無(wú)砟軌道地基泥巖膨脹變形及水分遷移速率衰減規(guī)律

王炳忠，王起才, 2，張戎令, 2, 3，王天雙，張?zhí)畦?，李航輝

(1. 蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070； 2. 蘭州交通大學(xué)道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070； 3. 蘭州交通大學(xué)甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070)

膨脹泥巖是一類(lèi)由強(qiáng)親水性黏土礦物蒙脫石、伊利石、高嶺石等組成的特殊軟巖，具有吸水膨脹、失水收縮并反復(fù)變形的性質(zhì)，對(duì)地基、路塹、邊坡等都有潛在破壞作用，這種潛在的變形破壞常常對(duì)已竣工的建筑物造成嚴(yán)重的危害[1- 4]，如蘭新二線高速鐵路在運(yùn)營(yíng)后發(fā)現(xiàn)多處路基上拱病害，且路基上拱量隨著時(shí)間逐漸增長(zhǎng)。一般情況下，對(duì)含有較少黏土礦物微弱膨脹土而言，膨脹土地基的膨脹變形對(duì)普通鐵路路基影響較小，常不采取工程措施；而對(duì)高速鐵路特別是無(wú)砟軌道而言，為了保證其高速高安全性的需要，對(duì)路基變形的要求極高，從扣件可調(diào)整的角度來(lái)看，路基出現(xiàn)膨脹后，僅有4 mm的調(diào)整空間[5]。因此對(duì)高速鐵路地基膨脹泥巖而言，即使是具有微弱膨脹性也不容忽視[6]。膨脹泥巖的礦物成分和結(jié)構(gòu)特征是其產(chǎn)生膨脹變形的內(nèi)因，而水分則是土體發(fā)生膨脹變形的最主要誘發(fā)因素，土體在隔水狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生膨脹變形[7]。水文地質(zhì)條件是膨脹土病害治理的重要因素，由于外部因素(如開(kāi)挖路塹)導(dǎo)致膨脹土地基含水量變化而引起的路基上拱成為常見(jiàn)病害，因而有必要研究膨脹土在不同浸水方式下膨脹變形量變化規(guī)律，為膨脹土路基上拱病害的治理和預(yù)警提供參考。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在膨脹土浸水膨脹變形及含水量變化方面進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，主要集中在不同浸水方式下模型試驗(yàn)及豎向注水孔浸水情況下原位試驗(yàn)。王亮亮等[8- 9]通過(guò)室內(nèi)模型進(jìn)行動(dòng)力特性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在干燥狀態(tài)、降雨和地下水位上升 3 種服役環(huán)境下膨脹土路塹基床變形不同；楊果林等[10- 11]通過(guò)室內(nèi)膨脹土路基模型試驗(yàn)，模擬路基在積水、降雨等情況下膨脹土路基中含水量的變化規(guī)律、水的入滲速度、路基的脹縮變形規(guī)律等；宋衛(wèi)康等[12]通過(guò)滲透試驗(yàn)箱進(jìn)行了膨脹土大型滲透試驗(yàn)， 研究了在滲透過(guò)程中土體體積含水量、相對(duì)濕度、吸力、溫度和表面豎向位移的變化。翟聚云等[13]通過(guò)等溫條件下膨脹土土樣進(jìn)行水分遷移的試驗(yàn)，認(rèn)為土質(zhì)情況、含水量梯度和含水量水平對(duì)氣態(tài)水遷移和氣液水分混合遷移的遷移量均有較大影響。陳偉志等[14]通過(guò)砂孔、砂槽等多面浸水情況下現(xiàn)場(chǎng)膨脹土地基浸水試驗(yàn)，研究了膨脹土地基膨脹變形特征及浸水過(guò)程中土壤水分變化規(guī)律等。戴張俊等[15]通過(guò)壓力板試驗(yàn)與雙環(huán)注水試驗(yàn)，對(duì)比研究不同性質(zhì)膨脹土和膨脹巖的持水性能及影響因素。但對(duì)水分在膨脹土沿水平、深度方向的遷移及衰減變化規(guī)律研究成果較少，水分緩慢遷移導(dǎo)致地基泥巖持續(xù)膨脹變形，因而研究滲水規(guī)律對(duì)預(yù)測(cè)和治理無(wú)砟軌道地基膨脹土上拱病害有重要意義。

