熊招美

(中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司, 西安 710043)

我國(guó)膨脹土發(fā)育，分布區(qū)域主要集中在西南、西北、東北，黃河中下游地區(qū)，總面積在10萬(wàn)km2以上。膨脹土的粘土礦物成分主要由親水礦物組成，同時(shí)具有吸水顯著膨脹軟化和失水收縮干裂兩種特性，為具有濕脹干縮往復(fù)變形的高塑性粘土[1]。膨脹土土層性質(zhì)特殊，給工程設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)巨大影響，處理不當(dāng)將給路基、邊坡等帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。因此，明確膨脹土的工程性質(zhì)對(duì)于膨脹土地區(qū)的工程建設(shè)具有重大意義。

膨脹土易受擾動(dòng)，室內(nèi)測(cè)試結(jié)果往往不能真實(shí)地反映現(xiàn)場(chǎng)情況，因此，膨脹土的原位測(cè)試就顯得十分重要。高密度電法測(cè)試和面波勘探是目前相對(duì)安全、快速、經(jīng)濟(jì)、無(wú)損、可靠的探測(cè)方法，對(duì)膨脹土路基檢測(cè)是行之有效的。李建文等人[2]采用高密度電法和淺層地震法綜合物探與鉆探相結(jié)合進(jìn)行了采空區(qū)勘察，查明膨脹土下伏采空區(qū)的深度、范圍及工程特性，并開(kāi)展膨脹土的土性試驗(yàn)。張繼令等人[3]將面波勘探應(yīng)用在南昆鐵路路基基床膨脹土病害檢測(cè)中，探查出在基床換填滲水土與原基床頂面之間有一薄層軟化層。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于膨脹土的原位測(cè)試方法較為單一，采用多種方法結(jié)合并對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的手段仍然較少。

本文以云南彌蒙鐵路某遛塌路段的膨脹土路基邊坡為研究對(duì)象，采用高密度電法測(cè)試和高密度面波勘探相結(jié)合的聯(lián)合勘探方法，研究該類(lèi)型鐵路邊坡內(nèi)部電參數(shù)、剪切波波速等變化，分析路基邊坡遛塌原因，進(jìn)而研究邊坡遛塌的破壞模式，為后續(xù)膨脹土路基邊坡研究提供參考。

1 邊坡特征

選取云南省彌勒至蒙自鐵路某路段的膨脹土路基邊坡作為研究對(duì)象。該邊坡位于竹園—朋普斷陷盆地內(nèi)，該盆地屬北東構(gòu)造沉陷帶，為一新第三紀(jì)湖積盆地。測(cè)區(qū)地形平緩，起伏較小，地面高程 1 140～1 181 m，相對(duì)高差約41 m。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查揭露結(jié)果，本段線路以挖方路基通過(guò)，中心最大挖深約13.1 m，表層覆蓋松軟土、膨脹土、泥炭質(zhì)土、淤泥質(zhì)土、粉細(xì)砂。其中松軟土褐黃、灰褐等色，軟塑狀，土質(zhì)不純，局部含砂質(zhì)及少量細(xì)圓礫，黏性較強(qiáng)，可見(jiàn)鈣質(zhì)結(jié)核。膨脹土硬塑狀，厚度大于20 m，綜合判定為中等～強(qiáng)膨脹土。泥炭質(zhì)土呈灰黑、黑色，硬塑狀，內(nèi)含大量腐植物，質(zhì)輕，污手，夾黏性土，呈透鏡體狀。段內(nèi)地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕等級(jí)為H1。

邊坡地表為黏土(松軟土)，厚1.5～6 m，下部為第三系中強(qiáng)膨脹土，厚度大于50 m，地下水埋深1～2 m。設(shè)計(jì)按兩級(jí)邊坡防護(hù)，一級(jí)邊坡為錨桿框架梁灌草護(hù)坡，防護(hù)高度為6 m，坡率為1∶2，錨桿長(zhǎng)度為8 m；二級(jí)邊坡防護(hù)為方格型截水骨架護(hù)(無(wú)錨桿)，高0～6 m，坡率為1∶2，間距為2.5 m×2.5 m，邊坡平臺(tái)寬度為3 m。一級(jí)邊坡坡腳設(shè)置樁板墻錨固樁防護(hù)，樁長(zhǎng)16 m，樁間距6 m，錨固樁截面尺寸為1.5 m×2 m。路塹坡頂設(shè)置截水天溝，如圖1所示。

圖1 路基設(shè)計(jì)圖(m)

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法

該段路基邊坡存在著大量膨脹土，工程開(kāi)挖擾動(dòng)及降雨會(huì)對(duì)土的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生影響，存在誘發(fā)邊坡遛塌的風(fēng)險(xiǎn)?；谠摰貐^(qū)膨脹土的工程特性，需對(duì)該邊坡進(jìn)行原位測(cè)試研究，為后續(xù)施工及工程處治措施提供依據(jù)。

