粗粒鹽漬土區(qū)既有高鐵路基變形特性試驗研究

張莎莎，劉亞超，楊曉華，陳偉志，金好乾

(1. 長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064； 2. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031

0 引 言

在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求下，一些高速鐵路的建設(shè)將面臨既有路基的利用問題。部分既有路基位于粗粒鹽漬土區(qū)，路基填料大多是粗粒鹽漬土，因修筑時建設(shè)水平較低，且長時間在無防護(hù)條件下擱置，勢必會造成路基填料的基本物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生很大程度的改變。路基填料物理化學(xué)性質(zhì)的改變直接影響建設(shè)工程的安全性，要想有效利用某既有路基，首先就要明確該既有路基填料現(xiàn)在的基本物理化學(xué)性質(zhì)及其變形特性，所以開展既有路基變形特性方面的研究具有較大的實(shí)際工程意義。

費(fèi)雪良等[1]對不同初始干密度和凍融循環(huán)條件下硫酸鹽漬土的鹽脹規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用下的鹽脹具有累加性。張莎莎等[2-6]對粗粒鹽漬土的鹽脹敏感區(qū)間、鹽脹特性及其微觀機(jī)制等方面進(jìn)行了研究，并分析了多次添加含鹽施工用水對礫類硫酸鹽漬土工程性質(zhì)的影響機(jī)理。Zhang等[7-9]研究了硫酸鹽漬土在鹽脹、冷卻過程中的相變過程，建立了預(yù)測凍結(jié)點(diǎn)和未凍結(jié)水含量的數(shù)學(xué)模型。包衛(wèi)星等[10]研究了不同含鹽量水平下砂類鹽漬土的鹽脹變化特點(diǎn)和凍融循環(huán)作用下砂類鹽漬土的溶陷特性。楊曉華等[11]采用室內(nèi)模擬潛蝕溶陷變形的離心模型試驗，研究典型天然鹽漬土和不同氯離子含量的鹽漬土溶陷系數(shù)的特點(diǎn)。肖澤岸等[12-13]研究了鹽分在土體凍結(jié)過程中對水分重分布與變形的影響，探討了硫酸鈉鹽漬土在凍融循環(huán)作用下土體的變形規(guī)律。Zhang等[14-15]對凍融-降水循環(huán)作用下鹽漬土路基的變形特性進(jìn)行了研究，并分析了無機(jī)黏結(jié)劑改良粗粒鹽漬土的可行性和合理性。文桃等[16]對不同試樣制備條件下的硫酸鹽漬土進(jìn)行了擊實(shí)試驗和電鏡掃描。張建淵等[17]對蘭新高速鐵路沿線不同類型鹽漬土地基進(jìn)行現(xiàn)場浸水荷載試驗，并對鹽漬土地基的溶陷特性及影響因素進(jìn)行研究。張沛然等[18]對深基坑內(nèi)不同深度土層的溫度場、水分場和鹽脹變形隨季節(jié)性變化狀況進(jìn)行了長期的動態(tài)監(jiān)測和分析研究。Wan等[19]建立了土的冰點(diǎn)和冰的成核速率計算模型以及鹽漬土冰點(diǎn)預(yù)測方程，探討了水過冷對不同土壤體積和含鹽量的影響。周鳳璽等[20]建立了溫度梯度作用下非飽和鹽漬土水-熱-鹽-力多場耦合數(shù)學(xué)模型,分析了鹽漬土特征溫度的影響因素。許健等[21]研究了硫酸鈉鹽漬原狀黃土凍融過程劣化規(guī)律及微細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷演化機(jī)制。楊曉華等[22]對粗顆粒硫酸鹽漬土工程性質(zhì)進(jìn)行了總結(jié)分析。以上學(xué)者在粗粒鹽漬土的鹽脹、溶陷變形等方面做了比較詳盡的研究，但很少涉及既有路基變形特性方面的研究，既有路基具有線路長、工程地質(zhì)條件復(fù)雜、路基填料性質(zhì)多變的特點(diǎn)，需要進(jìn)行關(guān)于變形特性方面的深入研究。

本文針對某既有高鐵路基典型路段的填料，分別開展了室內(nèi)鹽脹試驗、溶陷試驗、凍融循環(huán)試驗以及現(xiàn)場大型溶陷試驗，明確該既有路基的基本物理化學(xué)性質(zhì)及變形特性，為有效利用該既有路基提供理論支撐，為粗粒鹽漬土作為路基填料提供工程實(shí)踐支撐，并為粗粒鹽漬土區(qū)類似工程項目提供參考。

