王斌文,馬麗娜,2,張戎令,王起才,張?zhí)畦?李佳敏

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070； 2.蘭州交通大學(xué)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,蘭州 730070； 3.卡迪夫大學(xué)工程學(xué)院,英國 CF24 3AA)

引言

膨脹土是自然地質(zhì)形成過程中產(chǎn)生的一種多裂隙并具有顯著脹縮性的地質(zhì)體，其顆粒高分散、成分以黏土礦物為主(主要含蒙脫石、伊利石等親水性黏土礦物)，對環(huán)境的濕熱變化非常敏感，具有遇水膨脹、軟化、崩解和失水收縮、開裂的性質(zhì)[1-4]。近年來，高鐵無砟軌道膨脹泥巖地基出現(xiàn)了大范圍持續(xù)上拱的變形現(xiàn)象，比設(shè)計(jì)高程高出48 mm左右，而高速鐵路施工中路基沉降允許調(diào)整值為15 mm，膨脹允許值僅為4.0 mm[5-6]，然而，已運(yùn)營幾十年的有砟軌道、公路等，該問題并未體現(xiàn)的非常突出。高速鐵路對線路平順性極高的要求，使得其路基上拱變形成為工程建設(shè)中面臨的又一個(gè)新難題。

如何有效解決以上問題，目前有很多學(xué)者做了大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究工作，如高游等[7]在豎向荷載25～800 kPa下，對江蘇省淮安市某地的膨脹土進(jìn)行了浸水試驗(yàn)，研究了在不同初始干密度和不同初始含水率下膨脹變形的影響；黃斌等[8]研究了膨脹土的膨脹率與初始含水率、壓實(shí)度以及上覆荷載之間的關(guān)系，從而建立了以上3種影響因素下的膨脹率計(jì)算公式；鐘志彬等[9-10]以川中紅層泥巖為研究對象，在室內(nèi)進(jìn)行了原狀泥巖浸水物化膨脹試驗(yàn)，得到了川中紅層泥巖吸水膨脹變形隨時(shí)間的變化規(guī)律；曾娟娟等[11]研究了婁益高速路基膨脹土初始干密度、含水率與無荷膨脹率之間的關(guān)系，得到了婁益高速路基膨脹土的無荷膨脹模型和時(shí)間函數(shù)模型；李振等[12]進(jìn)行了膨脹土在不同初始密度和不同初始含水率下分級浸水和一次性浸水的壓縮和膨脹變形試驗(yàn)，同時(shí)得出了在不同壓力下膨脹土浸水前后膨脹量的變化結(jié)果。

然而，室內(nèi)試驗(yàn)又具有一定的局限性，不能完全反應(yīng)現(xiàn)場的實(shí)際情況，因此，學(xué)者們在結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，開展了相應(yīng)的現(xiàn)場試驗(yàn)研究。陳志偉等[13]以云貴高速鐵路低矮路堤膨脹土地基為研究對象，通過現(xiàn)場浸水的方式對不同高度的中-強(qiáng)膨脹土路堤進(jìn)行試驗(yàn)，得到了浸水飽和后的變形特性；馬麗娜等[14]基于不同浸水深度和不同上覆荷載的原位浸水膨脹試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，不同的浸水深度與膨脹變形量為非線性關(guān)系；李鳳起等[15]用改進(jìn)后的“壓力-膨脹量曲線法”對西安—南京鐵路合肥—南京試驗(yàn)段進(jìn)行了原位地基土的膨脹力試驗(yàn)，得出了膨脹土路基為半無限體空間體；李雄威等[16]研究了氣象因素對南寧膨脹土現(xiàn)場膨脹力的影響，發(fā)現(xiàn)土體膨脹力的變化與降雨的入滲有很大的相關(guān)性，“旱澇急轉(zhuǎn)”的變化過程會使得土體膨脹力驟然發(fā)生變化。因此，深入研究膨脹泥巖浸水膨脹變形和滲透速率的變化規(guī)律，對理解和分析膨脹土膨脹變形特性以及路基病害防治都具有良好的實(shí)際工程意義。