2.1 高密度四極電測(cè)深法及高密度面波法測(cè)試原理

本次測(cè)試采用高密度四極電測(cè)深法和高密度面波法。其中，高密度四極電測(cè)深法是基于直流電測(cè)深開(kāi)發(fā)的，存在4個(gè)電極的電測(cè)深法，它是在地面的1個(gè)測(cè)深點(diǎn)上(即測(cè)量電極MN的中點(diǎn))，通過(guò)逐次加大供電電極(AB極距)的大小，測(cè)量同一點(diǎn)的不同AB極距的視電阻率。其計(jì)算表達(dá)式為：

(1)

式中：ρ——兩被測(cè)量電極間的電阻率(Ω·m)；

K—與電極排序相關(guān)的裝置系數(shù)；

ΔVMN—電極間的電壓值；

I—電極間的電流值。

高密度面波勘探方法具有精度高、可靠性好等特點(diǎn)，在國(guó)外被廣泛應(yīng)用在工程地質(zhì)勘探中。該方法利用人工激發(fā)產(chǎn)生的面波，根據(jù)瑞雷面波的頻散特性，通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)一步反演，來(lái)獲得淺層、超淺層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及介質(zhì)物理參數(shù)。數(shù)據(jù)處理流程包括預(yù)處理、波形處理、頻散分析、兩維分析與作圖。其基本原理為均勻介質(zhì)中含面波速度的瑞雷波動(dòng)方程的求解[4]，如式(2)所示。

(2)

式中：VR——面波波速(m/s)；

VS——橫波波速(m/s)；

σ——泊松比。

2.2 測(cè)線布設(shè)

為探測(cè)地下的地層分布情況，在彌蒙DK 44+710至DK 44+970段邊坡進(jìn)行高密度四極電測(cè)深法和高密度面波法勘探。其中高密度四極電測(cè)深法共布設(shè)4條測(cè)試，橫縱剖面各2條，電極間距2 m，測(cè)線1長(zhǎng)度約為250 m，測(cè)線2長(zhǎng)度約為220 m，測(cè)線3位于DK 44+730處，屬于未遛塌區(qū)域，測(cè)線4位于DK 44+860處，屬于遛塌區(qū)域，長(zhǎng)度各約180 m。高密度面波法共布設(shè)2條測(cè)線，橫縱剖面各1條，分別為測(cè)線1方向，長(zhǎng)240 m，測(cè)線3方向，長(zhǎng)180 m，如圖2所示。檢波器間距設(shè)為2 m，為1×24排列，每次測(cè)試移動(dòng)12個(gè)檢波器的位置，直至完成整條測(cè)線的測(cè)試。

圖2 邊坡高密度四極電測(cè)深法和高密度面波法測(cè)線布設(shè)圖

2.3 高密度四極電測(cè)深法測(cè)試結(jié)果

利用高密度四極電測(cè)深法對(duì)地下巖土進(jìn)行勘探，得到開(kāi)挖后4條剖面線地下深度方向的電阻率分布，如圖3所示。

從圖3可以看出，沿測(cè)線1、2的路基縱剖面的電阻率沿深度分布逐漸改變，反映了地質(zhì)構(gòu)造的逐漸變化。從沿測(cè)線方向的電阻率分布來(lái)看，除去表面環(huán)境等因素的影響，DK 44+710～DK 44+820段(未遛塌區(qū)域)電阻率分布較為均勻，結(jié)合地質(zhì)勘查資料，該區(qū)域深度方向主要以低電阻率的膨脹土為主，電阻率約為數(shù)10～30 Ω·m；DK 44+820～DK 44+970段(遛塌區(qū)域)內(nèi)存在電阻率增大的現(xiàn)象，電阻率可達(dá) 50 Ω·m以上。對(duì)橫向剖面電阻率分布進(jìn)行分析，可以看出，測(cè)線3(未遛塌區(qū)域)電阻率分布較為均勻，主要分布于0～100 Ω·m，高電阻率區(qū)域較??；測(cè)線4(遛塌區(qū)域)內(nèi)的高電阻率(>300 Ω·m)區(qū)域較大，且主要集中在路基邊坡部分。

基于此現(xiàn)象，對(duì)電阻率頻數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖4所示。在縱剖面上以轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為閾值，即電阻率為50 Ω·m時(shí)，進(jìn)行土性材料劃分；在橫剖面上以轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為閾值，即電阻率為80 Ω·m時(shí)，進(jìn)行土性材料劃分。劃分結(jié)果如圖5所示。

