李世龍

（1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室（中鐵一院），西安 710043）

1 概述

隨著我國經(jīng)濟的快速增長，城市軌道交通及高速鐵路建設(shè)迅速發(fā)展，尤其是西部地區(qū)修建了許多軌道交通和高速鐵路［1］。在西部地區(qū)修建鐵路及城市地鐵時，應(yīng)首先考慮濕陷性黃土地基的處理問題［2］。濕陷性黃土具有水敏性、結(jié)構(gòu)性等復(fù)雜物理力學(xué)特性，在施工過程中應(yīng)該重點關(guān)注［3］。在施工過程中，水對路基的穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用，水易使路基產(chǎn)生地表裂縫，導(dǎo)致路基產(chǎn)生不均勻沉降，甚至完全破壞。高速鐵路及軌道交通運營過程中路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會因為水的流入而破壞，影響列車線路的正常使用。

黃土濕陷性以及黃土地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造、地形條件會給工程施工帶來很大的難度［4-6］。濕陷性黃土屬于第四紀(jì)沉積物。我國西部地區(qū)的濕陷性黃土厚度可以達到40 m 左右，天然條件下土質(zhì)堅硬。但當(dāng)黃土遭到水流入滲后，受土體自重應(yīng)力或外部附加應(yīng)力的作用，黃土的強度及各項物理力學(xué)指標(biāo)急劇下降［7］；當(dāng)土體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力大于殘余強度時，黃土的完整性遭到破壞，土體沉降，最終導(dǎo)致一系列工程問題［8-9］。

針對黃土路基中滲流效應(yīng)對路基的影響，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的工作。王延輝等［10］對比現(xiàn)場浸水試驗與室內(nèi)土工試驗得到了陜北地區(qū)黃土在自重濕陷特性與傳統(tǒng)方法研究中的差異，并從成因、年代、試驗條件等方面對陜北地區(qū)黃土進行了分析。王小軍等［11］研究了西部地區(qū)高速鐵路沿線黃土濕陷性，提出了地基處理、路基防排水等方面的處理措施及建議。邵生俊等［12］通過對原狀黃土進行現(xiàn)場浸水試驗和室內(nèi)浸水試驗，研究了濕陷黃土的濕陷變形機理，并給出了修建黃土地區(qū)路基的措施建議。鄭建國等［13］通過大型計算機軟件模擬了在不連續(xù)分布的情況下黃土濕陷變形的機理，并給出了對不連續(xù)黃土地區(qū)路基進行施工時的處理措施。Fredlund等［14］采用有限差分方法，分析大面積黃土在遇水浸濕及短時間加載后的物理力學(xué)性質(zhì)。綜上，不同的干密度、水頭高度、擠密區(qū)等條件下，黃土滲流深度、寬度對路基穩(wěn)定性影響的研究還有待于進一步加強。

本文結(jié)合西安北至機場城際軌道交通項目，通過室內(nèi)模型試驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場浸水坑試驗，研究黃土路基滲流對擠密區(qū)影響范圍。通過對比數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)模型試驗結(jié)果，揭示在力學(xué)特性、豎向位移等方面黃土地區(qū)路基濕陷對擠密區(qū)的影響，為濕陷性黃土地區(qū)路基在地基處理及災(zāi)害規(guī)避方面提供參考。

2 室內(nèi)模型試驗

2.1 試驗設(shè)計

模型試驗裝置見圖1，試驗土樣放在長1.5 m直徑20 cm 的圓柱形PVC 管內(nèi)，水位采用恒定水位管控制，水分變化采用水分傳感器記錄。

試驗場地素土最大干密度為1.73 g/cm3，初始含水率18.5%。壓實系數(shù)為0.93，0.87時試驗場地素土的干密度分別為1.61，1.51 g/cm3。試驗方案見表1。

圖1 試驗裝置

表1 試驗方案

2.2 試驗步驟

1）土樣制備。將試驗用黃土過5 mm 的篩，按照試驗需要配成含水率為18.5%的土，保濕靜置2 d。

2）模型填筑。在PVC 管管壁內(nèi)側(cè)涂抹凡士林，根據(jù)設(shè)計干密度每5 cm 一層分層裝進管內(nèi)，保證土樣干密度均勻一致。管壁上沿長度方向每隔10 cm 預(yù)設(shè)1個小孔，土樣裝填后，從預(yù)設(shè)孔植入水分傳感器。

3）加水試驗。給試樣加水，使用水位恒定管恒定入滲水位，使用水分傳感器適時記錄試樣水分變化。

4）重復(fù)以上步驟完成所有試樣滲流試驗。

2.3 試驗結(jié)果及分析

積水情況下入滲距離與時間關(guān)系見圖2?？芍S時間的增大，入滲距離先急劇增大而后逐漸趨于平緩。工況A水頭0.1 m時，入滲1 m需要30.5 d；工況B水頭0.1 m 時，入滲1 m 需要13.5 d。說明入滲時間與干密度成正相關(guān)，即干密度越大入滲同樣的距離需要的時間越長。

圖2 水頭0.1 m時入滲距離與時間關(guān)系

圖3 水頭1 m時入滲距離與時間關(guān)系

未處理區(qū)域向擠密區(qū)滲流時入滲距離與時間關(guān)系見圖3?？芍S時間的增大入滲距離逐漸增大，工況D入滲距離與時間基本成正相關(guān)，入滲較快。工況C隨時間的增大入滲距離先急劇增大而后逐漸趨于平緩。其中，工況C水頭1 m時，入滲1 m需要28 d；工況D水頭1 m時，入滲1 m需要7 d，說明干密度越大入滲同樣的距離需要的時間越長。

