張?zhí)畦ぃR麗娜, 2，張戎令, 2, 3，王起才, 2，王天雙，王炳忠

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070； 2. 蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)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，威爾士 卡迪夫 CF24 3AA)

我國(guó)高速鐵路建設(shè)飛速發(fā)展，高速鐵路無(wú)砟軌道對(duì)地基膨脹變形要求極為嚴(yán)格，膨脹允許調(diào)整值僅為+4 mm[1-3]。馬麗娜等[4-7]對(duì)哈密地區(qū)的泥巖進(jìn)行了前期研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)泥巖具有高速鐵路不可忽視的微弱膨脹性。膨脹性土是一種含有大量親水性礦物的非飽和高塑性黏土，吸水膨脹軟化，失水收縮開裂[8- 9]。若處理不當(dāng)，將嚴(yán)重影響房屋、管道、邊坡、高速鐵路等各類工程的安全，甚至對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失[10]。因此，在膨脹土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)必須首先加強(qiáng)對(duì)其工程性質(zhì)的研究。關(guān)于膨脹性土的研究具有區(qū)域性和工程具體性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各種性質(zhì)土進(jìn)行了大量研究并取得了頗有價(jià)值的理論成果。饒錫保等[11]對(duì)南水北調(diào)中線工程南陽(yáng)中膨脹土擊實(shí)樣進(jìn)行了不同初始含水率與壓實(shí)度的無(wú)荷膨脹率和有荷膨脹率試驗(yàn)。黃斌等[12]對(duì)邯鄲強(qiáng)膨脹土進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了考慮壓實(shí)度、初始含水率和上覆荷載影響的膨脹率計(jì)算式。何山等[13]對(duì)紅山窯水利樞紐工程中的風(fēng)化紅砂巖進(jìn)行了膨脹特性試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，隨著紅砂巖風(fēng)化程度及含水率增大，其膨脹率逐漸增大。項(xiàng)偉等[14]對(duì)南水北調(diào)潞王墳段弱膨脹土進(jìn)行了相關(guān)研究，研究發(fā)現(xiàn)該土的膨脹特性與孔隙結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。楊明等[15]對(duì)皖西中、弱膨脹土進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)研究，探討了膨脹土的膨脹性指標(biāo)隨含水率和干密度的變化規(guī)律。Allam等[16- 18]認(rèn)為膨脹土樣在發(fā)生濕脹、干縮循環(huán)變形過程中，黏性顆粒之間存在不可恢復(fù)的范德華力，從而使得巖土體的滲透性增強(qiáng)。

上述研究所使用的試樣體積均較小且單個(gè)試樣含水率恒定，而對(duì)較大比尺膨脹泥巖地基的滲流及膨脹研究尚不多見。實(shí)際工程中的地基均是大體積，且土樣含水率隨滲流的變化過程是動(dòng)態(tài)的，選用大比尺土樣進(jìn)行研究更接近現(xiàn)場(chǎng)情況。進(jìn)行大尺寸土工試驗(yàn)，可使巖土試樣的局部缺陷、取樣擾動(dòng)等不可避免隨機(jī)因素的影響程度盡可能降低，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[19]。因此，對(duì)膨脹泥巖進(jìn)行較大比尺的滲流及膨脹研究很有必要。本文依托蘭新高鐵第二雙線，選取某典型膨脹泥巖地基段的土樣，進(jìn)行較大比尺的滲流及膨脹試驗(yàn)研究。

1—位移傳感器；2—濕度傳感器；3—有機(jī)玻璃片；4—塑料板(帶孔)，方便水流入滲；5—鋼制圓桶試驗(yàn)箱；6—PVC注水管； 7—夯實(shí)泥巖圖1 滲流試驗(yàn)示意(單位：cm)Fig.1Diagram of seepage testing (unit：cm)

1 試驗(yàn)概況

共進(jìn)行兩組試驗(yàn)，分別對(duì)泥巖進(jìn)行水平和豎向滲流時(shí)的滲透及膨脹特性研究(見圖1)。試驗(yàn)土樣取自蘭新高鐵第二雙線DK1236+400處，鉆機(jī)取樣，取樣深度8～13 m。按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102—2010)測(cè)得其物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。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，因此試驗(yàn)之前將土樣在烘箱內(nèi)進(jìn)行徹底烘干，然后使用手夯錘人工分層夯實(shí)，控制干密度為1.6 g/cm3時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 泥巖基本物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Basic physical and mechanical indexes of mudstone