本文依托蘭新高鐵，選取具有代表性的標(biāo)段進(jìn)行現(xiàn)場原位試驗(yàn)，研究在不同上覆荷載、不同滲水距離下的水平和豎向滲透特性，分析了以下關(guān)系：(1)膨脹土的膨脹變形量隨時(shí)間的變化；(2)膨脹土的膨脹變形量隨上覆荷載的變化；(3)原狀膨脹土水平滲透速率與滲透距離的關(guān)系；(4)原狀膨脹土水平滲透速率與上覆荷載的關(guān)系；(5)原狀膨脹土豎向滲透速率與滲透距離的關(guān)系；(6)原狀膨脹土豎向滲透速率與上覆荷載的關(guān)系。此研究可為高速鐵路膨脹土地基上拱病害研究提供一定的理論參考。

1 原位試驗(yàn)

1.1 原位試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

膨脹性泥巖在干濕循環(huán)的作用下，旱季容易失水收縮，微裂隙張開，為地表水滲入提供通道，雨季又吸水充分膨脹，強(qiáng)度降低，因此，泥巖路基遇水會出現(xiàn)下沉外擠，導(dǎo)致線路地基變形走樣，路肩隆起，側(cè)溝破壞，道床翻漿冒泥等病害。其中主要原因是由于水通過滲透作用進(jìn)入泥巖并在泥巖孔隙中擴(kuò)散。本文主要研究原狀泥巖注水后在有上覆荷載的條件下，土體是否會發(fā)生膨脹？以及水平和豎向滲透速率與滲透距離是否有關(guān)系？前期在室內(nèi)進(jìn)行了原狀泥巖膨脹和滲透的研究，得到了原狀泥巖在不同干密度、不同上覆荷載下的水平滲透速率與豎向滲透速率的變化規(guī)律[17-19]。為了更真實(shí)地反映現(xiàn)場實(shí)際情況，有必要進(jìn)一步研究工程實(shí)際中水的滲透速率的變化規(guī)律。本次現(xiàn)場原位試驗(yàn)，在鐵路路基泥巖地段進(jìn)行原狀土不同上覆荷載下、不同滲水距離的水平與豎向滲透速率測試試驗(yàn)，以研究上覆荷載對泥巖膨脹量和滲透速率的影響。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究水在不同滲流方向下對高速鐵路無砟軌道泥巖地基膨脹性及滲透性的影響規(guī)律，在試驗(yàn)布置區(qū)域鉆取直徑為5 cm的注水孔，然后在距離注水孔10,20 cm和30 cm三種不同水平滲水距離處布置測點(diǎn)，并在相應(yīng)的測點(diǎn)處埋置濕度傳感器，見圖1。根據(jù)濕度傳感器的變化可得到不同滲水距離處的含水率變化規(guī)律，進(jìn)而得到不同滲水距離處原狀土的水平平均滲透速率，并得到現(xiàn)場原狀土水平平均滲透速率與滲透距離之間的關(guān)系；通過百分表可測試不同時(shí)間時(shí)，土體膨脹量與含水率的關(guān)系。

圖1 濕度傳感器布置(單位：cm)

1.2.2 試驗(yàn)場地布置

試驗(yàn)點(diǎn)選定后，清除地面表層風(fēng)化土，開挖4個(gè)同等大小的試驗(yàn)基坑，編號為YPS-1、YPS-2、YPS-3、YPS-4，基坑尺寸為2 m×1.75 m，基坑深1.0 m，4個(gè)試驗(yàn)基坑之間的外邊間距為2 m，以消除相互間的影響；基坑開挖完成后，對基坑進(jìn)行整平?；拥撞恐行牟课幌峦谏疃葹?0 cm的圓心直徑為75 cm的區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)域。如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)場地布置(單位：m)

