蘭新高速鐵路沿線鹽漬土地基的溶陷特性

張建淵,胡海東,沈　鑫

(1.甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州　730070;2.中鐵西北科學(xué)研究院,甘肅 蘭州　730000;3.蘭州交通大學(xué),甘肅 蘭州　730070)

鹽漬土地基的溶陷是指在浸水狀態(tài)下受荷載作用而產(chǎn)生的沉陷變形，主要由鹽結(jié)晶顆粒的溶解以及潛蝕效應(yīng)引起[1-2]。國內(nèi)外對于鹽漬土的溶陷特性已有大量研究。以前蘇聯(lián)科學(xué)家為代表的國外學(xué)者對鹽漬土的溶陷變形規(guī)律、鹽分溶解和擴(kuò)散的基本特點(diǎn)、滲流性質(zhì)及潛蝕問題進(jìn)行了廣泛的研究，對鹽漬土的工程特性有了較為全面的認(rèn)識(shí)[3-7]。國內(nèi)，隨著青藏鐵路等西部鹽漬土地區(qū)建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，鹽漬土對工程的影響開始得到重視[8]。近年來，我國科研人員針對鹽漬土地基的溶陷問題開展了大量試驗(yàn)研究，對鹽漬土溶陷特性的成因、影響因素及變形特點(diǎn)有了更加全面的認(rèn)識(shí)[9-11]，并在鹽漬土地區(qū)基礎(chǔ)病害的產(chǎn)生機(jī)理、防治措施等方面取得了很多重要的成果[12]?，F(xiàn)階段，對于鹽漬土溶陷特性的研究大多集中于普通建筑地基的變形控制及路用填料的可用性，對于鹽漬土地區(qū)的鐵路線路特別是高速鐵路地基溶陷特性的研究較少。

高速鐵路對軌道平順性、路基沉降變形等有著嚴(yán)格要求。對于修建于在鹽漬土地區(qū)的高速鐵路，地基土在附加應(yīng)力作用下遇水會(huì)發(fā)生溶陷變形，如若處理不當(dāng)將嚴(yán)重影響線路的安全運(yùn)營[13-14]。因此，基于高速鐵路的變形控制要求，對沿線鹽漬土地基的溶陷特性開展研究具有重要意義。

目前對鹽漬土溶陷性的研究大多局限于室內(nèi)模型試驗(yàn)。對于溶陷深度的確定方法、不同類型鹽漬土的溶陷變形特點(diǎn)、溶陷狀態(tài)下地基的承載力等問題的研究還不夠系統(tǒng)、深入，尤其缺乏在鹽漬土地區(qū)進(jìn)行的大規(guī)模橫向?qū)Ρ仍囼?yàn)研究。

蘭新高速鐵路沿線經(jīng)過大范圍的鹽漬土地區(qū)，在運(yùn)營過程中出現(xiàn)了因鹽漬土地基溶陷變形導(dǎo)致的線路病害問題。本文針對沿線不同類型鹽漬土地基展開多組現(xiàn)場浸水載荷試驗(yàn)，在獲得各類鹽漬土地基溶陷量及地基承載力參數(shù)的同時(shí)，進(jìn)一步對溶陷深度的確定方法，顆粒大小、含鹽量、石膏層等對鹽漬土溶陷特性的影響展開討論，為鹽漬土地區(qū)高速鐵路的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1　試驗(yàn)概況

根據(jù)地質(zhì)勘查資料并考慮不同地層的結(jié)構(gòu)差異，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，共選取11處具有代表性地層進(jìn)行現(xiàn)場浸水載荷試驗(yàn)，本文選取其中8個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行分析，各點(diǎn)位鹽漬土的類型及含鹽量見表1。

依據(jù)GB/T 50942—2014《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[15]的要求，取加載板為圓形剛性板，直徑為0.6 m，水槽深30 cm，試坑直徑2 m。試坑內(nèi)分別在附加荷載作用區(qū)、無附加荷載作用區(qū)布置沉降觀測點(diǎn)，如圖1所示。其中，1#—4#觀測點(diǎn)布置于加載板邊緣，用于測試地層的總?cè)芟萘浚?#—8#觀測點(diǎn)分別布置于距試坑中軸線0.4 m的不同土層深度處，自距試坑底部1 m處地層開始埋設(shè)，間距1 m；9#—12#觀測點(diǎn)布置于無附加荷載的試坑底部表層土體，用于測試土層是否具有自重溶陷性。