本文依托蘭新二線高速鐵路，以沿線某典型膨脹地段膨脹泥巖為研究對(duì)象，通過(guò)側(cè)向注水管浸水試驗(yàn)研究水分隨水平距離、深度變化遷移規(guī)律及膨脹變形規(guī)律，以及頂部浸水下水分隨深度的遷移規(guī)律及膨脹變形規(guī)律，為防治高速鐵路無(wú)砟軌道地基泥巖上拱病害提供理論支撐。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)所用土樣取自蘭新二線沿線某典型膨脹地段，挑選含砂石等雜物較少的原狀泥巖砸碎成重塑土，過(guò)2.5 mm篩子，在自然狀態(tài)下風(fēng)干，為保證各組試驗(yàn)土樣黏土礦物含量等自身膨脹特性相同，稱取總土樣后進(jìn)行充分混合，測(cè)其風(fēng)干含水量為2.1%，按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102—2010)測(cè)得其物理指標(biāo)，如表1所示。

為限制土體側(cè)向膨脹變形，水平向滲透在由厚鋼板制作的長(zhǎng)方體內(nèi)進(jìn)行，頂部、側(cè)面滲水在鋼管、剛板焊接成的直徑為32.5 cm、高45 cm的鋼桶內(nèi)進(jìn)行。

表1 土樣的基本物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方案及過(guò)程

為研究隨水平距離和深度增加水分遷移速率衰減規(guī)律，本試驗(yàn)采用頂部和側(cè)面(以模擬土體無(wú)裂隙豎向滲水及土體有裂隙側(cè)向滲水)兩種浸水方式，如圖1所示，頂部浸水通過(guò)多孔薄鋼板滲水，在實(shí)現(xiàn)均勻滲水的同時(shí)可防止水浮起滲水板；為模擬實(shí)際土體裂隙浸水多向滲透及減弱膨脹量向孔內(nèi)水平向釋放，側(cè)面浸水通過(guò)埋入土體PVC注水管進(jìn)行，直徑為2.5 cm，水管壁周?chē)植加兄睆綖? mm滲水通道，同時(shí)為了盡量控制水分在深度方向滲入均勻，探究水分由浸水孔水平向滲流情況，考慮水壓力由浸水管頂部向下呈線性增大，設(shè)計(jì)浸水管壁進(jìn)水孔由底部向上孔數(shù)呈線性減小，底部開(kāi)孔少，頂部開(kāi)孔多。

第1組水平滲透試驗(yàn)土樣體積為20 cm×20 cm×10 cm，百分表距離浸水管依次為5.0,16.3和28.0 cm；第2組頂部滲水試驗(yàn)土樣體積為φ32.5 cm×45.0 cm，濕度傳感器(FDR-100土壤水分傳感器)距離表面深度依次為7和43 cm，并在表面中心及垂直方向共布置3個(gè)百分表；第3組側(cè)面滲水試驗(yàn)土樣體積為φ32.5 cm×45.0 cm，濕度傳感器距離表面深度依次為7，20和43 cm，百分表距離浸水管依次為5.0，16.0和28.0 cm；土體初始含水量為風(fēng)干含水量2.1%，試驗(yàn)時(shí)將混合均勻的土樣分5層夯實(shí)在鋼桶中，夯土前將豎向滲水管按設(shè)計(jì)位置固定，濕度傳感器根據(jù)設(shè)計(jì)深度埋入，3組試驗(yàn)干密度為1.54～1.58 g/cm3，夯土結(jié)束后開(kāi)始浸水試驗(yàn)，浸水時(shí)始終保持土體表面以上浸水管有水。 48 h內(nèi)膨脹變形值≤0.01 mm、濕度傳感器讀數(shù)≤0.2%視為膨脹穩(wěn)定。

圖1 滲水模型試驗(yàn)(單位：cm)