1 路基填料基本物理化學(xué)性質(zhì)

由于路基填料級配特征與其相關(guān)變形特性密切相關(guān)，為了明確該既有路基變形特性與其級配特征的關(guān)系，采用篩分法得到該既有路基填料的顆粒組成，部分標(biāo)段路基填料篩分試驗結(jié)果見圖1。

圖1 顆粒級配曲線Fig.1 Grain Gradation Curves

為了探究該既有路基填料變形特性與土樣本身的相關(guān)物理化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，基于室內(nèi)重型擊實(shí)試驗，得到各標(biāo)段路基填料的最大干密度和最佳含水率，并采用液、塑限聯(lián)合測定法測得各標(biāo)段路基填料中細(xì)粒土的液限和塑限值，部分標(biāo)段路基填料的試驗結(jié)果見表1；采用過5 mm篩孔的烘干土樣300 g進(jìn)行易溶鹽含量試驗，部分標(biāo)段試驗結(jié)果見表2、3。

表2 各標(biāo)段路基填料易溶鹽總含量Table 2 Total Soluble Salt Content of Subgrade Filler in Each Bid Section

表3 各標(biāo)段路基填料化學(xué)成分分析結(jié)果Table 3 Chemical Composition Analysis Results of Subgrade Filler in Each Bid Section

2 試驗方案

2.1 單次降溫鹽脹試驗

為了探究單次降溫條件下各標(biāo)段土樣鹽脹量情況以及與填料級配特點(diǎn)之間的關(guān)系，選取K87+950、K121+150、K133+500、K165+260、K196+900、K214+900土樣進(jìn)行單次降溫鹽脹試驗。添加適量蒸餾水使土樣處于最佳含水率狀態(tài)，試驗選用各標(biāo)段路基填料的易溶鹽含量、最大干密度、最佳含水率及路基壓實(shí)度見表1。

表1 各標(biāo)段土樣基本物理性質(zhì)Table 1 Basic Physical Properties of Soil Sample in Each Bid Section

本次試驗采用高度為13 cm、直徑為15 cm的鐵桶作為試驗容器，試驗裝置見圖2[6]。按照現(xiàn)場檢測取土位置處的壓實(shí)度，將土樣分3次擊入試驗桶中，然后覆蓋1層保鮮膜，放置12 h。采用單次降溫，降溫范圍設(shè)定為25～-15 ℃，降溫速率為5 ℃·(60 min)-1，當(dāng)降溫到-15 ℃時，恒溫保持6 h。

圖2 單次降溫鹽脹裝置Fig.2 Single Cooling Salt Expansion Device

2.2 溶陷試驗

為了探究各標(biāo)段路基的溶陷量以及與土樣相關(guān)性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)行室內(nèi)溶陷試驗。試筒選用直徑28 cm、高度12 cm的有機(jī)玻璃桶，試筒上、下面均可自由排水，在試筒上部放置鋼排水板，同時在有機(jī)玻璃桶外側(cè)安裝鐵箍。試驗土樣同室內(nèi)鹽脹試驗所取土樣一致，每個標(biāo)段的土樣按照現(xiàn)場測得的壓實(shí)度，分3次擊入試樣桶中。采用單線法，通過萬能試驗機(jī)施加荷載，荷載施加順序為0→50 kPa→100 kPa→150 kPa→200 kPa→300 kPa。以試樣每小時變形量不超過0.01 mm為變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，變形穩(wěn)定后再施加下一級荷載，200 kPa加載穩(wěn)定1 h后，加水浸濕3 d，然后將荷載加載至300 kPa。

為了明確降水量對路基溶陷量的影響效果，選取K31+000標(biāo)段路基進(jìn)行現(xiàn)場溶陷試驗。荷載板直徑為0.8 m，試坑直徑為2.5 m。在距試坑中心0.43 m處布置4個分層觀測點(diǎn)(圖3)，距坑底表面深度分別為1、2、3、4 m，用來測量不同土層的沉降、溶陷量以及溶陷深度。