表1　各試驗(yàn)點(diǎn)鹽漬土類型及含鹽量

圖1　觀測點(diǎn)布置

按規(guī)范要求加載階段分為10級進(jìn)行，自20 kPa開始至200 kPa結(jié)束，每級加載增量20 kPa。待加載變形穩(wěn)定后(每小時(shí)變形量<0.01 mm)進(jìn)行注水并保持30 cm 水頭高度，獲得不同土層的最終溶陷量。進(jìn)而進(jìn)行地基承載力試驗(yàn)，加載增量為20 kPa，加截至400 kPa或地基破壞為止。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1　溶陷深度的確定

實(shí)際試驗(yàn)中總?cè)芟萘恳子讷@取。對于地基的溶陷深度的確定目前尚無成熟的方法，通常粗略地將浸水深度作為最大溶陷深度，造成試驗(yàn)誤差過大，不利于對地基的溶陷特性作出準(zhǔn)確判斷。按GB/T 50942—2014的要求，依據(jù)浸水狀態(tài)下事先埋設(shè)在不同土層深度的沉降標(biāo)獲得穩(wěn)定狀態(tài)下各土層的溶陷量。按鹽漬土類型不同分別選取粗顆粒砂礫類鹽漬土(K82+851)、細(xì)顆粒黏性土(K140+500)、含石膏層鹽漬土(K46+020)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行溶陷深度的討論。將事先埋設(shè)于不同土層深度處沉降標(biāo)的位移進(jìn)行擬合，可確定試驗(yàn)地層的零位移點(diǎn)(即溶陷深度)。上述3個(gè)點(diǎn)位不同深度地層的位移擬合曲線如圖2所示。各試驗(yàn)點(diǎn)浸水深度及溶陷深度見表2，可知長期浸水條件下現(xiàn)場實(shí)測浸水深度為7～15 m。

圖2　各點(diǎn)位地層溶陷變形擬合曲線

不同類型鹽漬土的滲透系數(shù)存在差異。由圖2可知，鹽漬土的溶陷變形主要發(fā)生在中淺層土體。通過對試驗(yàn)點(diǎn)不同深度處土層溶陷數(shù)據(jù)的擬合確定的溶陷深度為4～6 m，遠(yuǎn)小于浸水深度。若粗略地采用浸水深度作為溶陷深度進(jìn)行溶陷系數(shù)的計(jì)算，將使得結(jié)果偏小，降低工程的安全系數(shù)。

表2　各試驗(yàn)點(diǎn)浸水深度及溶陷深度

在等值附加荷載作用下，不同類型鹽漬土地基荷載作用深度的主要影響因素為地基剛度。地基剛度越大，荷載作用范圍越深。對于粗顆粒鹽漬土地基，荷載主要由大粒徑土石顆粒及結(jié)晶鹽與土粒的膠結(jié)顆粒承擔(dān)。隨著鹽漬土粒組由粗顆粒向細(xì)顆粒轉(zhuǎn)變，地基的剛度逐漸減小，地基溶陷深度呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。對于含石膏層鹽漬土地基，石膏遇水軟化導(dǎo)致地基剛度降低，地應(yīng)力的傳遞受阻，導(dǎo)致含石膏層鹽漬土地基的溶陷深度小于同粒組不含石膏層鹽漬土。

2.2　粗顆粒鹽漬土溶陷性及地基承載力分析

粗顆粒試驗(yàn)點(diǎn)地基沉降量時(shí)程曲線見圖3?？芍?組粗粒鹽漬土試驗(yàn)點(diǎn)的加載穩(wěn)定時(shí)長為18～24 h，且最終的穩(wěn)定沉降量呈現(xiàn)出隨顆粒骨架的增大而減小的趨勢。在浸水階段的初期，各試驗(yàn)點(diǎn)沉降量時(shí)程曲線均出現(xiàn)臺(tái)階式的溶陷變形，但隨浸水時(shí)長的增加不同類型試驗(yàn)點(diǎn)的總?cè)芟萘坎町愝^大，K76+987點(diǎn)位卵礫石鹽漬土的顆粒骨架效應(yīng)明顯，最終溶陷量僅為1.31 mm；K82+851砂礫類鹽漬土地基的溶陷變形速率在臺(tái)階式溶陷變形后迅速降低，最終溶陷變形量為3.52 mm；K4+050砂土類鹽漬土試驗(yàn)點(diǎn)有著較為明顯的溶陷變形，在整個(gè)浸水加載階段，溶陷速率基本維持一致，最終溶陷變形量為15.86 mm。總?cè)芟萘砍尸F(xiàn)出沙土類粗粒鹽漬土>砂礫類鹽漬土>卵礫石粗粒鹽漬土的變化規(guī)律。