從圖4、圖5可以看出，主要遛塌區(qū)域(DK 44+820～DK 44+970段)存在著較多的高電阻率土性材料(裂隙土)，裂隙發(fā)育，與未遛塌區(qū)域(DK 44+710～DK 44+820段)以低電阻率土性材料為主的現(xiàn)象存在著差異，土的結(jié)構(gòu)、力學(xué)等性質(zhì)存在差異。

2.4 高密度面波法測(cè)試結(jié)果

對(duì)邊坡路基相交剖面進(jìn)行高密度面波法勘探，得到地下介質(zhì)剪切波波速分布結(jié)果，如圖6所示。

從圖6可以看出，由于上部環(huán)境的影響以及工程的擾動(dòng)，該層土體剪切波速度較小，分布于0～2 m范圍內(nèi)。隨著深度的增加，剪切波速度逐漸增大。結(jié)合鉆孔資料，以250 m/s為閾值，0～8 m深度處存在膨脹土夾裹松軟土，局部夾雜泥炭質(zhì)土；深度8 m以下，主要以膨脹土結(jié)構(gòu)為主，剪切波速度大于 250 m/s，結(jié)構(gòu)性完整度稍高，彈性模量等物理力學(xué)特性較強(qiáng)。在DK 44+820～DK 44+970區(qū)域段，土層的剪切波速度減小，結(jié)構(gòu)性完整度稍低，彈性模量等物理力學(xué)特性較弱。

圖3 基于電阻率頻數(shù)統(tǒng)計(jì)的土體材料劃分圖

圖4 電阻率頻數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

圖5 材料劃分圖

圖6 邊坡的面波結(jié)果圖

圖7 分區(qū)域結(jié)果對(duì)比分析圖

3 聯(lián)合分析

根據(jù)高密度四極電測(cè)深法、高密度面波法測(cè)試結(jié)果可知，路基邊坡遛塌的主要原因在于區(qū)域土體裂隙發(fā)育， 結(jié)構(gòu)性變化較弱，具體表現(xiàn)為土體電阻率的增大、橫波波速的降低和彈性模量的減小，如圖7所示。DK 44+710～DK 44+820區(qū)域內(nèi)(邊坡未遛塌區(qū)域)的平均電阻率為75.3 Ω·m，平均剪切波速度為262.3 m/s；而DK 44+820～DK 44+970區(qū)域內(nèi)(邊坡遛塌區(qū)域)的平均電阻率為103.6 Ω·m，存在著增大趨勢(shì)，平均剪切波速度為244.9 m/s，存在著減小趨勢(shì)。

由以上分析可知，由于邊坡局部區(qū)域存在裂隙土，開(kāi)挖和降雨兩種擾動(dòng)對(duì)膨脹土路基邊坡具有較大的影響，主要表現(xiàn)為改變裂隙土內(nèi)部物質(zhì)組成、顆粒接觸關(guān)系、孔隙性等，進(jìn)而影響其物理力學(xué)特性。其破壞過(guò)程為：開(kāi)挖導(dǎo)致坡頂土體產(chǎn)生臨空方向上的回彈，該區(qū)域土體內(nèi)部產(chǎn)生拉張應(yīng)力，原生裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。同時(shí)，坡腳位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，表層土體強(qiáng)度均有所降低。降雨過(guò)程中，在裂隙土區(qū)域內(nèi)的坡頂裂隙形成優(yōu)勢(shì)入滲通道，裂隙土結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破碎，密實(shí)度降低，隨著坡頂區(qū)域巖土體結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度的逐漸喪失，裂隙逐漸向下部貫通，最終產(chǎn)生遛塌滑動(dòng)。

4 結(jié)論

本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)高密度四極電測(cè)深法和高密度面波法兩種方法，對(duì)彌蒙鐵路某段膨脹土路基邊坡進(jìn)行了原位測(cè)試，分析得出了以下結(jié)論：

(1)結(jié)合電阻率頻數(shù)統(tǒng)計(jì)對(duì)路基邊坡土體進(jìn)行材料劃分，彌蒙鐵路某段膨脹土路基邊坡未遛塌區(qū)域的電阻率分布于0～50 Ω·m，平均電阻率為75.3 Ω·m；遛塌區(qū)域存在局部大于80 Ω·m的高電阻區(qū)域，平均電阻率為103.6 Ω·m，疑似土體裂隙發(fā)育。

(2)結(jié)合高密度面波法反演分析對(duì)邊坡土層進(jìn)行了劃分。在未遛塌區(qū)域段，土層的剪切波速度較大，平均剪切波速度為262.3 m/s；在遛塌區(qū)域段，土層的剪切波速度減小，平均剪切波速度為244.9 m/s，系結(jié)構(gòu)性完整度稍低，彈性模量等物理力學(xué)特性較弱。