試驗(yàn)過程如下：

(1) 水在巖土體中的滲透受粒徑大小的影響，為實(shí)現(xiàn)巖土體粒徑的均一性，將粒徑對(duì)滲透的影響降至最小，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，加工直徑32.0 cm，高45.0 cm，厚2.0 mm的鋼制試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)。

(3) 兩組試驗(yàn)的夯實(shí)厚度均為40.0 cm，夯實(shí)過程中，在距離上表面5.0, 21.5和38.0 cm處埋設(shè)SWR- 100型濕度傳感器，用以量測(cè)桶內(nèi)不同位置處泥巖體積含水率的變化。TDR- 4型濕度傳感器通過測(cè)定土壤的介電常數(shù)，從而直接反應(yīng)各類土壤的真實(shí)體積含水率，因其密封性好、防水性及抗壓能力強(qiáng)，測(cè)試精度達(dá)到2%，可以滿足深埋土層的要求。

(4) 在試驗(yàn)箱頂沿直徑方向布置3個(gè)量程5 cm的位移傳感器，用于量測(cè)泥巖的膨脹量。對(duì)水平滲流試驗(yàn)位移傳感器進(jìn)行編號(hào)，離注水管由近到遠(yuǎn)依次是1#,2#和3#，用于量測(cè)不同測(cè)點(diǎn)的膨脹量；對(duì)豎向滲流試驗(yàn)位移傳感器進(jìn)行編號(hào)，從左到右依次是4#,5#和6#，用于量測(cè)土樣整體的膨脹量，位移傳感器量程50.000 mm，精度0.001 mm。

(5) 進(jìn)行水平滲流試驗(yàn)時(shí)，位移傳感器底部放置有機(jī)玻璃片，用于擴(kuò)大位移傳感器測(cè)量頭測(cè)量面積，提高精度；進(jìn)行豎向滲流試驗(yàn)時(shí)，在土體表面放置一塊直徑30 cm的圓形塑料板，并在板上打孔，以防止直接注水時(shí)對(duì)夯實(shí)土樣的沖刷。

(6) 儀器架設(shè)完畢后進(jìn)行初始讀數(shù)，然后注水(注水方式：水平滲流試驗(yàn)由PVC注水管進(jìn)行注水；豎向滲流試驗(yàn)將水緩慢倒在塑料板上，由塑料板上的小孔入滲)并讀數(shù)，試驗(yàn)為連續(xù)注水，保證注水管及滲水板上一直有水。

(7) 注水結(jié)束后讀數(shù)，每天讀數(shù)不少于6次，當(dāng)位移傳感器和濕度傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后進(jìn)行下次注水，當(dāng)某次注水后，所有傳感器的讀數(shù)均基本穩(wěn)定，則結(jié)束試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2 水平滲流膨脹時(shí)程曲線Fig.2 Swelling time-history curves of horizontal seepage

2.1 水平滲流

對(duì)水平滲流試驗(yàn)膨脹數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可得夯實(shí)試樣在水平滲流時(shí)各個(gè)測(cè)點(diǎn)膨脹量隨時(shí)間的變化規(guī)律(見圖2)。

由圖2可知，隨著注水量和時(shí)間的增加，3個(gè)不同測(cè)點(diǎn)的泥巖膨脹量均呈非線性增加，最后趨于一定值。將3個(gè)不同測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)期的膨脹量、相對(duì)總膨脹量的占比及平均膨脹速率列于表2。

表2 水平滲流試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)膨脹對(duì)比Tab.2 Comparison of horizontal seepage testing data of swelling soil at measuring points

由表2可知：

(1) 3個(gè)測(cè)點(diǎn)總膨脹量差異較大，1#測(cè)點(diǎn)膨脹量最大，2#測(cè)點(diǎn)次之，3#測(cè)點(diǎn)最小。

(2) 3個(gè)測(cè)點(diǎn)膨脹過程不同，其中1#測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)前期膨脹速率最大，而2#，3#測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)中期膨脹速率最大；3#測(cè)點(diǎn)膨脹速率變大的時(shí)間較2#點(diǎn)有一定延遲。

(3) 不同測(cè)點(diǎn)的膨脹時(shí)程曲線均由快速膨脹階段、外凸弧線型減速膨脹階段和膨脹穩(wěn)定階段3部分組成，不同測(cè)點(diǎn)的先后順序不一樣。