1.3 試驗(yàn)過程

(1)清除表層浮土：用挖掘機(jī)清除試驗(yàn)場地表面40 cm厚的分化浮土。

(2)開挖試驗(yàn)臨空面：用挖掘機(jī)依次挖4個(gè)長1.5 m，寬0.5 m，深1.0 m的側(cè)向臨空面，用于鉆取水平孔埋置滲透濕度傳感器。

(3)水平孔：在臨空面以下60 cm處，用直徑5 cm的電動轉(zhuǎn)鉆，以每隔10 cm的間距鉆取87.5 cm深的水平孔。

(4)豎向孔：在試驗(yàn)區(qū)域根據(jù)每個(gè)基坑的坐標(biāo)先用石灰確定4個(gè)φ75 cm的圓形面，然后按照60°的扇形區(qū)域分別以半徑30，20 cm和10 cm的間距進(jìn)行豎向鉆孔。

(5)埋置濕度傳感器：按照試驗(yàn)方案要求，先在孔底填充一層細(xì)土，使?jié)穸葌鞲衅鞯奶结槻迦爰?xì)土中，待孔中的濕度傳感器埋置完成后，再使用細(xì)土將孔填實(shí)，將土夯實(shí)。

(6)架設(shè)堆載裝置和百分表：緊貼地表與滲水裝置架設(shè)堆載板，并準(zhǔn)確地將注水軟管插入預(yù)留注水鋼管中；按照設(shè)計(jì)要求的位置依次安裝百分表，進(jìn)行一次初讀數(shù)。

(7)注水及荷載：將裝滿水的蓄水桶與各試坑的注水軟管連接，每2 h注水一次，直至百分表的讀數(shù)不再發(fā)生變化，表示膨脹穩(wěn)定，停止注水。采用袋裝砂石進(jìn)行堆載，堆載時(shí)要對鋼架和堆載物進(jìn)行稱重，累計(jì)至需要質(zhì)量，對堆載量進(jìn)行控制，還要保證堆載臺受力均勻、不偏載。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 原位試驗(yàn)膨脹和滲透結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 膨脹變形-浸水時(shí)間關(guān)系

按照以上試驗(yàn)方法對所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了在上覆荷載0，15，30，45 kPa下的膨脹量隨浸水時(shí)間的變化規(guī)律，如圖3所示，膨脹變形曲線大致呈“S”形分布，可分為4個(gè)階段。

圖3 膨脹量隨浸水時(shí)間的變化曲線

(1)第Ⅰ階段：在自上而下不斷浸水的情況下，原狀泥巖內(nèi)部孔隙吸水發(fā)生膨脹，但從圖3可以得出，土體膨脹變化非常緩慢，隨著荷載的不斷加大，在0～57 h內(nèi)，膨脹土變形量從上覆荷載0 kPa時(shí)的0.709 mm，降低到上覆荷載45 kPa時(shí)的0.14 mm。

(2)第Ⅱ階段：在0～30 kPa的上覆荷載下，隨著水持續(xù)不斷浸入，泥巖膨脹變形驟然增加，上覆荷載越大，膨脹變形越小。造成這一現(xiàn)象的原因主要是在浸水量增加時(shí)，泥巖內(nèi)部釋放的膨脹力與土體的自重和上覆荷載產(chǎn)生的重力集中力不能達(dá)到平衡。但在45 kPa的上覆荷載下，泥巖并沒有呈現(xiàn)以上的變化趨勢，而是出現(xiàn)了膨脹回滯現(xiàn)象，如圖3中的A段，在57～169 h內(nèi)，土體開始回縮，但回縮量較小，在144h時(shí)，達(dá)到-0.09 mm，產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因是由于上覆荷載和土體的自重大于土體產(chǎn)生的膨脹力，導(dǎo)致土體回縮；隨著水的不斷浸入，土體中的微裂隙完全充滿水，土顆粒之間的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，水分子與土顆粒所產(chǎn)生的膨脹勢能逐漸與外界荷載相平衡，最終膨脹勢能大于外界荷載，土體又開始發(fā)生膨脹，如圖3中的B段所示。

