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      襄陽(yáng)地區(qū)膨脹土脹縮變形分析與加固措施設(shè)計(jì)

      2018-07-03 07:32:42趙德文
      鐵道勘察 2018年3期
      關(guān)鍵詞:路塹基床膨脹率

      沈 磊 趙德文

      (1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055;2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北武漢 430063)

      膨脹土在我國(guó)多個(gè)省市均有分布,是一類具有多裂隙性、脹縮性和超固結(jié)性的黏土,給鐵路建設(shè)帶來相當(dāng)大的危害[1-2]。從以往常規(guī)鐵路的工程實(shí)踐來看,鐵路膨脹土地區(qū)既有線的路基完好率僅為25%,基床翻漿冒泥、路肩鼓脹、路塹側(cè)溝壁擠出等是其引起的常見病害。對(duì)于無砟軌道高速鐵路,目前常見的問題和現(xiàn)象為:路基隆起變形影響無砟軌道的幾何狀態(tài),并具有局部性、隨機(jī)性等特點(diǎn)[3]。以下分析膨脹土地基的變形特性,并給出加固措施建議[4]。

      1 氣象條件

      研究區(qū)域地處亞熱帶季風(fēng)區(qū),氣候溫和多雨,冬季(12月~次年2月)寒冷少雨,春季(3~5月)多陰雨,雨量不大;初夏(6~7月上旬)雨量集中,易發(fā)生洪水;盛夏(7~8月)高溫炎熱,伏旱頻繁,時(shí)有特大暴雨發(fā)生;秋季(9~11月)氣候涼爽。多年平均降雨量約為910 mm。一般情況下,冬季雨量約占年總量的10%,春秋季雨量約占年總量的40%,夏季雨量約占年總量的50%。

      2 工程地質(zhì)條件

      2.1 地形地貌

      襄陽(yáng)地區(qū)地貌以漢江為界,兩側(cè)差異較大。漢江以東為南襄盆地(南陽(yáng)盆地)西南部的漢江沖積平原區(qū),地形平坦開闊,與丘陵相接地段地形略有起伏,多呈壟崗狀,侵蝕風(fēng)化嚴(yán)重,沖溝發(fā)育;鐵路工程以路堤填方、橋涵工程為主,路塹挖方地段較少,無隧道工程。漢江以西呈壟崗間丘陵地貌,其中峴山-隆中、廟灘鎮(zhèn)、谷城縣城附近主要為漢江階地,其余地段屬丘陵地帶,地勢(shì)總體呈起伏狀,深挖方、短隧道工程較為普遍。

      2.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

      線路基本上在壟崗階地行進(jìn),壟崗表層為第四系中、上更新統(tǒng)網(wǎng)紋黏土,粉質(zhì)黏土,黏土,局部夾有鈣質(zhì)結(jié)核,下部為砂礫石層或黏性土充填的礫石層,黏性土層具弱-中膨脹性,一般以硬塑-半干硬為主。坳谷表層局部分布有軟塑-可塑的松軟土,厚度一般為3~6 m。下伏地層以漢江為界,漢江以東以白堊系泥質(zhì)砂巖、泥巖為主,漢江以西主要為志留系粉砂巖、頁(yè)巖。

      襄陽(yáng)地區(qū)屬南襄盆地南緣,覆蓋層較厚,沿線地質(zhì)構(gòu)造多以隱伏構(gòu)造為主,地面出露較少,對(duì)工程影響較小。

      2.3 水文地質(zhì)條件

      襄陽(yáng)地區(qū)壟崗及高階地覆蓋層呈典型的二元結(jié)構(gòu),黏性土層厚5~20 m,下部砂礫石層往漢江方向逐漸增厚(最厚處超過40 m)。地下水水位隨含水層的埋深變化較大,一般屬于孔隙潛水,少數(shù)略具承壓性。漢江一級(jí)階地的深厚砂礫石層為良好的含水層,水量豐富,透水性好,水質(zhì)較好,受大氣降水和地表徑流補(bǔ)給。

