合蚌客运专线膨胀土路基设计

于荣喜

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

合蚌客运专线是京福高速铁路的重要组成部分，同时也是京沪高速铁路与合武客运专线间的快速连通线，正线全长129.861 km，其中正线路基总长42.11 km，约占正线总长的32.9%，设计时速350 km，采用CRTSⅡ型板式无砟轨道;项目位于安徽省中部，为淮河平原与沿江平原之间的江淮岗地丘陵区，沿线广泛分布第四系上更新统黏土，褐黄色，硬塑，自由膨胀率为5% ～74%，蒙脱石含量为17% ～36%，阳离子交换量为240～390 mmol/kg，具有弱～中膨胀性。

1 合蚌客运专线沿线膨胀土的工程地质特征

1.1 地层岩性

合蚌客运专线膨胀土分布于沿线经过之江淮波状平原区，微地貌形态为一、二级阶地及岗地，分布高程多介于20～66 m。地层岩性:上部为棕黄色黏土、粉质黏土，硬塑，含铁、锰薄膜，并多含铁锰质结核层，该层柱状裂隙较发育，节理面光滑，裂隙在干燥条件下为开启状，并多见有擦痕，裂隙中充填灰白、灰绿色黏土条带或薄膜，厚度1～3 m;中部为棕黄及土黄色黏土、粉质黏土，含铁、锰质结核，硬塑，柱状裂隙发育一般，裂隙多呈闭合状，裂隙面光滑，厚3～5 m;下部为棕红色黏土，含灰白色铝质条带，硬塑，柱状节理不发育，厚5～25 m。

1.2 大气影响深度

大气影响深度是自然气候作用下，由降水、蒸发、地温等因素引起土体胀缩变形的有效深度。依据安徽地区多年蒸发量与降雨量等气象资料的统计值，以及在高速公路取样试验研究的成果，本工程区域的湿度系数ψw=0.868。按《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112—87)［1］表3.2.5确定的相应的大气影响深度为3.20 m，大气影响急剧层深度为1.44 m。本次研究主要为大气影响深度及取土场开挖深度范围内的膨胀土。

1.3 膨胀土主要物理力学指标

主要物理力学统计指标详见表1，从统计数据看，自由膨胀率多介于40% ～60%，单指标判定以弱膨胀土为主，而蒙脱石含量多介于17% ～33%，单指标判定以中等膨胀土为主，阳离子交换量多介于200～400 mmol/kg，单指标判定多为弱膨胀土及中等膨胀土，各指标频次分布详见图1～图3，按照《铁路工程特殊岩土勘察规程》(TB10038—2012)［2］表 5.5.2-3 的综合判定(当土质符合任意2项以上指标时即判定为该等级)，判定结果详见图4，从统计分析，本线膨胀土属弱～中等膨胀土，仅个别土样具强膨胀潜势，其液限一般大于39%，其他指标如膨胀力在11～39 kPa，无荷膨胀率在0.3% ～9.1%，平均4.1%左右，25 kPa荷载下的膨胀率在0.1% ～1.9%，50 kPa荷载下的膨胀率在0.1% ～1.1%，收缩系数在0.17～0.36。

表1 膨胀土的常规物理力学指标统计

图1 自由膨胀率频次分布

图2 蒙脱石含量频次分布

图3 阳离子交换量频次分布图图

图4 按铁路规范膨胀土潜势判定结果

2 高速铁路膨胀土路基设计难点

合蚌客运专线设计时速350 km，采用无砟轨道，对路基变形要求极其严格，而沿线广泛分布的膨胀土，稳定性差，受气候影响大，对路基危害大，本工程的设计难度主要体现在以下几个方面。

(1)膨胀土受气候影响大，遇水膨胀、崩解，失水急剧收缩开裂，对路基影响大。

(2)膨胀土在高速列车动荷载及水的影响下，容易破坏失稳。

(3)线路附近缺乏优质填料，根据经济技术比较，采用改良土填筑，而对膨胀土的改良利用是本项目设计的难点。

(4)高速无砟轨道线路对路基变形要求严格，如何进行地基处理，控制路基变形是本项目设计的难点。

3 高速铁路膨胀土路基设计措施

为避免合蚌客运专线沿线广泛分布的膨胀土对高速铁路产生影响，采用以下措施对膨胀土进行处理，以满足高速铁路路基的沉降与稳定的要求。

3.1 路堤基底处理

由于膨胀土在大气降水的影响下具有吸水膨胀、软化、崩解和失水急剧收缩开裂的性质，为了保证路基基底的稳定性，对膨胀土地段路堤基底挖除换填0.5 m改良土，作为膨胀土与路堤之间的隔离层，减少膨胀土的大气影响深度，减少基底膨胀土对路基的影响;换填设计如图5所示。

