高速鐵路泥巖地基原位浸水響應(yīng)特征試驗(yàn)研究

薛彥瑾，王起才，馬麗娜，王炳忠，張?zhí)畦?/p>

(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)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070; 3. 甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730000; 4. 甘肅省公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)創(chuàng)新中心，甘肅 蘭州 730000)

膨脹土因富含黏土礦物及混層黏土礦物與一般土性質(zhì)相差極大[1]，其吸水膨脹、失水收縮特性常給工程建筑物帶來極大危害，若高速鐵路無砟軌道地基中含有膨脹土，將對路基穩(wěn)定性與行車安全性極為不利[2-6]。

目前，對膨脹土水分入滲及膨脹變形的研究主要有室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)。文獻(xiàn)[7]對泥巖地基進(jìn)行了不同浸水深度和不同上覆荷載下的原位試驗(yàn)，研究了泥巖地基的膨脹變形特性。文獻(xiàn)[8]通過室內(nèi)1∶1大比例路基模型試驗(yàn)，研究了不同工況下路塹的動態(tài)響應(yīng)和變形規(guī)律。文獻(xiàn)[9]研究了雨水入滲與膨脹土邊坡的穩(wěn)定性。室內(nèi)試驗(yàn)在一定程度上可模擬構(gòu)筑物工作環(huán)境，但受試驗(yàn)尺寸效應(yīng)、邊界條件、擾動等影響，試驗(yàn)結(jié)果依然不能真實(shí)、有效反映構(gòu)筑物在實(shí)際工作中受力狀況。為此，開展膨脹土現(xiàn)場原位試驗(yàn)是必要的。文獻(xiàn)[10]以云桂高速鐵路為背景，研究了中-強(qiáng)膨脹土地基低矮路堤在自然狀態(tài)下地基膨脹變形特征及規(guī)律。文獻(xiàn)[11]以廣西膨脹土為研究對象，通過現(xiàn)場試驗(yàn)分析了氣候影響下膨脹土塹坡的原位響應(yīng)特征。文獻(xiàn)[12]通過人工降雨模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場原位試驗(yàn)，分析了非飽和膨脹土邊坡在降雨入滲下的變化規(guī)律。

由于高速鐵路無砟軌道對路基上拱變形的允許調(diào)整量僅為4 mm[13]，當(dāng)高速鐵路穿越膨脹性泥巖地段時，由于地基泥巖吸水膨脹將導(dǎo)致路基上拱，進(jìn)而使軌道不平順性加劇，當(dāng)列車高速通過不平順性軌道時，將導(dǎo)致機(jī)車車輛振動，出現(xiàn)列車顛簸、晃車等現(xiàn)象，最終影響行車的安全、舒適性等。關(guān)于弱膨脹性地基泥巖膨脹引起無砟軌道路基上拱的研究國內(nèi)外鮮有報道。隨著我國高速鐵路的不斷發(fā)展，將涌現(xiàn)出大量以弱膨脹性泥巖為地基的高速鐵路工程，為此本文依托蘭新高速鐵路，在一典型路基上拱地段進(jìn)行不同上覆荷載下弱膨脹性泥巖地基的橫向滲水速率及豎向膨脹變形原位試驗(yàn)，研究成果可為今后泥巖地基高速鐵路的設(shè)計、施工提供參考。

1 現(xiàn)場方案設(shè)計

1.1 地質(zhì)概況

試驗(yàn)段位于新疆哈密地區(qū)，地形平坦開闊，地勢起伏較小。經(jīng)鉆芯取樣可知，在0～0.5 m為砂礫石碎散層，0.5～8 m為紅褐色堅(jiān)硬泥巖層，成巖作用較好，強(qiáng)度較高，黏性強(qiáng)，局部含有少量砂巖、碎石及角礫。其主要物理力學(xué)指標(biāo)和化學(xué)成分見表1和表2，根據(jù)TB 10038—2012《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》[14]判定為無膨脹性土，但實(shí)際上該種土體吸水膨脹已導(dǎo)致了蘭新高速鐵路路基的持續(xù)上拱變形，因此有必要研究該種土體滲透特性和膨脹特性。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1)電鉆(干鉆)1臺，直徑50 mm開孔鉆頭1個。

(2)滲水-加載-變形觀測系統(tǒng)4套，滲水裝置采用直徑50 mm，長50 cm的圓鋼管焊接于加載底板，管壁均勻布置4列梅花狀滲水孔；加載板采用直徑75 cm，厚1 cm的鋼板；變形觀測支架為尺寸40 mm×40 mm的角鋼焊接成的3個獨(dú)立直角三角形，其中直角邊的一個角點(diǎn)焊接于加載底板，另一個角點(diǎn)安放百分表，觀測支架將試驗(yàn)區(qū)域分為3份，互成120°。