圖3　粗顆粒試驗(yàn)點(diǎn)地基沉降量時(shí)程曲線

不同類型粗粒鹽漬土溶陷系數(shù)及承載力見表3。可知，溶陷系數(shù)在2.6×10-4～3.4×10-3的范圍內(nèi)。依GB/T 50942—2014判定其均不具有溶陷性，說明對粗顆粒鹽漬土在一定顆粒級配條件下不具有溶陷性可能具有共性。

表3　不同類型粗粒鹽漬土溶陷系數(shù)及承載力

注：受試驗(yàn)條件限制并考慮路基實(shí)際荷載施加情況，現(xiàn)場溶陷試驗(yàn)最大加載值400 kPa。

由表3可知，砂土類鹽漬土、砂礫類鹽漬土、卵礫石粒鹽漬土的極限承載力分別為260,>350,>400 kPa，總體上，粗顆粒鹽漬土地基極限承載力和承載力特征值隨著土體平均粒徑的增加呈現(xiàn)出增大趨勢。這是因?yàn)榈鼗谐袚?dān)荷載的主要是由結(jié)晶鹽及其他不同粒徑土顆粒膠結(jié)而成的大顆粒骨架結(jié)構(gòu)承擔(dān)，土體中大粒徑顆粒含量越多，所起的骨架作用越明顯。一般來說，土體骨架顆粒越大地層密實(shí)度越高，浸水過程中充填在土體孔隙中的易溶鹽晶體的溶解及骨架顆粒的破碎對地基土強(qiáng)度的削弱效果越不明顯，使得粗顆粒鹽漬土地基的溶陷量整體偏小，且地基承載力相對較大。

2.3　細(xì)顆粒鹽漬土溶陷性及地基承載力分析

細(xì)顆粒試驗(yàn)點(diǎn)地基沉降量時(shí)程曲線見圖4?？芍号c粗顆粒鹽漬土地基相比，細(xì)顆粒鹽漬土地基的加載穩(wěn)定時(shí)長、總?cè)芟萘考叭芟菹禂?shù)均明顯增大，整體呈現(xiàn)出土粒粒徑越小溶陷越明顯的趨勢。K102+000點(diǎn)位處于當(dāng)?shù)剞r(nóng)田，為黏性土類細(xì)粒鹽漬土，長期耕植灌溉條件下水鹽遷移通道相對通暢，在整個(gè)浸水加載過程中，溶陷變形速率趨于平穩(wěn)，最終溶陷量為22.52 mm。同為黏性土類細(xì)粒鹽漬土的K140+500試驗(yàn)點(diǎn)在浸水加載階段的中后期再次出現(xiàn)明顯的臺(tái)階式變形。這是因?yàn)轲ば酝恋臐B透性較差，在試驗(yàn)初期發(fā)生溶陷變形的為淺表層土體，在長期浸水條件下處于附加荷載作用范圍內(nèi)的深層土體的水鹽通道被打開，溶陷變形再次發(fā)展。

圖4　細(xì)顆粒試驗(yàn)點(diǎn)地基沉降量時(shí)程曲線

不同類型細(xì)粒鹽漬土溶陷系數(shù)及承載力見表4。可知，對于浸水狀態(tài)下的地基承載力，細(xì)顆粒鹽漬土地基的極限承載力和地基承載力特征值明顯小于粗顆粒鹽漬土。這是由于細(xì)顆粒鹽漬土地基中，承擔(dān)荷載的大粒徑膠結(jié)顆粒的含量較少，加載過程中易溶鹽結(jié)晶在一定程度上起到了較為重要的骨架顆粒作用。在長期浸水加載條件下，土體中的易溶鹽結(jié)晶溶解，致使土體強(qiáng)度降低，變形增大。同時(shí)，滲透作用導(dǎo)致的潛蝕效應(yīng)使得表層土體孔隙率進(jìn)一步增大，透水性增強(qiáng)，在附加荷載作用下鹽漬土地基的溶陷變形進(jìn)一步發(fā)展。