圖3 現(xiàn)場溶陷觀測點(diǎn)布置Fig.3 Layout of Field Collapse Observation Point

本次試驗浸水壓力為200 kPa，加載階段分8級，浸水過程完成后分8級繼續(xù)加載，整個加載過程見圖4。浸水階段分5步進(jìn)行，模擬5種不同的氣候條件：①注水30 mm模擬一年中月最大平均降水量；②在工況1的基礎(chǔ)上再次注水30 mm，模擬一年內(nèi)最大單次降水量；③在工況2的基礎(chǔ)上再次注水40 mm，模擬年均降雨量；④保持30～40 cm常水頭浸水持續(xù)24 h，模擬當(dāng)?shù)貥O端單次降雨；⑤長期保持30～40 cm常水頭浸水來測定最不利工況下試驗點(diǎn)路基的溶陷系數(shù)。

圖4 現(xiàn)場溶陷加載過程Fig.4 Field Collapse Loading Process

2.3 凍融循環(huán)試驗

為了明確凍融循環(huán)條件下路基的變形量及凍融后含水率、硫酸根離子的分布情況，選取K87+950標(biāo)段土樣開展室內(nèi)大尺寸凍融循環(huán)試驗。按照最佳含水率配制試驗用土，并裝入密封袋中悶料24 h以上。試筒選用直徑30 cm、桶高75 cm的有機(jī)玻璃桶。土樣高度75 cm，每層土厚度為2.5 cm，分層擊實(shí)，使試驗土樣壓實(shí)度與現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)一致。距土樣底部每隔10 cm設(shè)置溫度探頭，來測量對應(yīng)土層的溫度，試驗裝置見圖5。

圖5 凍融循環(huán)試驗裝置Fig.5 Freeze-thaw Cycle Test Device

試驗裝置采用低溫恒溫槽，單向降溫，單向升溫。降溫設(shè)置為25 ℃→-15 ℃，降溫速率為5 ℃·(1.5 h)-1，溫度達(dá)到-15 ℃后恒溫36 h。升溫設(shè)置為-15 ℃→25 ℃，升溫速率為5 ℃·(1.5 h)-1，溫度達(dá)到25 ℃時恒溫維持36 h。在無附加荷載的情況下(制冷頭0.7 kPa)，共進(jìn)行7個凍融循環(huán)周期。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 單次降溫鹽脹試驗結(jié)果及分析

各標(biāo)段土樣最終鹽脹量以及與路基填料不均勻系數(shù)之間的關(guān)系見圖6。從圖6可以看出，單次降溫情況下路基填料的最終鹽脹量與土樣的不均勻系數(shù)之間呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。K87+950土樣在整個降溫過程中出現(xiàn)了顯著的體縮，K121+150土樣出現(xiàn)輕微體縮，K133+500和K165+260土樣則發(fā)生明顯的鹽脹，K196+900和K214+900土樣鹽脹變形不明顯。K133+500、K165+260、K214+900土樣最大干密度一致，說明在最大干密度相同的情況下，土樣最終鹽脹量的大小在很大程度上由顆粒級配特點(diǎn)以及硫酸根離子含量共同決定。

圖6 各標(biāo)段土樣最終鹽脹量Fig.6 Final Salt Expansion of Soil Sample in Each Bid Section

在本次試驗的6個標(biāo)段路基填料中，K133+500和K165+260土樣的硫酸根離子含量以及不均勻系數(shù)最大，且路基壓實(shí)度最大。不均勻系數(shù)越大代表級配越良好，壓實(shí)以后孔隙率越小，顆粒間接觸越緊湊，硫酸鹽吸水膨脹時外在表現(xiàn)越顯著。在降溫階段，K133+500和K165+260土樣中硫酸鹽吸水結(jié)晶產(chǎn)生很大的膨脹力，導(dǎo)致顆粒間隙增大，鹽結(jié)晶體積增加量部分填充大孔隙，土體顆粒重新排列，小顆粒回落到大孔隙中，但鹽結(jié)晶體積增加量大于小顆?；芈淞浚蚨a(chǎn)生了明顯的鹽脹變形[4]。其余標(biāo)段路基填料中硫酸根離子含量相對較少，不均勻系數(shù)較小，顆粒間隙較大。在降溫階段，鹽結(jié)晶產(chǎn)生膨脹力，使得土體顆粒間隙擴(kuò)大，而硫酸鹽結(jié)晶數(shù)量少，不能很好地填充土體顆粒間隙而使土體結(jié)構(gòu)破壞，小顆?；芈湓诖罂紫吨?，因此鹽脹現(xiàn)象不明顯，甚至?xí)a(chǎn)生體縮。

