張 翔 瑋

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

1 概述

膨脹土對(duì)淺表層輕型工程建設(shè)的危害是全球性技術(shù)難題，由于其不良工程特性導(dǎo)致的工程問題或地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生，一直是當(dāng)今巖土工程和工程地質(zhì)領(lǐng)域中世界性的重大工程問題之一。膨脹土黏土礦物含量較高，以蒙脫石、伊利石為主，容易吸水膨脹失水收縮[1]。在大氣與土壤之間水分和能量的交換過(guò)程中，膨脹土的工程性質(zhì)逐漸發(fā)生改變，強(qiáng)度不斷衰減，從而引發(fā)工程問題。

通常認(rèn)為，膨脹土的大氣影響帶是指在自然氣候作用下，由降水、蒸發(fā)、地溫等因素引起土體膨脹變形的有效深度[2]。大氣影響帶中，對(duì)氣候變化具有敏感性響應(yīng)的區(qū)段又可以劃分為急劇影響帶，在急劇影響帶以下，各參量受氣候變化影響但變化波動(dòng)要小，且會(huì)存在明顯的滯后性[3]。大氣影響帶土體經(jīng)受反復(fù)干濕循環(huán)，脹縮裂隙發(fā)育，土體的整體性遭到破壞，表層常被裂隙分割成散粒狀，同時(shí)受沉積環(huán)境控制和后期生物作用影響多呈灰褐色，裂隙極發(fā)育，孔隙比較大，土體含水量隨季節(jié)變化極大，在非雨季時(shí)強(qiáng)度較高，下雨飽和后強(qiáng)度迅速降低，因此，判定大氣影響帶的試驗(yàn)指標(biāo)主要為含水量與孔隙比[4]。

本文以浩吉鐵路三荊段某膨脹土路基試驗(yàn)段為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行大氣影響帶的研究，可以確定膨脹土地基的換填處理深度，驗(yàn)證設(shè)計(jì)措施的合理性。

2 大氣影響帶影響因素

大氣影響帶最直接的影響因素為含水率，而含水率的變化受降雨量、蒸發(fā)量、土溫、氣溫?cái)?shù)個(gè)環(huán)境因素與地形地貌、地下水、土層分布有關(guān)。多個(gè)研究表明最主要的影響因素仍然為環(huán)境因素中的降雨量與土溫。其中蔡耀軍[5]對(duì)南陽(yáng)地區(qū)的膨脹土地質(zhì)研究得出：大氣影響帶含水量通常在22%以上，孔隙比平均值大于0.7的結(jié)論。

出于工程實(shí)踐指導(dǎo)的意義，本次現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)主要通過(guò)對(duì)換填基床厚度范圍內(nèi)的含水率監(jiān)測(cè)，來(lái)確定大氣影響深度，與采用規(guī)范相關(guān)資料計(jì)算深度進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)措施的合理性。

3 大氣影響帶分析

大氣影響帶深度評(píng)價(jià)方法主要分為實(shí)測(cè)與經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算兩種方法。其中實(shí)測(cè)主要依靠土層深層變形觀測(cè)、含水量觀測(cè)以及地溫觀測(cè)來(lái)確定，該方法確定的大氣影響帶深度最為準(zhǔn)確、直接，但耗時(shí)長(zhǎng)，成本高。經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算主要是通過(guò)收集查閱當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)氣象資料，確定當(dāng)?shù)赝恋臐穸认禂?shù)，再依據(jù)濕度系數(shù)查閱相關(guān)規(guī)范內(nèi)相關(guān)表格進(jìn)行插值確定，該方法優(yōu)點(diǎn)在于相對(duì)經(jīng)濟(jì)、高效，但誤差相對(duì)較大。

3.1 經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算法

根據(jù)GB 50112—2013膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范，土的濕度系數(shù)Ψw可依據(jù)當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)氣象資料按式(1)計(jì)算：

Ψw=1.152-0.726α-0.001 07c

(1)

其中，α為當(dāng)?shù)?月至次年2月的月蒸發(fā)力之和與全年蒸發(fā)力之比值(月平均氣溫小于0 ℃的月份不統(tǒng)計(jì)在內(nèi))；c為全年中干燥度大于1.0且月平均氣溫大于0 ℃月份的蒸發(fā)力與降水量差值之總和，mm，干燥度為蒸發(fā)力與降水量之比值。

通過(guò)查閱相關(guān)資料，本次試驗(yàn)段所在的地區(qū)1月～12月蒸發(fā)力及降水量見表1。

表1 試驗(yàn)段所在地區(qū)1月～12月蒸發(fā)力及降水量

通過(guò)式(1)計(jì)算，得出試驗(yàn)段的土的濕度系數(shù)Ψw為0.813。通過(guò)表2，可依據(jù)Ψw插值確定大氣影響帶深度。

表2 試驗(yàn)段土的濕度系數(shù)和大氣影響深度

依據(jù)表2，可算得試驗(yàn)段大氣影響帶深度為3.436 m，根據(jù)規(guī)范內(nèi)5.2.13條，可求得大氣影響急劇層深度為1.546 m。