(3)大量程百分表12塊(每個基坑3塊)，用于測量試驗(yàn)土體變形值。

(4)打磨機(jī)1臺，水平尺1把，用于地面整平；電子稱1臺，用于稱量堆載物質(zhì)量。

(5)濕度傳感器28個，每個基坑7個，用于測量試驗(yàn)過程中土體體積含水率。

(6)百分表墊板12塊(5 cm×5 cm鋼板)。

(7)大型蓄水桶1個，輸水管道20 m。

(8)挖掘機(jī)1臺，破碎機(jī)1臺。

1.2.2 試驗(yàn)過程

(1)試驗(yàn)基坑開挖

清除地表40 cm厚浮土，開挖1#、2#、3#、4#試驗(yàn)基坑，基坑底尺寸2 m×1.75 m，深0.4 m，邊坡比例2∶1，開挖完成后，對坑底進(jìn)行整平，試驗(yàn)區(qū)域平面布置見圖1。

(2)試驗(yàn)區(qū)域布置

基坑底部開挖直徑75 cm、深10 cm的試驗(yàn)區(qū)域，完成后對各試驗(yàn)區(qū)域用打磨機(jī)和水平尺整平，防止加載時出現(xiàn)偏載。試驗(yàn)區(qū)域中心開挖直徑5 cm、深50 cm注水孔，距注水孔10、20、30 cm(S1=S2=S3=10 cm)處開挖直徑5 cm、深50 cm濕度傳感器布置孔，見圖2。濕度傳感器豎向分2層布置，分別在距土體表面0、50 cm處，在距試驗(yàn)頂部80 cm處布置1豎向濕度傳感器。

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)

表2 土體化學(xué)成分 %

圖1 試驗(yàn)區(qū)域平面布置(單位：m)

圖2 注水及濕度傳感器平面布置(單位：cm)

(3)安裝滲流-加載-變形觀測系統(tǒng)

保證該系統(tǒng)與試驗(yàn)土體表面密貼，安裝完成后架設(shè)百分表。根據(jù)TB10621―2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[15]和蘭新高鐵DK1236+650路基斷面設(shè)計圖紙可知，路基對泥巖地基荷載為25.15 kPa，因此對1#、2#、3#、4#基坑分別施加0、15、30、45 kPa的上覆荷載。上覆荷載通過預(yù)制混凝土板堆載而成，堆載時要對加載板和變形觀測支架進(jìn)行稱重，累計至需要質(zhì)量，對堆載量進(jìn)行控制，保證堆載臺均勻受力，不偏載，堆載結(jié)束后記錄百分表和濕度傳感器讀數(shù)，滲流-加載-變形現(xiàn)場布置及觀測系統(tǒng)示意見圖3。

(4)進(jìn)行試驗(yàn)

待位移測量元件和水分測量元件讀數(shù)穩(wěn)定后，將該讀數(shù)作為初始讀數(shù)，通過注水系統(tǒng)向滲水孔緩慢注水，保證水不從試驗(yàn)區(qū)域表面溢出。由于泥巖滲水速度較慢，故每2 h進(jìn)行1次注水，并同時記錄位移測量元件和水分測量元件，直至其讀數(shù)穩(wěn)定為止。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 滲透及膨脹變形時程變化規(guī)律

2.1.1 滲透性分析

滲透性變形時程曲線見圖4。

由圖4(a)可知，不同上覆荷載下、泥巖橫向不同距離處體積含水率隨時間變化均可劃分為四個階段。第Ⅰ階段：穩(wěn)定階段，體積含水率隨時間變化基本保持不變，這是由于前期水未滲透至相應(yīng)水平距離處傳感器，且沒有其他外來水源補(bǔ)給，故該處泥巖體積含水率基本保持不變；第Ⅱ階段：驟增階段，體積含水率隨時間變化增長較快，當(dāng)水分入滲到濕度傳感器時，由于濕度傳感器對水分變化比較敏感，其讀數(shù)會突然增大，再者由于水分的不斷補(bǔ)給，濕度傳感器會不斷感應(yīng)到水分變化，故該階段體積含水率隨時間變化增長較快；第Ⅲ階段：減速增長階段，體積含水率隨時間變化增長速度在逐漸減小，這是由于泥巖中黏土礦物顆粒吸水膨脹后不斷擠密周圍孔隙，致使?jié)B透速率在逐漸減小，濕度傳感器感應(yīng)到水分變化速度會減慢，再者由于水分會漫過濕度傳感器繼續(xù)向外圍擴(kuò)散；第Ⅳ階段：滲透穩(wěn)定階段，體積含水率隨時間變化趨于穩(wěn)定狀態(tài)，這是由于泥巖吸水達(dá)到其滲透穩(wěn)定含水率時，其含水率將不再增大，故體積含水率隨時間變化趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