各個(gè)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生上述膨脹特性的原因分析如下：試驗(yàn)為水平滲流試驗(yàn)，先受水土樣先發(fā)生膨脹，1#測(cè)點(diǎn)土樣先受水，2#測(cè)點(diǎn)土樣次之，3#測(cè)點(diǎn)土樣最后受水。泥巖浸水過程中即發(fā)生膨脹，又發(fā)生軟化。1#測(cè)點(diǎn)的土樣，在受水過程中一側(cè)是夯實(shí)泥巖，另一側(cè)是鋼制試驗(yàn)箱，膨脹能多釋放于豎向；2#測(cè)點(diǎn)土樣，一側(cè)是夯實(shí)泥巖，一側(cè)是浸水軟化的泥巖，膨脹能同時(shí)在豎向和水平向釋放；3#測(cè)點(diǎn)的土樣，一側(cè)是鋼制試驗(yàn)箱，另一側(cè)是浸水軟化較為嚴(yán)重的泥巖，膨脹能同時(shí)在豎向和水平向釋放，且水平向釋放量大于2#點(diǎn)的土樣。因此各個(gè)測(cè)點(diǎn)豎向膨脹量分別為1#>2#>3#。

1#測(cè)點(diǎn)距離注水管最近，土樣較為干燥，儲(chǔ)存膨脹能較大，試驗(yàn)開始注水時(shí)可以浸水快速釋放膨脹能，因而前期膨脹速率較大；2#和3#測(cè)點(diǎn)土樣在試驗(yàn)開始的一定階段沒有受水，前期膨脹速率較小，到試驗(yàn)中期時(shí)水分滲透進(jìn)入2#和3#測(cè)點(diǎn)土樣，這時(shí)的膨脹速率較大；3#測(cè)點(diǎn)與2#測(cè)點(diǎn)之間有一定的水平距離，這之間水分的運(yùn)動(dòng)主要以滲透為主，水分從2#測(cè)點(diǎn)滲透到3#測(cè)點(diǎn)需要一定時(shí)間，因此3#測(cè)點(diǎn)膨脹速率增大點(diǎn)較2#測(cè)點(diǎn)有一定的延遲。

圖3 水平滲透體積含水率時(shí)程曲線Fig.3 Time-history curves of volume water content in horizontal permeability

泥巖對(duì)水分比較敏感，1#測(cè)點(diǎn)的土樣最先浸水，因此膨脹能在試驗(yàn)前期釋放較多，故前期膨脹速率較大；2#和3#測(cè)點(diǎn)的土樣在試驗(yàn)中期才開始大量浸水，因此這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)膨脹速率在試驗(yàn)中期較大。

分析水平滲流試驗(yàn)滲透數(shù)據(jù)，可得夯實(shí)土樣在水平滲流時(shí)各個(gè)濕度傳感器隨時(shí)間的變化規(guī)律(見圖3)。

由圖3可知：各部位土樣的體積含水率均經(jīng)歷前期快速增長(zhǎng)、中期外凸弧線型緩慢增長(zhǎng)和后期基本穩(wěn)定這3個(gè)階段；下部土樣首先發(fā)生快速增長(zhǎng)，上部土樣次之，中間土樣最后發(fā)生快速增長(zhǎng)。

分析上述現(xiàn)象：體積含水率增長(zhǎng)速率前期快，后期慢是由于試驗(yàn)前期土樣含水率小，基質(zhì)吸力大，水分進(jìn)入土樣速度快；試驗(yàn)后期，隨著土樣含水率的增加，基質(zhì)吸力逐漸減小，水分進(jìn)入土樣的速率減小。影響水分在土樣中的滲透因素主要有上部土樣對(duì)下部土樣的壓密作用、基質(zhì)吸力的作用和水受重力向下滲流的作用。下部土樣體積含水率首先發(fā)生快速增長(zhǎng)是由于試驗(yàn)前期，土樣整體干燥，土樣基質(zhì)吸力大，水分又受到重力影響，使得多數(shù)水分向下滲流；上部土樣不受壓密作用且基質(zhì)吸力較大，因此其體積含水率快速增長(zhǎng)較中部土樣早；中部土樣即受上部土樣壓密作用，又因水分受重力向下滲流的影響，因此體積含水量最后發(fā)生快速增長(zhǎng)。