3.2 溶陷試驗結(jié)果及分析

圖7為各標(biāo)段土樣在不同荷載壓力P作用下的溶陷曲線。從圖7可以看出，隨著荷載的增加，各標(biāo)段溶陷變形量具有一致的變化趨勢。在荷載壓力為100 kPa時，各標(biāo)段土樣變形量在1～3.5 mm之間；當(dāng)荷載壓力為200 kPa時，浸水后土樣會發(fā)生Δhp的溶陷量；當(dāng)荷載壓力達(dá)到300 kPa時，K87+950標(biāo)段土樣最終變形量最大，為5.67 mm，最大變形率為4.7%。在實(shí)際工程中，若以1 m浸水深度計算，則最大變形量為47 mm，超出了高速鐵路無砟軌道要求的15 mm變形量[21]，所以需要采取相關(guān)措施，防止因溶陷導(dǎo)致路基破壞。

圖7 各標(biāo)段土樣溶陷曲線Fig.7 Collapse Curve of Soil Sample in Each Bid Section

圖8為各標(biāo)段土樣溶陷系數(shù)。由圖8可知，各標(biāo)段路基填料的溶陷系數(shù)與氯離子含量曲線變化趨勢一致，二者存在正相關(guān)關(guān)系。K87+950、K133+500以及K165+260這3個標(biāo)段土樣的溶陷系數(shù)大于或等于0.01，屬于溶陷性鹽漬土，其最大溶陷系數(shù)為0.012。其余3個標(biāo)段的鹽漬土溶陷系數(shù)均小于0.01，溶陷現(xiàn)象不明顯。

圖8 各標(biāo)段土樣溶陷系數(shù)Fig.8 Collapse Coefficient of Soil Sample in Each Bid Section

現(xiàn)場溶陷試驗浸水階段溶陷量變化如圖9所示。在浸水階段，第1次注水30 mm時，荷載板下部土體沉降量顯著增大，溶陷發(fā)展迅速，這一階段溶陷量占比高達(dá)80%。第2次注水30 mm時，土體沉降量和溶陷量均有所增加，且2 m及2 m以下土體沉降板基本上沒有發(fā)生沉降，此工況下溶陷量占比1.6%。再次注水40 mm，溶陷會持續(xù)發(fā)生，但增加速度緩慢，第3工況溶陷量占總?cè)芟萘康?.1%。持續(xù)24 h保持30 cm常水頭浸水穩(wěn)定時，試驗路基各觀測點(diǎn)沉降、溶陷量增加幅度較小，此工況溶陷量占比為6.8%。保持30 cm常水頭，長期浸水穩(wěn)定時，此工況溶陷量占比6.5%。路基土體溶陷量隨著降水量的變大而增加，但當(dāng)降水量達(dá)到30 mm以后，溶陷量保持相對穩(wěn)定，極端降水不會使路基土體發(fā)生過大的溶陷變形。現(xiàn)場溶陷試驗表明，K31+000段路基不具有溶陷性，最大溶陷量為4.83 mm，滿足高速鐵路無砟軌道15 mm的變形要求。

圖9 浸水階段土樣溶陷量Fig.9 Collapse Amount of Soil Sample in Immersion Stage

3.3 凍融循環(huán)試驗結(jié)果及分析

圖10為K87+950標(biāo)段土樣在凍融循環(huán)各周期中最低溫度和最高溫度時的變形量，溫度測點(diǎn)位置土體的溫度變化見圖11。

圖10 各凍融循環(huán)周期最高溫度、最低溫度時的變形量Fig.10 Deformations at Highest Temperature and Lowest Temperature in Each Freeze-thaw Cycle

圖11 凍融循環(huán)過程中的溫度變化曲線Fig.11 Temperature Change Curves During Freeze-thaw Cycle