對比圖2、圖3可知，當(dāng)干密度相同時，入滲同樣的距離，水頭高度與入滲時間成負相關(guān)，即水頭越高需要的時間越短。當(dāng)水頭高度相同時，土樣干密度越大時，入滲同樣的距離需要的時間越長，干密度對水滲流速率影響比較顯著。

3 浸水試驗數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗

3.1 浸水試驗?zāi)M

采用MIDAS GTS/NX 有限元軟件建立浸水試驗計算模型，尺寸為80 m×25 m，浸水坑深度25 m，水頭0.1 m，其余邊界流量均設(shè)為0。試驗現(xiàn)場土層及原狀土物理指標(biāo)見表2。計算結(jié)果見圖4所示，圖中藍色區(qū)域為非飽和區(qū)，紅色區(qū)域為飽和區(qū)。

表2 原狀土物理指標(biāo)

圖4 浸水試驗入滲深度云圖

由圖4可知，隨著試驗時間的增加，飽和區(qū)范圍在逐漸增大；浸水前期先沿著豎向滲流的速度較快，隨后沿中心向兩邊延伸。

現(xiàn)場浸水試驗結(jié)果見圖5，浸水坑尺寸為20 m×30 m?？芍瑵B流前期豎向滲流較快，而后由中間向四周延伸。

圖5 現(xiàn)場浸水試驗結(jié)果

對比圖4、圖5 可知，在浸水試驗中水流先沿著豎向滲流較快，達到一定深度后，逐漸向四周延伸。圖4中，浸水15 d 時水流入滲深度為20 m，入滲寬度最大為30 m；浸水30 d 時浸水深度達到25 m，水流向周圍擴散，最終浸水線寬度50 m?，F(xiàn)場試驗中浸水15 d時，入滲深度為25 m，入滲寬度與浸水坑寬度基本相同，為20 m，隨著浸水時間的增長，水流逐步向周圍擴散，并達到最終浸水線寬度50 m?，F(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，說明建立的模型及計算參數(shù)選取合理。

3.2 不同擠密系數(shù)的地基滲流模擬

建立不同擠密系數(shù)的地基滲流計算模型，尺寸為30 m×30 m，其中擠密區(qū)為15 m×15 m，擠密區(qū)素土擠密樁力學(xué)參數(shù)見表3，模擬結(jié)果見圖6。

表3 擠密區(qū)素土擠密樁力學(xué)參數(shù)

圖6 不同擠密系數(shù)不同滲流時間水流滲入距離

由圖6可知，滲流的前期，水流主要沿未擠密區(qū)向下滲流，并逐步從未擠密區(qū)下部開始向周圍入滲，擠密區(qū)與未擠密區(qū)邊緣有較少水分入滲。擠密系數(shù)0.93，0.87的地基10 d入滲距離分別為3.56，7.91 m，當(dāng)達到30 d 后豎向入滲距離均到達地基邊界。擠密系數(shù)0.87 的地基在10 d 和30 d 時水流滲入擠密區(qū)的距離均比擠密系數(shù)0.93的地基大，說明擠密系數(shù)對滲流的距離有影響，擠密系數(shù)越小在相同的時間內(nèi)滲流的距離越遠，對黃土地區(qū)工程結(jié)構(gòu)物的影響越顯著。

對比模型試驗和數(shù)值模擬計算結(jié)果可知，水流在入滲過程中先沿著豎向滲流較快，達到一定深度后，逐漸向四周延伸。入滲同樣的距離，水頭高度與入滲時間成負相關(guān)，即水頭越高入滲同樣的距離需要的時間越短。當(dāng)水頭高度相同時，土樣干密度越大，即擠密系數(shù)越大，入滲同樣的距離需要的時間越長，擠密系數(shù)對滲流速率影響比較顯著。

因此，在工程實踐中應(yīng)加強黃土路基的處理，必要時可采取換填、強夯等措施，盡量減小路基不均勻沉降對線路的危害。

4 結(jié)論與建議

本文自主研制并設(shè)計了模擬濕陷性黃土路基滲流效應(yīng)的模型試驗裝置，采用模型試驗結(jié)合數(shù)值模擬研究了濕陷性黃土路基在滲流效應(yīng)下的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1）模型試驗中干密度為1.61，1.51 g/cm3的土樣，水頭為0.1 m 時入滲深度1 m 分別需要30.5，13.5 d，水頭為1 m 時入滲深度1 m 需要28，7 d。說明水頭高度和干密度對滲流速率影響比較顯著；當(dāng)入滲距離相同時，入滲時間與干密度成正相關(guān)；當(dāng)干密度相同時，水頭高度與入滲時間成負相關(guān)。

2）現(xiàn)場浸水試驗中，水流入滲深度為25 m 土樣浸水從15 d到30 d時，入滲寬度從20 m擴大至50 m。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，浸水15，30 d 時水流入滲深度分別為20，25 m，入滲寬度從30 m擴大至50 m。說明水流沿著豎向滲流較快，達到一定深度后，逐漸向四周延伸，現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，說明建立的模型及計算參數(shù)選取合理。。

3）擠密系數(shù)為0.93，0.87的地基浸水10 d入滲距離分別為3.56，7.91 m，擠密系數(shù)為0.87 的地基在10，30 d 時水流滲入擠密區(qū)的距離均比擠密系數(shù)為0.93 的地基大。擠密系數(shù)對滲流的距離有影響，擠密系數(shù)越小，滲流的距離越遠，對擠密區(qū)的影響越大。

由于試驗條件及現(xiàn)場環(huán)境的限制，本文中模型試驗及現(xiàn)場浸水試驗對黃土的特性分析較少，數(shù)值模擬中對工程現(xiàn)場各種因素考慮不夠全面。有待加強對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的搜集，使試驗和數(shù)值模擬結(jié)果更接近于實際情況。