图5 路堤基底换填(单位:m)

3.2 路基基床处理

基床是受列车动荷载影响最大的部分，其稳定性及强度直接影响高速铁路运营的安全及舒适性，高速铁路对路基基床的要求非常高，特别是对路堑及低填浅挖路基，其基床位于膨胀土中，受气候变化影响很大，需要对路基基床进行特殊处理。针对本线广泛分布的膨胀土，设计时采用不同于一般铁路路堑形式的路堤式路堑形式，将路基基床部分的膨胀土，全部挖除换填A、B组填料或改良土，保证路基基床不受膨胀土影响，同时将侧沟设置于路基基床以下，及时引排基床积水，减少地表、地下水对基床的影响，保证路基基床不受膨胀土影响。路堤式路堑设计如图6所示。

图6 路堤式路堑设计(单位:m)

3.3 膨胀土边坡防护

膨胀土地区路堑边坡由于直接与大气接触，其受气候影响较大，新开挖边坡在降水影响下容易崩解，造成边坡溜坍、滑坡等路基病害。本次设计时边坡坡率采用放缓一级处理，一般采用1∶1.75～1∶2，路堑边坡采用加厚型拱形截水骨架护坡(主骨架厚0.8 m)，骨架内种植灌木、草籽，坡底留3 m平台的综合治理措施。

3.4 膨胀土填料改良

由于本线大部处于江淮平原区，线路附近缺乏优质填料，如路基填料全部采用远运，工程投资巨大，所以本线除窑河以北剥蚀丘陵区及部分路基基床填料采用外运A、B组填料外，其余路基均采用改良土填筑，改良土的设计及施工是本工程的重点也是难点。

根据合蚌客运专线沿线填料需求，全线设置6个取土场，取土场填料物理性质及膨胀性指标见表2。

表2 取土场填料物理性质及膨胀性指标

从表2中可以看出，全线取土场的土源均具有弱～中等膨胀性，必须经过改良后才能用于路堤填筑。从塑性指数指标来看，全线土源用土绝大部分为黏土和少量粉质黏土。从含水量来看，取土场的含水量普遍偏高。

目前处理膨胀土的方法主要是化学改性，如掺石灰、水泥、粉煤灰、氯化纳、氯化钙、沥青、合成固化剂、合成树脂和磷酸等，使之与土壤发生一定的物理化学反应，以改变原土的物理力学性质来稳定膨胀土。综合分析各种改良方法及安徽中部已实施工程的成果及经验教训，考虑到石灰在改良高塑性黏土所具有的优势以及合蚌客运专线沿线被改良土质的特性、料源、施工设备等各种条件，合蚌客运专线在前期勘察过程中对各个取土场土源均进行了室内改良试验，选用的改良剂主要为石灰，掺灰比分别为5%、6%、7%、8%，取得浸水72 h崩解性、7 d浸水无侧限抗压强度、自由膨胀率、无荷膨胀率、有荷膨胀率(50 kPa)、收缩系数、胀缩总率、重型击实试验、阳离子交换量、蒙脱石含量等各项指标，在滨湖取土场还进行掺水泥改良实验;代表性取土场室内实验结果如表3、表4所示。

表3 罗南取土场填料掺灰实验

表4 湖滨取土场填料掺灰实验

按公路建设经验，掺石灰的最佳配比，以处理后胀缩总率不超过0.7%为宜(《公路路基设计规范》［3］7.8.2条)。铁路建设中各项目也提出了石灰改良处理的控制指标，根据合宁线肥东试验段研究结果［4］，提出的控制指标为无荷膨胀率＜1%，50 kPa荷载下有荷膨胀率＜0;浸水48 h无明显崩解，根据《高速铁路设计规范》［5］(试行)中表 6.3.3、表 6.4.1，基床底层改良土填料现场7 d龄期浸水无侧限强度要求≥350 kPa，基床以下路堤本体改良土填料场7 d龄期浸水无侧限强度要求≥250 kPa。