2.2 豎向滲流

對(duì)4#，5#和6#位移傳感器測(cè)得的膨脹量求平均，以試驗(yàn)歷時(shí)為橫坐標(biāo)，平均膨脹量為縱坐標(biāo)，可得土樣整體膨脹量隨時(shí)間的變化曲線如圖4。

由圖4可知，在試驗(yàn)過程中，隨著注水量和時(shí)間的增加，泥巖整體膨脹呈非線性增加，最后趨于定值16.695 mm;泥巖經(jīng)歷前期快速膨脹(0～27.5 h)、中期膨脹減緩(27.5～95.5 h)和后期膨脹穩(wěn)定(95.5～324.0 h)3個(gè)階段，各階段膨脹量分別為11.602 mm(69.49%),4.071 mm(24.39%)和1.022 mm(6.12%)，相應(yīng)的膨脹速率為0.421 9，0.057 7和0.004 5 mm/h?？梢娔鄮r膨脹能在快速膨脹階段釋放較多，膨脹減緩階段次之，膨脹穩(wěn)定階段釋放膨脹能最?。桓麟A段膨脹速率差異較大，快速膨脹階段膨脹速率為膨脹減緩階段膨脹速率的7倍，為膨脹穩(wěn)定階段膨脹速率的90多倍。經(jīng)分析是由于試驗(yàn)前期試樣干燥，基質(zhì)吸力較大，試樣本身有較大的膨脹能，在前期浸水可以得到較大的釋放。

以試驗(yàn)歷時(shí)為橫坐標(biāo)，豎向滲透時(shí)的濕度傳感器所測(cè)得的體積含水率為縱坐標(biāo)，繪制不同測(cè)點(diǎn)的體積含水率隨時(shí)間的變化曲線如圖5。

圖4 豎向滲流膨脹時(shí)程曲線Fig.4Expansion time-history curve of vertical seepage

圖5 豎向滲透體積含水率時(shí)程曲線Fig.5 Time-history curves of volume water content in vertical permeability

由圖5可知：(1) 各部位土樣的體積含水率均經(jīng)歷前期快速增長(zhǎng)、中期外凸弧線型緩慢增長(zhǎng)和后期基本穩(wěn)定3個(gè)階段；(2) 各測(cè)點(diǎn)反應(yīng)時(shí)間分別為23.5，68.0和147.5 h；(3) 上部測(cè)點(diǎn)體積含水量最終穩(wěn)定在54.75%，中部測(cè)點(diǎn)為44.30%，下部測(cè)點(diǎn)為36.16%。體積含水率從上到下依次遞減。

分析原因如下：泥巖具有膨脹性，在進(jìn)行豎向滲透及膨脹試驗(yàn)時(shí)，上部土樣先浸水發(fā)生膨脹，試驗(yàn)箱限制其橫向膨脹，黏土顆粒在水平方向相互擠壓，使得上部土體在水平方向上孔隙直徑減小，此時(shí)水分滲透受到小孔隙的向上毛細(xì)管壓力影響，從而導(dǎo)致已膨脹泥巖滲透性減小，因此在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)體積含水率從上到下依次遞減。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 水平滲流試驗(yàn)及豎向滲流試驗(yàn)中，不同位置土樣的體積含水率均經(jīng)歷前期快速增長(zhǎng)、中期外凸弧線型緩慢增長(zhǎng)和后期基本穩(wěn)定這3個(gè)階段。

(2) 當(dāng)泥巖發(fā)生水平滲流時(shí)：泥巖呈非線性膨脹，最終達(dá)到一定值。不同測(cè)點(diǎn)的膨脹時(shí)程曲線均由快速膨脹、外凸弧線型減速膨脹和膨脹穩(wěn)定階段3部分組成，不同位置的發(fā)生順序不同；泥巖既發(fā)生膨脹，又發(fā)生軟化，離注水管越近的土樣膨脹量越大，離注水管遠(yuǎn)的土樣膨脹能向已軟化泥巖方向有一定的釋放，導(dǎo)致其豎向膨脹量變小；影響水分在土樣中的滲透因素主要有上部土樣對(duì)下部土樣的壓密作用、基質(zhì)吸力的作用和水受重力向下滲流的作用。

(3) 在豎向滲流及膨脹試驗(yàn)中，受基質(zhì)吸力的影響，泥巖膨脹能在試驗(yàn)前期釋放較多，且速率較快。

(4) 在豎向滲流及膨脹試驗(yàn)中，泥巖膨脹使得其滲透性減小，導(dǎo)致最終體積含水率從上到下依次遞減。