      3 襄陽(yáng)地區(qū)膨脹土特性

      襄陽(yáng)地區(qū)膨脹土以Q2、Q3黏性土地層為主,為本線最具代表性的標(biāo)志性地層之一,廣泛分布于壟崗及河流階地上,呈棕黃、棕紅、棕褐色、磚紅色、褐黃色,外表呈網(wǎng)紋、蠕蟲狀,壟崗以硬塑-堅(jiān)硬為主,坳谷多為可塑。第四系覆蓋層一般厚10~20 m,往南襄盆地方向厚度趨增,在襄陽(yáng)附近達(dá)到最大(鉆孔80 m尚未揭示完全)。

      膨脹性判定主要依據(jù)《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》[5]。線路通過地區(qū)的膨脹土路基工點(diǎn)取樣化驗(yàn)結(jié)果顯示:該段線路膨脹土的自由膨脹率一般大于40%,蒙脫石含量為25%左右,陽(yáng)離子交換量一般為240~355 mmol/kg,膨脹潛勢(shì)級(jí)別以中等膨脹性為主;個(gè)別地段膨脹土的自由膨脹率達(dá)到80%左右,蒙脫石含量40%左右,陽(yáng)離子交換量大于360 mmol/kg,屬?gòu)?qiáng)膨脹土。結(jié)合路基工點(diǎn)劃分情況,中-弱膨脹土工點(diǎn)約占46%,中膨脹土工點(diǎn)約占53%,強(qiáng)膨脹土工點(diǎn)不到1%(如表1)。

      表1 襄陽(yáng)地區(qū)膨脹土主要物理及膨脹性指標(biāo)

      4 膨脹土脹縮機(jī)理

      根據(jù)其成因,膨脹土地基變形可分為飽水膨脹變形和失水收縮變形,總稱膨脹土的脹縮變形。根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》,膨脹土變形計(jì)算可分為3種情況(即Se、Ss、Ses)[6],對(duì)于天然狀態(tài)下的某種特定膨脹土,其最高含水量對(duì)應(yīng)其最大體積,其最小含水量對(duì)應(yīng)其最大收縮量。從最小體積至最大體積的往復(fù)變形中,其最大變形量為一定值C,即

      max(Se)=max(Ss)=max(Ses)=C

      以上膨脹-收縮過程隨水文年自由循環(huán)(如圖1)。

      圖1 天然狀態(tài)下地表膨脹-收縮曲線

      隨著含水率的增長(zhǎng),膨脹率緩慢增大,當(dāng)含水率達(dá)到一定程度后,膨脹率急劇增大;初始含水率越小,膨脹程度越嚴(yán)重[7]。

      在外部荷載一定的條件下,膨脹進(jìn)程受到外部荷載限制,整個(gè)膨脹-收縮變形在達(dá)到最小含水率時(shí)完成最大收縮變形,其膨脹-收縮過程的最大變形量為加荷狀態(tài)下的膨脹變形量,并以此為振幅往復(fù)振蕩,但并非完全可逆[8](如圖2)。

      圖2 加載狀態(tài)下地表膨脹-收縮曲線

      Hs——最大含水量(最大膨脹變形)對(duì)應(yīng)的地面高程;

      He——最小含水率(最大收縮變形)對(duì)應(yīng)的地面高程;

      Wmax——最大含水量;

      Wmin——最小含水量;

      Sep——加載狀態(tài)下的最大膨脹量。

      5 膨脹土膨脹性判定及計(jì)算依據(jù)

      根據(jù)研究對(duì)象的實(shí)際建設(shè)情況以及安全等級(jí),依據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》計(jì)算預(yù)測(cè)膨脹地基變形量[5-6]。

      Se=ψe∑δepi·hi

      (1)

      ∑hi=da-d

      其中ψe——經(jīng)驗(yàn)系數(shù),根據(jù)規(guī)范取值0.6;