表4　不同類型細(xì)粒鹽漬土溶陷系數(shù)及承載力

同屬于黏性土類細(xì)粒鹽漬土的K102+000試驗(yàn)點(diǎn)，位于當(dāng)?shù)剞r(nóng)田，經(jīng)易溶鹽含量測試明顯低于K140+500點(diǎn)位鹽漬土的含鹽量。由于地層含鹽量不同，導(dǎo)致其總?cè)芟萘颗c溶陷系數(shù)相差較大，K102+000與K140+500試驗(yàn)點(diǎn)總?cè)芟萘糠謩e為32.21，45.52 mm，溶陷系數(shù)分別為 0.007 3，0.012 0，表明對于細(xì)顆粒鹽漬土，易溶鹽含量是影響鹽漬土地基溶陷變形的重要因素。

2.4　含石膏層鹽漬土溶陷性及地基承載力分析

K79+200及K46+000點(diǎn)位為含石膏層粗顆粒鹽漬土，含石膏層試驗(yàn)點(diǎn)地基沉降量時(shí)程曲線見圖5。不同類型含石膏鹽漬土溶陷系數(shù)及承載力見表5。由圖5、表5可知：含石膏層鹽漬土的總?cè)芟萘繛?2.44～87.75 mm，溶陷系數(shù)為0.015～0.020，與級配相似且不含石膏的粗顆粒鹽漬土相比，溶陷量及溶陷系數(shù)均大幅度提高?？?cè)芟萘砍尸F(xiàn)出石膏富集層及卵礫粗粒鹽漬土>含石膏砂土類鹽漬土的變化規(guī)律。這是因?yàn)楹鄬蛹奥训[石類粗顆粒鹽漬土的地基剛度大于含石膏砂土類鹽漬土，在附加荷載作用下卵礫類鹽漬土地基中的荷載傳遞范圍更深，在一定程度上導(dǎo)致了溶陷量的增大。由于石膏具有遇水軟化的特性，在浸水階段的初期，石膏層在附加荷載作用下迅速壓潰，導(dǎo)致地基出現(xiàn)明顯的潰縮變形。這可作為驗(yàn)證地基含石膏層的標(biāo)志之一。

土體類型極限承載力/kPa承載力特征值/kPa溶陷系數(shù)石膏富集層卵礫石類鹽漬土2401200015含石膏砂土類鹽漬土2201100020

由表5可見，含石膏層粗顆粒鹽漬土地基的極限承載力及承載力特征值，較不含石膏且級配相似的粗顆粒鹽漬土地基有較大幅度的減小。這是由于石膏層在浸水狀態(tài)下軟化崩塌導(dǎo)致地基的剛度降低、承載力下降，在附加荷載作用下較早地出現(xiàn)地基整體壓潰破壞。

3　結(jié)論

基于顆粒級配特點(diǎn)、含鹽量的差異及地層構(gòu)造特點(diǎn)，將鹽漬土地基歸納為3類：粗顆粒鹽漬土地基、細(xì)顆粒鹽漬土地基及含石膏層鹽漬土地基。通過現(xiàn)場浸水荷載試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1)粗顆粒鹽漬土地基的溶陷量及溶陷系數(shù)相對較小，可認(rèn)為粗顆粒鹽漬土在一定顆粒級配條件下不具有溶陷性。

2)與粗顆粒鹽漬土相比，細(xì)顆粒鹽漬土的總?cè)芟萘考叭芟菹禂?shù)均顯著增加，部分點(diǎn)位可判定為弱溶陷性。黏性土鹽漬土地基隨著浸水時(shí)長的增加，水鹽通道逐漸打開，在附加荷載作用范圍的土層會(huì)出現(xiàn)二次溶陷效應(yīng)，在工程建設(shè)中應(yīng)當(dāng)引起充分重視。

3)含石膏層粗顆粒鹽漬土受石膏遇水軟化影響，在附加荷載作用下會(huì)出現(xiàn)潰縮式的變形，導(dǎo)致地基的整體溶陷量及溶陷系數(shù)均大幅增加。通過對各類鹽漬土地基溶陷量的橫向比較，呈現(xiàn)出含石膏層鹽漬土>細(xì)顆粒鹽漬土>粗顆粒鹽漬土的變化規(guī)律。

4)土體粒徑、易溶鹽含量及是否含有石膏層是鹽漬土地基溶陷性的重要影響因素。構(gòu)成土體的粒徑越大，骨架效應(yīng)越明顯，地基的溶陷現(xiàn)象越弱承載力越高。

5)粗顆粒鹽漬土地基的極限承載力在260～400 kPa，細(xì)顆粒鹽漬土地基的極限承載力在140～150 kPa。受石膏層影響，含石膏層鹽漬土地基承載力顯著降低，相較于同類型不含石膏層鹽漬漬土降低20%以上。

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