3.2 實(shí)測(cè)法

實(shí)測(cè)法采用含水率與變形觀測(cè)方法研究，以浩吉鐵路三荊段膨脹土路基試驗(yàn)段中DK952+000與DK952+250斷面為例：DK952+000地基土為強(qiáng)膨脹土，DK952+250地基土為中膨脹土，設(shè)計(jì)要求弱中膨脹土路塹基床底層換填1.0 m改良土、強(qiáng)膨脹土基床底層換填1.9 m。兩個(gè)斷面均在塹頂外側(cè)5 m處，在埋深0.5 m,1 m,1.5 m,2 m,3 m,4 m,5 m處埋設(shè)含水量計(jì)與多點(diǎn)位移計(jì)，開展持續(xù)性的監(jiān)測(cè)工作，布設(shè)方案詳見圖1,圖2。

圖3為DK952+000斷面監(jiān)測(cè)成果，埋深0.5 m～2 m的含水量最高值分別為：36.5%，36%，35%，29.9%，埋深0.5 m～1.5 m含水量峰值十分接近；0.5 m～2 m的變形量最高值分別為：2.7 mm，2.4 mm，2.1 mm，1.9 mm，埋深0.5 m～1.5 m變形值均超過(guò)2 mm?？梢?，區(qū)內(nèi)強(qiáng)膨脹土埋深1.5 m以內(nèi)土體的含水量與變形對(duì)季節(jié)變化響應(yīng)更大，波動(dòng)幅度也更大。

圖4為DK952+250斷面監(jiān)測(cè)成果，埋深0.5 m～2 m的含水量最高值分別為：33%，31%，30%，27.8%，埋深0.5 m～1.5 m含水量峰值位于30%以上；0.5 m～2 m的變形量最高值分別為：2.1 mm，1.9 mm，1.3 mm，0.7 mm，埋深0.5 m～1.5 m變形值均超過(guò)1 mm?？梢姡瑓^(qū)內(nèi)中膨脹土埋深1.5 m以內(nèi)土體的含水量與變形對(duì)季節(jié)變化響應(yīng)同樣更大，波動(dòng)幅度也更大。

同時(shí)，變形監(jiān)測(cè)成果分析顯示試驗(yàn)段內(nèi)強(qiáng)膨脹土3.5 m以下含水量及變形不再明顯，中膨脹土則為3 m以下不再明顯。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果，可以認(rèn)為，區(qū)內(nèi)強(qiáng)膨脹土大氣影響帶深度為3.5 m，強(qiáng)膨脹土大氣影響帶深度為3 m，兩者0 m～1.5 m范圍內(nèi)為大氣劇烈影響層，該層對(duì)外部氣候變化敏感，含水量變化劇烈，1.5 m～3.5 m(3 m)范圍內(nèi)敏感性逐漸減弱，含水量變化幅度逐漸減弱，大氣影響帶以下不再受大氣影響，整體性狀穩(wěn)定。

與經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算成果對(duì)比：強(qiáng)膨脹土實(shí)測(cè)確定的大氣影響帶厚度與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算所得基本一致，中膨脹土實(shí)測(cè)結(jié)果要稍小于計(jì)算所得，但大氣急劇影響層厚度基本一致。

4 路基基床換填厚度建議

通過(guò)前述對(duì)比分析可知：蒙華鐵路三荊段內(nèi)強(qiáng)膨脹土大氣影響帶厚度在3.5 m，其中埋深1.5 m范圍內(nèi)為大氣急劇影響層；中膨脹土大氣影響帶厚度在3 m，其中埋深1.5 m范圍內(nèi)為大氣急劇影響層。根據(jù)TB 10035—2018鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)的要求，重載鐵路膨脹土路塹基床在弱～中膨脹土中處理深度不小于1 m，在強(qiáng)膨脹土中不小于基床底層深度且考慮大氣影響急劇層深度。因此，根據(jù)試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)成果，浩吉鐵路三荊段內(nèi)膨脹土路塹基床換填厚度應(yīng)不小于1.5 m，即基床表層換填0.6 m+基床底層換填厚度不小于0.9 m，設(shè)計(jì)采用的弱中膨脹土路塹基床底層換填1.0 m改良土、強(qiáng)膨脹土基床底層換填1.9 m厚改良土方案是合理的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分別通過(guò)經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)浩吉鐵路三荊段膨脹土的大氣影響帶進(jìn)行了分析研究，成果小結(jié)如下：

1)膨脹土的大氣影響帶厚度是判定基床處理深度的關(guān)鍵因素，而判定其影響帶厚度的主要指標(biāo)是含水量與孔隙比兩項(xiàng)。

2)通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)膨脹土與中膨脹土的含水量與位移變形監(jiān)測(cè)，確定本區(qū)內(nèi)強(qiáng)膨脹土大氣影響帶厚度在3.5 m，其中埋深1.5 m范圍內(nèi)為大氣急劇影響層；中膨脹土大氣影響帶厚度在3 m，其中埋深1.5 m范圍內(nèi)為大氣急劇影響層。強(qiáng)膨脹土實(shí)測(cè)確定的大氣影響帶厚度與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算所得基本一致，中膨脹土實(shí)測(cè)結(jié)果要稍小于計(jì)算所得，但大氣急劇影響層厚度基本一致。

3)根據(jù)試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)成果，浩吉鐵路三荊段內(nèi)膨脹土路塹基床換填厚度應(yīng)不小于1.5 m，即基床表層換填0.6 m+基床底層換填厚度不小于0.9 m，設(shè)計(jì)采用的弱中膨脹土路塹基床底層換填1.0 m改良土、強(qiáng)膨脹土基床底層換填1.9 m厚改良土方案是合理的。