相同上覆荷載下泥巖同一橫向位置處，下部土體滲透穩(wěn)定含水率比上部要大，2#基坑10 cm上滲透穩(wěn)定含水率為48.75%，10 cm下為50.01%，這是由于水分在滲透過程中，因自身重力作用總有向下運(yùn)動趨勢，故下部位置處泥巖最先滲透到，所以在同一橫向位置處，下部土體滲透穩(wěn)定含水率比上部要大。

不同上覆荷載下、相同水平距離處泥巖體積含水率隨上覆荷載增大，最終達(dá)到穩(wěn)定所需時間越長，這是因?yàn)?個試驗(yàn)基坑距離相差很小，可近似認(rèn)為4個基坑泥巖的初始狀態(tài)相似，隨注水量的增加，泥巖開始吸水變軟，隨上覆荷載的增加變軟后泥巖的密實(shí)度也在逐漸增大，導(dǎo)致泥巖滲透性在逐漸減小，泥巖吸水越困難，在滲透穩(wěn)定含水率相差較小時，泥巖達(dá)到穩(wěn)定所需要的時間越長。

2.1.2 膨脹性分析

膨脹性變形時程曲線見圖5。從圖5可知，膨脹量隨時間呈“S”型變化。由圖5(a)可見，1#基坑在0～74 h內(nèi)膨脹量為1.05 mm，平均膨脹速率為0.014 mm/h，在74～281 h內(nèi)膨脹量為9.50 mm，平均膨脹速率為0.046 mm/h，在281～527 h內(nèi)膨脹量為3.10 mm，平均膨脹速率為0.013 mm/h，在527～550 h內(nèi)膨脹量為0 mm，平均膨脹速率為0 mm/h；因此當(dāng)上覆荷載較小時(0、15、30 kPa)，泥巖膨脹量隨時間變化可分為四個階段，第Ⅰ階段：緩慢增長階段。這是因?yàn)閯傞_始注水時土體中水分有兩種去處，一是泥巖本身存在有效孔隙可以容納水分的進(jìn)入，二是水分向泥巖中土顆粒滲透，由于水分在重力作用影響下，始終有向下運(yùn)動趨勢，這將使得水分進(jìn)入第一種方式速度遠(yuǎn)大于進(jìn)入第二種方式速度，故膨脹量隨時間增長較緩慢。第Ⅱ階段：快速增長階段。由于泥巖存在的有效孔隙被水分填滿，水分開始大量與泥巖中膨脹性黏土礦物發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致泥巖發(fā)生快速膨脹。第Ⅲ階段：減速增長階段。隨著水分持續(xù)滲入，蒙脫石晶層間進(jìn)入了大量水分，使得水分進(jìn)入晶層間速度變慢，且泥巖滲透速度也在逐漸變小，最終導(dǎo)致泥巖膨脹量增長速度逐漸變緩。第Ⅳ階段：穩(wěn)定階段。隨水分持續(xù)入滲，泥巖膨脹潛勢被消耗完全，膨脹完成。

綜上所述，不同上覆荷載下、泥巖橫向不同距離處體積含水率隨時間變化可分為穩(wěn)定階段、驟增階段、減速增長階段和滲流穩(wěn)定階段，同一橫向位置處，下部土體飽和含水率比上部要大；膨脹量隨時間呈“S”型變化，上覆荷載較小時膨脹量隨時間變化可分為緩慢增長階段、快速增長階段、減速增長階段和穩(wěn)定階段，上覆荷載較大時會出現(xiàn)下沉階段；注水量隨時間變化分為快速增長、緩慢增長和穩(wěn)定階段。

2.2 上覆荷載對泥巖滲透性及膨脹性的影響

通過整理1#、2#、3#、4#基坑泥巖膨脹量和不同橫向距離下體積含水率和滲透時間，計算出不同上覆荷載下的滲透速率，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

2.2.1 上覆荷載對滲透性的影響

由圖6可知，隨上覆荷載的增大，橫向滲透速度在變小，上覆荷載增加1倍時，滲透速率大約衰減90%，上覆荷載增加2倍時，滲透速率大約衰減78%，上覆荷載增加3倍時，滲透速率大約衰減63%，這是因?yàn)槟鄮r的滲透與膨脹是同時進(jìn)行的，上覆荷載越大對泥巖膨脹抑制越強(qiáng)，使泥巖吸水膨脹變得更為密實(shí)，水分越難滲透，所以滲透速率會越小。