2 結(jié)果與分析

2.1 側(cè)限水平滲水膨脹變形速率衰減規(guī)律

圖2 不同水平位置膨脹時(shí)程曲線Fig.2Expansion time curve at different horizontal positions

(1) 距離浸水管水平位置不同，膨脹時(shí)程曲線不同。圖2為距離浸水管不同水平位置泥巖膨脹時(shí)程曲線。由圖2可見(jiàn)：距離浸水管5.0 cm處土體膨脹變形隨時(shí)間變化可大致分為2個(gè)階段：快速膨脹階段(3～167 h,膨脹量占比91.1%)、穩(wěn)定膨脹階段(153～259 h，膨脹量占比8.9%)；16.3 cm處土體膨脹變形隨時(shí)間變化可分為3個(gè)階段：快速膨脹階段(24～199 h，膨脹量占比64%)、緩慢膨脹階段(199～298 h，膨脹量占比24.8%)、穩(wěn)定膨脹階段(298～450 h，膨脹量占比11.2%)；28 cm處土體膨脹變形隨時(shí)間變化可分為3個(gè)階段：緩慢膨脹階段(71～259 h，膨脹量占比21%)、快速膨脹階段(259～381 h，膨脹量占比69.5%)、穩(wěn)定膨脹階段(381～495 h，膨脹量占比9.5%)。說(shuō)明距離浸水管遠(yuǎn)近不同位置處土體膨脹變形量隨時(shí)間表現(xiàn)出不同增長(zhǎng)規(guī)律。由圖3也可以看出，距離浸水管5.0，16.3和28.0 cm位置處土體初期膨脹過(guò)程呈現(xiàn)3段不同斜率的增長(zhǎng)曲線，斜率表示平均膨脹速率，依次為0.044，0.021和0.006 mm/h，隨著距離增大，初期膨脹速率逐漸減小。這與土體中水分入滲條件有關(guān)，距離浸水管5 cm處土體一直保持充分供水，且有一定水壓，水分很快滲入土體導(dǎo)致膨脹，隨著距離增大，水分遷移逐漸變緩，16.3和28.0 cm處土體膨脹變形速率也逐漸減緩。

圖3 不同時(shí)間點(diǎn)土體膨脹變形在水平方向分布Fig.3 Swelling deformation of soil distributed in horizontal direction at different time points

(2) 距離浸水管水平位置不同，膨脹完成時(shí)間不同。距離浸水管為5.0，16.3和28.0 cm土體完成膨脹的時(shí)間分別為259，450和495 h，距離浸水管越近處土體越早完成膨脹，隨著與浸水管距離增大，最終膨脹變形完成時(shí)間延長(zhǎng)。為了形象表示不同時(shí)間點(diǎn)土體膨脹變形在水平方向分布變化，選取11.4，83.6，175.6，330.9和495.0 h時(shí)各位置膨脹量繪圖，如圖3所示。在浸水剛開(kāi)始階段，如11.4 h時(shí)，5 cm處膨脹變形很小，16.3和28.0 cm處還未發(fā)生膨脹，3個(gè)位置膨脹變形近似水平線；隨著時(shí)間的推移，5 cm處膨脹變形快速增長(zhǎng)，16.3和28.0 cm處膨脹變形開(kāi)始增加，3個(gè)位置膨脹變形近似斜線；495.0 h時(shí)，28 cm處土體完成膨脹，此時(shí)3個(gè)位置膨脹變形又近似水平線。即3個(gè)位置土體膨脹在水平方向上隨時(shí)間變化過(guò)程為：水平線-斜線-水平線。

2.2 側(cè)限豎向滲水速率衰減規(guī)律

圖4 頂部滲水膨脹時(shí)程曲線Fig.4Expansion time curve under top soaking

圖4為頂部滲水膨脹變形時(shí)程曲線。由圖4可知，1#～3#百分表均表現(xiàn)為相同變化規(guī)律，且最終最大膨脹量為最小膨脹量9.6%，三者膨脹量接近，表明不同位置土體夯實(shí)比較均勻，平均膨脹量為16.76 mm。膨脹變形時(shí)程曲線可分為3個(gè)階段：快速膨脹階段(0～43.67 h，膨脹量占比75.7%)、緩慢膨脹階段(43.67～93.17 h，膨脹量占比15%)、穩(wěn)定膨脹階段(93.70～291.17 h，膨脹量占比9.3%)，3個(gè)階段所用時(shí)間分別為43.67，49.50和187.47 h。由于試驗(yàn)夯土過(guò)程影響，上部土體相比下部土體密實(shí)度較小，頂部浸水時(shí)水分很快滲入土體，引起上部土體較快增長(zhǎng)，隨著浸水量繼續(xù)增加，上層土體很快達(dá)到飽和狀態(tài)，且頂部出現(xiàn)一層水膜，滲透性降低，而下層土體水分需經(jīng)過(guò)上層土體滲入，這樣導(dǎo)致滲入下層土體時(shí)間變長(zhǎng)，且下層土體夯實(shí)密實(shí)度大、上覆自重影響更難滲入，因而后期膨脹變形時(shí)間變長(zhǎng)。