(3)第Ⅲ階段：在持續(xù)注水499 h后，土體的膨脹發(fā)生明顯的變化，在0 kPa的上覆荷載下，膨脹量達(dá)到13.53 mm，上覆荷載15 kPa時(shí)，膨脹量為9.28 mm，上覆荷載30 kPa時(shí)，膨脹量為7.00 mm，而在40 kPa的上覆荷載下，膨脹量為5.75 mm；這一階段膨脹變形較上一階段明顯變慢，造成這一現(xiàn)象的原因是荷載起主要作用，泥巖可吸水能力達(dá)到臨界值，處于半飽和狀態(tài)，土體中的膨脹力大于等于外部荷載，膨脹變形趨于穩(wěn)定。

(4)第Ⅳ階段：所有荷載下的土體均達(dá)到穩(wěn)定不再變化，此時(shí)，在不同荷載下的膨脹變形隨時(shí)間的變化停止，土體達(dá)到實(shí)際飽和狀態(tài)不再吸水，膨脹變形停止。

由以上分析可得：(1)膨脹泥巖在浸水量不斷增加的情況下，膨脹量隨著上覆荷載的增加，呈現(xiàn)出“膨脹緩慢變形—驟然增加(回縮)—膨脹減緩—穩(wěn)定”變化趨勢；(2)在相同浸水量，相同時(shí)間下，膨脹量與上覆荷載成反比關(guān)系。

2.2 含水率-時(shí)間的關(guān)系

2.2.1 水平方向含水率與時(shí)間的關(guān)系

土體在浸水膨脹的過程中，不同上覆荷載下的水平向含水率隨浸水時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同上覆荷載下的水平向含水率變化曲線

由圖4可見：在不同的上覆荷載下，原狀泥巖吸水膨脹土體中含水率的變化均可分為“穩(wěn)定-急劇增大-穩(wěn)定”三個(gè)階段。當(dāng)水隨著微裂隙浸入到土體中，在滲透區(qū)域土體會達(dá)到一個(gè)暫時(shí)的飽和狀態(tài)，一般把這個(gè)區(qū)域稱作暫態(tài)飽和區(qū)[20]。在注水初期，隨著注水量的增加，土體的孔隙率減小，水入滲時(shí)會形成一個(gè)穩(wěn)定的水-氣分界面，抑制了水分子的繼續(xù)入滲，水分不能再向前滲透，而是在一個(gè)區(qū)域繼續(xù)不斷匯聚，滲透范圍不斷擴(kuò)大，直到達(dá)到飽和(暫態(tài)飽和)驟然向前進(jìn)行又一次滲透，如圖4中的第Ⅱ階段。由于原位試驗(yàn)注水所用的水頭為常水頭，水能不斷地浸入到土體中，滲透途徑的長度越短，含水率會急劇增大。在注水300 h后，土體已經(jīng)基本達(dá)到飽和，含水率逐漸趨于穩(wěn)定，對比在這4種上覆荷載下的含水率變化曲線，上覆荷載越大，土體達(dá)到暫態(tài)飽和時(shí)的時(shí)間就越長(0 kPa時(shí)平均時(shí)長200 h，15 kPa時(shí)為230 h，30 kPa為280 h，45 kPa時(shí)為380 h)，水就越不容易滲透；達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，上覆荷載越大，滲透距離就越短，含水率就越小。

2.2.2 豎向含水率與時(shí)間的關(guān)系

根據(jù)不同深度的濕度傳感器測得的原狀土的含水率的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 不同荷載下的豎向含水率變化曲線