從圖10可以看出，土樣在各周期最高溫度時的變形量隨著凍融循環(huán)周期的增加逐漸增大，變形量隨溫度變化呈現(xiàn)V形下降趨勢，在第5個凍融循環(huán)周期相對融沉量達(dá)到最大值。本標(biāo)段路基壓實(shí)度為91.8%，土體不密實(shí)，空隙較大較多。在凍融循環(huán)開始階段，硫酸鹽吸水結(jié)晶，土體體積增大，細(xì)小顆?；芈涮畛浯罂障?，土體鹽脹不明顯。當(dāng)溫度升高時，鹽結(jié)晶失去結(jié)晶水，逐漸溶解，土體骨架遭到破壞，土體產(chǎn)生塌落變形，體積減小。5次凍融循環(huán)后，土體骨架結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，升溫過程中結(jié)晶鹽釋放出水分子，水分遷移使得頂部位置含水率特別大，可以溶解部分土顆粒膠結(jié)而形成的骨架結(jié)構(gòu)，破壞膠結(jié)結(jié)構(gòu)，使得部分土體失穩(wěn)塌陷，土顆粒重新排列，產(chǎn)生溶陷，7次凍融循環(huán)后該標(biāo)段土體鹽脹量為負(fù)值，最終表現(xiàn)為融沉。

從圖11可以看出，距土樣頂部15 cm高度范圍為溫度敏感區(qū)間，溫度影響作用沿土體高度逐漸遞減，土樣高度70 cm處溫度探頭監(jiān)測的溫度變化范圍最大，第二周期最低溫度為-11 ℃。

土樣經(jīng)歷7個周期的凍融循環(huán)后含水率和硫酸根離子含量變化見圖12。

圖12 凍融循環(huán)后含水率及硫酸根離子含量變化Fig.12 Changes of Water Content and Sulfate Ion Content After Freeze-thaw Cycle

從圖12可以看出，凍融循環(huán)后土樣頂部含水率明顯增加，底部含水率減少,20～40 cm高度范圍內(nèi)土樣含水率無明顯變化。降溫過程中，土樣頂部的硫酸鹽吸水形成結(jié)晶體，液態(tài)水逐漸結(jié)冰，使得水分逐漸向冷端遷移，頂部土體含水率高于試驗開始時的含水率。硫酸根離子分布呈現(xiàn)出M形，土樣頂部和底部位置處的硫酸根離子含量都減少，中間位置的硫酸根離子含量沒有變化。鹽脹是由硫酸鈉吸水結(jié)晶體積膨脹導(dǎo)致的，距土樣頂部15～30 cm范圍硫酸根離子含量最高，說明這個層位范圍鹽脹變形量最大。

4 結(jié)語

(1)在無上覆荷載的單向降溫條件下，土體的最大鹽脹率為0.96%，部分標(biāo)段路基不會發(fā)生鹽脹，甚至出現(xiàn)下沉。最大鹽脹率與路基填料不均勻系數(shù)之間存在正相關(guān)關(guān)系，在最大干密度相同的情況下，土樣最終鹽脹量在很大程度上取決于顆粒級配和硫酸根離子含量。

(2)在最不利工況下，由室內(nèi)溶陷試驗可知土樣的最大溶陷系數(shù)為0.012，部分標(biāo)段土樣是溶陷性鹽漬土。溶陷系數(shù)與氯離子含量之間存在正相關(guān)關(guān)系。K87+950標(biāo)段土樣最終溶陷量最大，為5.67 mm，最大變形率為4.7%，應(yīng)采用設(shè)置反壓護(hù)道或垂直防滲等措施，防止發(fā)生溶陷危害。

(3)現(xiàn)場溶陷試驗點(diǎn)路基的溶陷量和溶陷系數(shù)均較小，不具有溶陷特性，該路基填料粗顆粒含量相對較多，細(xì)顆粒含量少，浸水過程中，易溶鹽晶體溶解，不影響土體主要骨架結(jié)構(gòu)，不會發(fā)生較大的溶陷變形。注水量達(dá)到30 mm時，溶陷量可達(dá)到最終溶陷量的80%，極端降雨不會引起路基產(chǎn)生較大的溶陷變形。

(4)K87+950段路基變形量隨溫度變化呈現(xiàn)V形下降趨勢，在第2次凍融循環(huán)后，出現(xiàn)融沉，在第5次凍融循環(huán)周期時相對融沉值達(dá)到最大。7次凍融循環(huán)后硫酸根離子沿土樣高度呈現(xiàn)M形分布，土樣頂部含水率增大。土樣頂部15 cm范圍內(nèi)為溫度敏感區(qū)間，土樣頂部15～30 cm層位膨脹變形最大。在實(shí)際工程中，對于壓實(shí)度較低的路段，應(yīng)重視其融沉。