试验结果表明，随着石灰含量的增加，胀缩总率呈反向下降趋势，最大均不超过0.7%，一般介于0.3%～0.6%，无荷膨胀率一般介于0～0.4%(最大值也仅为0.7%，小于1%的控制值)，有荷膨胀率(50 kPa)介于0.05% ～0.16%(可通过掺石灰含量控制在0.05%至近0)，7 d浸水无侧限抗压强度最小618 kPa、平均值在997～1 077 kPa，也远大于《高速铁路设计规范》［5］(试行)中表 6.3.3、表 6.4.1 的要求;从石灰改良后膨胀土判定的三项指标看，经过石灰改良后均已变为非膨胀土，可满足设计要求。但不同取土场膨胀土土性不同，掺灰比例与改良效果并不是所有指标均呈正向波动，故本项目建议掺灰比为5% ～8%，在满足设计要求的各项控制指标时，可根据各取土场具体取样试验结果确定经济合理的掺灰比，为保证路基基床改良土的改良效果，要求基床底层改良土采用场拌法施工，基床底层以下改良土采用路拌法施工。

滨湖取土场掺水泥改良土试验结果表明:除浸水72 h崩解性及7 d无侧限抗压强度指标(达1 230～1 299 kPa，较石灰改良略大)外，其他与膨胀性相关的指标改良效果均较石灰改良差，水泥改良后胀缩总率介于1.7% ～2.5%，自由膨胀率改良后下降15% ～30%(原状土自由膨胀率59%，改良后下降为38% ～50%)，但仍属弱膨胀土，说明水泥改良对本项目膨胀土的抗压强度和水稳性效果明显，但对各膨胀性指标改良效果不明显，证明掺水泥不是膨胀土改性处理的有效方法。

从合蚌客运专线后续施工情况看，取土场所取膨胀土，在掺石灰改良后填筑，路基各部分压实标准均能达到规范要求，掺灰后膨胀土的膨胀性基本消除，改良土无侧限抗压强度均能达到规范要求。

3.5 地基处理

无砟轨道对路基变形要求较高，在合蚌客运专线施工工期相对紧张的情况下，需要按照近似零沉降的理念进行设计;合蚌客运专线路基沿线的覆盖土层较厚(5～40 m)，主要土层为第四系全新统、上更新统黏土，多具有弱～中膨胀性，该土层直立性强，成孔质量好;按照无砟轨道路基的沉降要求，对全线铺设无砟轨道的所有土质地基均进行了沉降分析。根据分析结果，结合土层情况，选择长螺旋CFG桩作为合蚌客运专线地基处理的主要处理桩型，CFG桩是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的混凝土桩，具有承载力提高幅度大、地基变形小、投资相对较低等特点，其成桩质量与长螺旋成孔质量息息相关，在成孔好的地层中，CFG桩甚至可以达到刚性桩的处理效果;从现场施工情况及检测结果看，CFG桩成桩效果很好，很少出现断桩、缩径等现象，地基处理后路基变形很小，满足路基铺设无砟轨道的要求，CFG桩设计图如图7所示。

图7 CFG桩设计(单位:m)

4 结语

安徽省中部是我国膨胀土分布比较典型的区域，目前国内设计时速350 km无砟轨道高速铁路路基中大范围通过膨胀土地区并大面积采用膨胀土改良土作为填料的较少，合蚌客运专线路基通过采取膨胀土改良、基底封闭、基床换填、加强防护、地基处理等综合措施对膨胀土路基进行处理，在参建各方的共同努力下，圆满地完成了合蚌客运专线膨胀土路基的建设任务。目前合蚌客运专线已开通运营一年，路基已经过了至少两个雨季的考验，通过施工期间的监测，验收、联调联试的检查及开通运营后的检验，合蚌客运专线路基稳定，变形小，未发现由于膨胀土引起的路基病害，线路运营舒适性好，膨胀土路基处理措施得当，效果良好，可以为后续膨胀土地区的高速铁路设计提供参考。

［1］ 建设部.GBJ112—87 膨胀土地区建筑技术规范［S］.北京:中国计划出版社，1988.

［2］ 铁道部.TB10038—2012 铁路工程特殊岩土勘察规程［S］.北京:中国铁道出版社，2012.

［3］ 交通部.JTG D30—2004 公路路基设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］ 长江三角洲城际铁路公司筹备组，中铁三局，铁四院，等.合宁线膨胀土路基土质改良措施及填筑工艺试验阶段性研究报告［R］.上海:长江三角洲城际铁路公司筹备组，2005.

［5］ 铁道部.TB10020—2009 高速铁路设计规范(试行)［S］.北京:中国铁道出版社，2010.

［6］ 刘晓义，杨有海.石灰改良膨胀土填料试验研究［J］.铁道标准设计，2012(1):20-22.