      δep——自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和作用下的膨脹率(本線為I型雙塊式無砟軌道,軌道與列車均布總荷載為50.5 kPa,采用室內(nèi)在50 kPa荷載下所得到的膨脹率最大值);

      h——基礎(chǔ)底面至大氣影響深度底面的計(jì)算厚度;

      da——大氣影響深度,與區(qū)域水文、氣象條件有關(guān);

      d——基礎(chǔ)埋深。

      對(duì)于某一特定區(qū)域,在特定載荷作用下,經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(ψe)、大氣影響深度(da)以及膨脹率(δep)皆為定值。因此,膨脹變形量的大小取決于基礎(chǔ)埋深。根據(jù)取樣試驗(yàn),在50 kPa荷載條件下,試樣中膨脹土的最大膨脹率為0.28%;根據(jù)襄陽(yáng)地區(qū)氣象資料(月蒸發(fā)量及降水量數(shù)據(jù)),計(jì)算得到襄陽(yáng)地區(qū)大氣影響深度約為3.43 m。與南陽(yáng)地區(qū)對(duì)比,該值代表性較高[9]。因此,本地區(qū)的膨脹土最大膨脹量可表述為

      Se=0.6×0.0028×(3.43-d)=1.68(3.43-d)

      (2)

      按照《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》,無砟軌道路基基床由基床表層和基床底層組成,結(jié)構(gòu)總厚度為2.7 m[4]。根據(jù)路基的填筑形式,可分以下情況進(jìn)行討論。

      ①路堤填高大于2.7 m,路基作為軌道基礎(chǔ)完全置于地表,d值為0,采用γH法,地基上附加應(yīng)力最小值(填高為2.7 m時(shí))相當(dāng)于室內(nèi)有荷膨脹率試驗(yàn)采用的100 kPa荷載條件。根據(jù)室內(nèi)側(cè)限條件下的有荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果,其有荷膨脹率為0,根據(jù)公式(1)計(jì)算,膨脹土地基不會(huì)產(chǎn)生膨脹變形;實(shí)際工程中,多采用地基加固以控制其工后沉降滿足規(guī)范要求。

      ②低填淺挖(填高或挖深不大于2.7 m)路段,路基設(shè)計(jì)為復(fù)合結(jié)構(gòu)形式[10],即路堤式路塹。根據(jù)地基土膨脹潛勢(shì),斷面設(shè)計(jì)采用小堤式路塹或大堤式路塹。當(dāng)采用小堤式路塹時(shí),應(yīng)將開挖后路塹的側(cè)溝底面作為新的大氣水文交換面(如圖3)。

      圖3 弱-中膨脹土路塹和低矮路基膨脹量計(jì)算示意(單位:m)

      根據(jù)公式(2),d=2.3-0.7=1.6 m

      Se=1.68×(3.43-1.6)=3.07 mm

      因此,在未進(jìn)行地基處理時(shí),膨脹土小堤式路塹最大膨脹變形量為3.07 mm。

      在強(qiáng)膨脹土地段,當(dāng)?shù)桶返袒蚵穳q設(shè)計(jì)為大堤式路塹形式時(shí)(如圖4),根據(jù)公式(2),有

      d=0 m,Se=1.68×(3.43-0)=5.76 mm

      因此,在未進(jìn)行地基處理時(shí),膨脹土大堤式路塹可以產(chǎn)生的最大膨脹變形量為5.76 mm。

      圖4 強(qiáng)膨脹土路塹和低矮路基膨脹量計(jì)算示意(單位:m)

      6 膨脹土地基處理設(shè)計(jì)

      6.1 一般路堤(填高2.7 m以上)

      襄陽(yáng)地區(qū)壟崗及坳谷地帶的覆蓋層表層多分布有軟塑-可塑粉質(zhì)黏土,下部含粉、細(xì)砂等透鏡體,設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)按松軟土路基進(jìn)行地基加固處理。對(duì)膨脹土地基進(jìn)行復(fù)合地基加固設(shè)計(jì)時(shí),宜結(jié)合膨脹土具體發(fā)育特征,計(jì)算中考慮其超固結(jié)性[11],采用挖除換填或復(fù)合地基加固[12]。當(dāng)松軟土(膨脹土)層厚度小于3 m時(shí),宜采用挖除換填A(yù)、B組填料的措施(如圖5)。

      圖5 膨脹土層厚度≤3 m采用挖除換填處理(單位:m)

      當(dāng)松軟土(膨脹土)層厚度大于3 m時(shí),一般采用CFG樁加固,樁底應(yīng)穿透松軟土地層并置于基巖或砂礫石層之中,設(shè)計(jì)最小樁長(zhǎng)為4 m(如圖6)。