以圖2和圖4為例對(duì)比水平滲透和頂部滲透膨脹時(shí)程曲線，側(cè)向浸水方式下不同位置處土體膨脹時(shí)程曲線表現(xiàn)不同，而頂部浸水方式下表現(xiàn)相同，兩者不同是由于側(cè)向浸水時(shí)水分沿土體水平滲透，距離浸水管位置不同，水分滲流至該處的時(shí)間不同，頂部浸水時(shí)水分沿深度方向滲流，水分在水平方向分布均勻。側(cè)向浸水時(shí)距離浸水管較近處土體前期快速膨脹，后期逐漸變緩，直至穩(wěn)定；距離浸水管遠(yuǎn)處土體前期緩慢膨脹，后期逐漸加快，再變緩后穩(wěn)定；由上述可知，側(cè)向浸水距離浸水管較近處土體膨脹時(shí)程曲線與頂部滲透相似，但初期膨脹速率不同，距離浸水管5.0，16.3和28.0 cm位置處初期平均膨脹速率為0.044，0.021和0.006 mm/h，隨著距離增大，初期膨脹速率逐漸減小，頂部浸水時(shí)前期平均膨脹速率為0.291 mm/h，頂部浸水初期膨脹速率大于側(cè)向浸水，這主要是由于頂部浸水時(shí)土體滲水面積大，且上部土體干密度小，滲透速率大，滲水速度快，膨脹速率大；側(cè)向浸水時(shí)浸水管側(cè)壁孔為滲水通道，滲水面積小，且由于浸水管底部水壓大，水分首先滲入下部土體，而下部土體干密度大，滲透速率小，滲水速度慢，膨脹速率小。

圖5 頂部滲水不同位置含水量隨時(shí)間變化Fig.5 Water content variation with time at different positions of top soaking

2.3 側(cè)限橫向、豎向滲水速率衰減試驗(yàn)

圖7為距離表面不同深度處含水量隨時(shí)間變化曲線。由圖7可知，距離表面7，20和28 cm深度處濕度傳感器讀數(shù)開(kāi)始變化時(shí)間依次為83.67，104.33和34.33 h，體積含水量分別為12.25%，10.58%和11.21%。 可以看出，距離表面28 cm深度處土體首先滲入水分，接著為距離表面7 cm深度處土體滲入水分，最后為距離表面20 cm深度處土體滲入水分。這可能是因?yàn)榻苤杏捎谒淖灾赜绊?，使得下部土體在較大水壓力下滲入較多水分，因而下部濕度傳感器最先有讀數(shù)；另一方面，試驗(yàn)中夯土?xí)r上部土體較下部土體密實(shí)度小，水分滲透較容易，因而距離表面7 cm深度處土體較20 cm深度處土體先滲入水分。

圖6 不同水平位置膨脹時(shí)程曲線Fig.6 Expansion time curve at different horizontal positions

圖7 不同深度處含水量隨時(shí)間變化曲線Fig.7Curve of water content with time at different depths

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 與浸水管水平距離不同，膨脹時(shí)程曲線表現(xiàn)不同。與浸水管水平距離越遠(yuǎn)，土體初期膨脹速度越緩慢，呈衰減趨勢(shì)變化，試驗(yàn)所得重塑泥巖側(cè)向及頂部浸水初期平均膨脹速率分別為0.044～0.006 mm/h和0.291 mm/h。

(2) 通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，提出用初期平均滲透系數(shù)表示水分遷移速率衰減規(guī)律，計(jì)算可得不同段水分平均遷移速率為3.78×10-4～7.05×10-5cm/s，遷移速率隨與浸水管水平距離增加呈衰減趨勢(shì)，隨深度增加亦呈衰減趨勢(shì)，由于試驗(yàn)浸水條件與實(shí)際工程有差異，需進(jìn)一步探究和對(duì)比原狀泥巖實(shí)際浸水膨脹與滲透速率，為地基泥巖上拱病害治理及預(yù)警提供理論支撐。

(3) 側(cè)面浸水時(shí)含水量沿深度方向滲入土體順序?yàn)椋旱撞?上部-中部，對(duì)于裂隙較多膨脹泥巖浸水時(shí)，首先引起下部土體膨脹。