 cm地基膨脹量減少了4.41 mm；同理假定60 cm地基上部40 cm與實(shí)際試驗(yàn)的40 cm地基膨脹量相同，所以其下部20 cm的地基僅膨脹了3.87 mm，較試驗(yàn)的20 cm地基膨脹量減少了7.37 mm。經(jīng)分析，引起最底層20 cm地基膨脹量減小的原因是上覆土體自重的影響，上覆土體自重越大則底層土體膨脹量越小。假定各層土體膨脹均勻，則上部20 cm土體的平均膨脹量為0.562 0 mm，同理，中部20 cm和下部20 cm地基膨脹量為0.341 5 mm和0.193 5 mm。以各層土體最底層膨脹量為橫坐標(biāo)，上覆土體壓力為縱坐標(biāo)進(jìn)行繪圖，如圖10所示。

圖10 上覆壓力與膨脹量的關(guān)系

結(jié)合圖9，圖10可知，不同深度處的泥巖膨脹量不同，隨著上覆壓力的增加，地基膨脹量逐漸減??；在實(shí)際工程中，隨著泥巖埋置深度的增加，其所受上覆土體自重逐漸增大，上覆壓力對(duì)膨脹能的釋放具有抑制作用，因而膨脹量逐漸減小。在處理實(shí)際工程問題時(shí)，僅需對(duì)一定深度內(nèi)可以發(fā)生膨脹的膨脹土樣進(jìn)行處理，建議處理前先進(jìn)行室內(nèi)模型研究，得出膨脹的具體深度范圍，再進(jìn)行相應(yīng)的后期工程處理措施。

3 結(jié)論

1) 在多級(jí)、連續(xù)注水條件下，地基總膨脹量隨時(shí)間呈現(xiàn)“階梯型”膨脹，每一階梯又可分為3階段：線性快速膨脹階段；非線性減速膨脹階段；線性緩慢膨脹階段。

2) 地基含水率與總膨脹量呈指數(shù)關(guān)系，在注入等量水時(shí)，與含水率大的地基相比較，含水率小的地基更容易發(fā)生膨脹，含水率較小的地基有較大的膨脹潛勢。

3) 對(duì)地基膨脹量與含水率關(guān)系的計(jì)算模型進(jìn)行了探討，計(jì)算模型得到的膨脹量與實(shí)際數(shù)據(jù)擬合較好。

4) 通過分析不同厚度時(shí)，地基的總膨脹量，得出不同深度的泥巖膨脹量不同，且隨著深度增加，膨脹量逐漸減小。

5) 本試驗(yàn)尺寸較大，耗時(shí)較長，目前進(jìn)行了厚度為20，40和60 cm的泥巖地基膨脹模型試驗(yàn)，后續(xù)將進(jìn)行更大尺寸的模型試驗(yàn)，以得到更精確、更可靠的試驗(yàn)結(jié)果，為該地區(qū)工程建設(shè)提供有益的參考。

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Experimental study on swelling characteristic of mudstone foundation of high-speed railway

ZHANG Tangyu1, MA Lina1, ZHANG Rongling1, 2, 3, WANG Tianshuang1, LI Jinqian1, LI Hanghui1

(1. School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Road & Bridge Disaster Prevention and Control, Lanzhou 730070, China; 3. Cardiff University, School of Engineering, Wales CF24 3AA, UK)

A typical swelling mudstone section of Lanzhou-Xinjiang high speed railway was taken as the research object. Samples were taken at this site, experimental study on the swelling of mudstone foundation was carried out with thickness of 20, 40 and 60 cm in self-made test box. The results show that with the increase of water injection and time, the swelling amount of the foundation is increased in an outer convex curve; the foundation with small water content has large swelling potential, the foundation is easy to swell, and the foundation with large water content is opposite; the swelling of mudstone at different depths is different, and the swelling amounts gradually decreases with the increase of depth; the water content and the swelling amount of foundation show a good exponential relationship; the calculation model of the foundation swell with the coupling of water content and the thickness of the foundation was discussed. The swelling amounts of the calculation model is well fitted to the actual test data in the laboratory. The research results can provide reference for the construction of high-speed railway in the swelling mudstone area, and can be used for reference in similar projects in this area.

mudstone; swelling; foundation; calculation model

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.04.005

TU443

A

1672 ? 7029(2019)04 ? 0871 ? 07

2018?04?25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51768033)；長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃滾動(dòng)支持項(xiàng)目(IRT_15R29)；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(Z2015—G001)；飛天學(xué)者特聘計(jì)劃；甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體資助項(xiàng)目(145RJIA332)；甘肅省高校協(xié)同創(chuàng)新科技團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017c-08)；蘭州交通大學(xué)優(yōu)秀平臺(tái)資助項(xiàng)目(201606)

馬麗娜(1985?)，女，陜西渭南人，副教授，博士，從事膨脹性泥巖及隧道工程的教學(xué)與科研工作；E?mail：malinalanzhou@163.com

(編輯 陽麗霞)