      圖6 膨脹土層厚度>3 m采用復(fù)合地基處理(單位:m)

      6.2 路塹及低矮路基(填高≤2.7 m)

      路基基床總厚度為2.7 m。其中,基床表層采用級(jí)配碎石,厚0.4 m;基床底層采用A、B組填料填筑,厚2.3 m?;卜秶鷥?nèi)挖除膨脹土,基床底層與下部膨脹土之間采用“中粗砂+復(fù)合土工膜”隔離,厚0.1 m;并根據(jù)地基土膨脹潛勢(shì),采用小堤式路塹或大堤式路塹進(jìn)行橫斷面設(shè)計(jì)。

      對(duì)于挖深大于2.7 m的膨脹土路塹,亦可采用復(fù)合結(jié)構(gòu)形式,針對(duì)不同膨脹潛勢(shì)的地基及路基橫斷面,采用大堤式路塹或小堤式路塹形式,基底以下除防水保濕措施外,一般不需進(jìn)行地基加固處理(如圖7、圖8)。

      圖7 深挖方路基基底防排水措施(小堤式路塹)(單位:m)

      圖8 深挖方路基基底防排水措施(大堤式路塹)(單位:m)

      對(duì)于挖深不大于2.7 m的膨脹土路塹或低矮路基,當(dāng)膨脹土層厚度小于3 m時(shí),可挖除換填A(yù)、B組填料;膨脹土層厚度大于3 m時(shí),一般采用CFG樁筏結(jié)構(gòu)加固,樁長(zhǎng)根據(jù)檢算確定,設(shè)計(jì)最小樁長(zhǎng)為4 m(如圖9、圖10)。

      圖9 淺挖方和低矮路基地基加固處理(小堤式路塹)(單位:m)

      圖10 淺挖方和低矮路基地基加固處理(大堤式路塹)(單位:m)

      同理,對(duì)于基床底面以下,可采用挖除換填或復(fù)合地基加固的膨脹土路塹和低矮路基,無需考慮地基膨脹變形。

      6.3 膨脹土地基防排水措施

      溫濕度變化是引起膨脹土地基工程性質(zhì)變化以致發(fā)生各種基床病害的根本原因,設(shè)計(jì)過程中必須重視膨脹土地基的防水保濕工作。

      (1)應(yīng)控制大氣降水直接入滲浸潤(rùn)基床及地基土?;脖砻妗⒙穳q側(cè)溝內(nèi)外側(cè)平臺(tái)均采用混凝土封閉,并將其表面設(shè)計(jì)為不小于4%的排水坡度,將降水收集入排水系統(tǒng);低填淺挖路基、路塹采用復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式,可有效地降低或消除水對(duì)基床部位的侵害[10]。

      (2)在路塹地段,于基床底層底面鋪設(shè)“中粗砂+復(fù)合土工膜”,用以隔離下部地基膨脹土,并通過人字坡將地表和地下滲水引排至基床底部?jī)蓚?cè)縱向滲排水網(wǎng)管(地下水較豐富時(shí)采用排水盲溝,如圖7)或側(cè)溝(如圖8),以確?;惨韵碌貙拥暮勘3衷诜€(wěn)定狀態(tài)。

      7 結(jié)束語(yǔ)

      以襄陽(yáng)地區(qū)某在建高速鐵路工程為例,采用大氣影響深度法對(duì)該地區(qū)膨脹土的膨脹性進(jìn)行研究,通過計(jì)算得出不同路基設(shè)計(jì)形式膨脹土地基的膨脹量,對(duì)不同厚度膨脹土地基采取了針對(duì)性的地基加固措施。無論何種斷面形式的膨脹土路基,未經(jīng)處理的地基可能產(chǎn)生的膨脹量都很微小,其最大膨脹量?jī)H為5.76 mm??紤]到路基本身為柔性結(jié)構(gòu)物,地基膨脹產(chǎn)生的微小變形傳遞至基床表面時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)小于其初始值[13]。因此,地基膨脹變形處于可接受范圍。同時(shí),為減弱溫濕度變化對(duì)膨脹土地基的影響,在地基處理時(shí)通常于基底處采取隔水保濕措施。

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