由圖5可以看出，上覆荷載較小時(shí)，土體達(dá)到暫態(tài)飽和的時(shí)間短，隨著上覆荷載的增大，暫態(tài)飽和區(qū)的時(shí)間也隨之變長，同時(shí)距離注水口越近，水滲透的速率就越快，土體含水率越大；在開始注水階段，土體含水率保持不變的原因主要有：(1)水與土顆粒形成了結(jié)合水膜[21](圖6)，土顆粒之間的阻力大，土顆?？朔枇M(jìn)行運(yùn)動所消耗的能量大；(2)上覆荷載越大，土體中產(chǎn)生的有效應(yīng)力就越大，從而阻止土體顆粒之間結(jié)合水膜的增厚抑制了土體中水的滲透，從而導(dǎo)致含水率長時(shí)間處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著水的不斷增多，土顆粒之間產(chǎn)生的滲透力大于土體所承受的外部荷載，土顆粒發(fā)生運(yùn)動產(chǎn)生的阻力小于土體滲透力和吸力，結(jié)合水膜變薄，此時(shí)，聚集的大量水分會在大滲透力和吸力的作用下發(fā)生大范圍的滲透，如圖5所示，在注水100 h后，土體含水率突增；當(dāng)土體中的滲透力和吸力與外界荷載達(dá)到平衡時(shí)，土體中的顆粒不再運(yùn)動，水分子也停止向土體顆粒內(nèi)部滲透，土體達(dá)到飽和。

圖6 收縮膜受力示意

2.3 上覆荷載-平均最大膨脹量關(guān)系

根據(jù)現(xiàn)場4個(gè)基坑在不同荷載下的膨脹量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：在注水量一定的情況下，上覆荷載越小，泥巖平均最大膨脹量越大；當(dāng)不加上覆荷載時(shí)，膨脹量達(dá)到最大，為13.65 mm，當(dāng)上覆荷載為45 kPa時(shí)，膨脹量最小，為5.767 mm，變形關(guān)系如圖7所示，膨脹量與上覆荷載呈非線性關(guān)系，對其進(jìn)行擬合，相關(guān)系數(shù)為0.99，說明擬合度較高，其擬合關(guān)系式為

(1)

式(1)為平均最大膨脹量與上覆荷載之間的函數(shù)關(guān)系式，可以看出上覆荷載對泥巖平均最大膨脹量的影響很大，其根本原因是土體吸水，水的滲透改變了土體的結(jié)構(gòu)組成，使泥巖發(fā)生膨脹。

圖7 平均最大膨脹量與上覆荷載關(guān)系

3 結(jié)論

進(jìn)行了不同上覆荷載下的泥巖膨脹量的原位試驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

(1)膨脹泥巖在浸水量不斷增加的情況下，膨脹量隨著上覆荷載的增加，呈現(xiàn)出“膨脹緩慢變形—驟然增加(回縮)—膨脹減緩—穩(wěn)定”變化趨勢；在相同浸水量，相同時(shí)間下，膨脹量與上覆荷載成反比關(guān)系。

(2)隨著上覆荷載逐漸大于泥巖浸水產(chǎn)生的膨脹力時(shí)，泥巖膨脹受到抑制，在45 kPa下，土體沒有膨脹反而回縮；當(dāng)上覆荷載小于土體內(nèi)部膨脹力時(shí)，土體繼續(xù)膨脹，直至達(dá)到平衡，泥巖膨脹穩(wěn)定。

(3)土體中含水量的大小和上覆荷載有很大的關(guān)系，隨著上覆荷載的增大，土體中水的滲透距離變短，含水率降低，采用吸水率評價(jià)其膨脹性更具代表性。

本次原位試驗(yàn)?zāi)芨玫亟鉀Q室內(nèi)試驗(yàn)中出現(xiàn)的一些局限性的問題，為深入研究工程現(xiàn)場泥巖浸水膨脹變形和滲透性的變化規(guī)律，以及此類路基病害防治都具有良好的實(shí)際工程意義。