定義滲透速率隨上覆荷載增大的相對衰減率為

θa=(K0-KP)/K0

(1)

式中:θa為泥巖橫向滲透速率相對衰減率；K0為上覆荷載為0 kPa時滲透速率；KP為上覆荷載為P時滲透速率。結(jié)合圖5可求得不同上覆荷載下泥巖橫向滲透速率的相對衰減率，見表3。

相對衰減率與上覆荷載關(guān)系曲線見圖7。由圖7可知，滲透速率的相對衰減率隨上覆荷載增加呈遞增變化，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合出相關(guān)系數(shù)為0.987 36的相對衰減率與上覆荷載關(guān)系計算式為

(2)

圖7 相對衰減率與上覆荷載的關(guān)系曲線

綜上分析可知，泥巖橫向滲透速率隨上覆荷載增加呈衰減變化，一般認(rèn)為當(dāng)?shù)鼗砻媾蛎涀冃螢?時，相應(yīng)的泥巖滲透速率也為0，滲透速率為0時，其橫向滲透速率相對衰減率為100%，這對控制以上拱為主的高速鐵路是有利的，即可確定泥巖浸水飽和后的臨界上覆荷載。因此，以相對衰減率100%為控制標(biāo)準(zhǔn)，確定高速鐵路路基上拱的臨界荷載。

將式(2)代入式(1)，可得

(3)

從室內(nèi)試驗(yàn)測出泥巖原始狀態(tài)滲透系數(shù)K0，即可得到現(xiàn)場泥巖在任一上覆荷載下滲透系數(shù)。

2.2.2 上覆荷載對膨脹量的影響

隨上覆荷載增大泥巖膨脹量在減小，上覆荷載從0 kPa增長到15 kPa時，膨脹量減小了4.33 mm；上覆荷載從15 kPa增長到45 kPa時，膨脹量減小了3.55 mm，即泥巖膨脹量隨上覆荷載增長并非線性變化。這是因?yàn)槟鄮r在施加上覆荷載后膨脹會受到抑制，上覆荷載越大抑制作用越強(qiáng)，所以上覆荷載越大，其膨脹量減小，但由于泥巖本身較為密實(shí)，故上覆荷載從15 kPa增長至45 kPa時，對泥巖密實(shí)度不會發(fā)生很大改變，從而使上覆荷載從15 kPa增長至45 kPa時，其膨脹量減小程度要小于上覆荷載從0 kPa增長到15 kPa時膨脹量減小程度。

2.3 水平滲透速度與滲透距離關(guān)系

根據(jù)1#、2#、3#、4#基坑試驗(yàn)過程，得出水平滲透速度與滲透距離關(guān)系曲線見圖8。

圖8 各上覆荷載下水平滲透速度與滲透距離關(guān)系曲線

由圖8可知，隨著橫向滲透距離的增大，滲透速度在逐漸變小，從0.1 m變化到0.2 m時，滲透速率大約減小了6%，從0.1 m變化到0.3 m時，滲透速率大約減小了20%，從0.2 m變化到0.3 m時，滲透速率大約減小了14%。因此，橫向滲透速率與橫向滲透距離為非線性關(guān)系，且滲透距離越遠(yuǎn)滲透速率衰減程度越大。

3 結(jié)論

本文通過對蘭新高速鐵路的泥巖地基上拱地段進(jìn)行不同上覆荷載下橫向滲水速率及膨脹量原位浸水試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

(1)不同上覆荷載下、泥巖橫向不同距離處體積含水率隨時間變化分為穩(wěn)定階段、驟增階段、減速增長階段和滲流穩(wěn)定階段，但同一橫向位置處，下部土體飽和含水率大于上部。

(2)膨脹量隨時間呈“S”型變化，上覆荷載較小時膨脹量隨時間變化分為緩慢增長階段、快速增長階段、減速增長階段和穩(wěn)定階段，上覆荷載較大時會出現(xiàn)下沉階段；泥巖膨脹量隨上覆荷載增長并非線性變化。

(3)泥巖橫向滲透速率隨上覆荷載增加在逐漸減小，滲透速率為0時，橫向滲透相對衰減率為100%，以該值為控制標(biāo)準(zhǔn)確定高速鐵路路基上拱的臨界荷載，為高速鐵路的設(shè)計提供了一種新的思路。

(4)橫向滲透速率與橫向滲透距離為非線性關(guān)系，且滲透距離越遠(yuǎn)滲透速率衰減程度越大。