蒙内铁路膨胀土边坡入渗规律及防护效果

2018-03-16张雪东李晓霞沈宇鹏

铁道建筑 2018年2期

张雪东,李晓霞,沈宇鹏,张哲

(1.中交铁道设计研究总院有限公司，北京 100088；2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

肯尼亚蒙内铁路是东非铁路网的重要组成部分，采用中国标准修建,且穿越了大片的膨胀土区域。膨胀土具有遇水膨胀、失水收缩的特性，使得遇水失稳的膨胀土路堑边坡具有浅层性、渐进性和潜伏性[1]，将影响铁路路基工程建设质量和后期运营安全。由于当地独特的气候和自然条件，膨胀土边坡在降雨条件下的失稳机理与普通边坡也有所不同。

国内学者对膨胀土边坡的失稳机理作了大量的研究，认为降雨是膨胀土边坡失稳的主要诱因[2-5]。在降雨条件下边坡土体的含水率升高，基质吸力降低，从而导致土体的抗剪强度降低[6]。在降雨入渗条件下水对土体的含水率、孔隙水压力、应力状态、变形和物理状态影响显著[7]。在水分入渗过程中膨胀土中裂缝的变大，也加剧了边坡的失稳[8]。随着边坡膨胀土干湿循环次数的增加，边坡的安全系数会非线性减小，土体发生破坏的可能性也随之增大[9]。目前，多采用室内试验与数值模拟相结合的方法对膨胀土进行研究，但是现场试验与室内试验结果存在差异，而且国内关于蒙巴萨地区膨胀土边坡在降雨条件下失稳机理的研究几乎没有。除此之外，随着我国在非洲地区基础设施建设规模的扩大，也急需对该地区膨胀土在降雨条件下的失稳机理有所探究。

本文以蒙巴萨西站的天然膨胀土边坡为研究对象，开展人工降雨试验，研究土体温度、含水率、基质吸力及边坡法向变形的变化规律，并分析浆砌片石对降雨入渗的抑制效果，验证浆砌片石护坡的有效性。

1 工程条件

蒙内铁路连接肯尼亚首都内罗毕和东非第一大港—蒙巴萨港，是东非铁路网的起始段，全长472 km，设计输送能力 2 500万t，采用中国I级铁路标准。膨胀土地段主要位于DK1+600—DK20+700，为近海丘陵地貌，地形起伏较大；降雨集中在7—9月，具有持续时间短、雨量大等特点。

该段地层为第四系全新统海相沉积的淤泥、细砂，冲洪积粉质黏土，下伏侏罗系上统页岩，产状300°∠27°。根据该段线路黏性土、页岩的自由膨胀率试验以及沿线调查情况，该段黏土具有中等膨胀性；全风化页岩多具有弱膨胀性，部分路段具有中等膨胀性。该路段的膨胀土主要呈褐黄色，膨胀岩主要呈紫灰、褐红色，具分层结构。在自然状态下膨胀土(岩)呈坚硬或硬塑状态，裂隙发育。膨胀土的黏土矿物成分以伊利石、蒙脱石等亲水性矿物为主。

2 试验过程

2.1 边坡条件

边坡土体为强风化页岩，泥质结构，层状构造，呈土夹碎石状，局部夹中砂，呈褐黄色，中等膨胀性。坡角为60°，坡体表面有长约3～5 cm，深度约1～2 cm的裂缝，如图1所示。

图1 监测边坡裂缝情况

2.2 监测方法

对人工降雨的瞬时强度、累计降雨量，以及降雨过程及降雨结束后不同深度处的土体含水率、基质吸力，边坡法向的胀缩变形进行了监测。选取2个边坡，分别为天然裸露边坡和采用浆砌片石防护的边坡，二者直线距离约 1 000 m。因考虑砂浆初凝时间，在浆砌片石防护完成后的第3 d开始监测。由于天气原因，这2个边坡的试验时间前后间隔7 d。

采用MPS-6型土壤水势传感器、5-TM型水分传感器分别对土体基质吸力、含水率变化进行监测。这2种传感器分别布设在坡面中部沿法线方向10，20，30 cm 深度处。位移监测仪布设在坡体表面中部两侧，监测仪的磁力吸盘固定在边坡外侧金属平台上，按0.5次/s的频率记录边坡上的百分表指针随坡面法向变形而产生的伸缩量，实现对坡面法向变形的监测。ECRN-100型雨量筒布设在边坡表面中部中间位置，该雨量筒具有自动集水、排水功能，按0.5次/s的频率采集排水量，实现对现场瞬时降雨强度和累计降雨量的监测。

3 试验结果分析

3.1 降雨量

对无防护、有防护边坡的瞬时降雨强度和降雨量进行了监测，监测结果见图2。可知，这2个边坡的降雨时间一样长，均为150 min；累计降雨总量基本相同，约为120 mm；瞬时降雨强度均不超过2 mm/min，但在进行有防护边坡降雨试验时，瞬时降雨强度起伏较大，原因是试验当天风大，对雨量筒的监测干扰较大。总体上讲，人工降雨条件符合当地降雨时间短、雨量大等特点；2个边坡的累计降雨量基本相同，从而保证2个边坡具有相同的试验条件。

图2 边坡瞬时降雨强度和降雨量监测曲线

图3 边坡含水率变化曲线

3.2 含水率

无防护、有防护边坡在试验过程中的含水率变化曲线见图3。由图3(a)可知，10 cm深度处的初始含水率高于20 cm深度处，这是由于在试验开始前，有短时降雨且强度小，降雨入渗范围有限，使得浅层土体含水率较高；人工降雨初期，土体含水率稳定；随着降雨持续，土体中含水率开始增加，无防护边坡10 cm深度处含水率增加量大于20 cm深度处增加量。其原因是：①监测边坡主要以黏土为主，渗透系数低；入渗过程使得土体渗透系数逐渐增加，即水的入渗需要一定时间；②由于试验前，有短时降雨，土体初始含水率较大，人工降雨的入渗量极为有限，土体浅层含水率变化较大。由图3(b)可知，有防护边坡10 cm深度处的初始含水率低于20 cm深度处的初始含水率，这是由于浅层土体中水分蒸发作用强烈；随着降雨持续，土中含水率上升幅度较小。可见浆砌护坡对降雨入渗具有抑制效果。

3.3 基质吸力

无防护、有防护边坡在试验过程中的基质吸力变化曲线见图4。可知，无防护边坡10，20 cm深度处基质吸力均有大幅度降低，而30 cm深度处则保持稳定；有防护边坡10 cm深度处基质吸力有小幅度下降，而20，30 cm深度处则保持稳定。有防护边坡在降雨过程中只有浅层处的基质吸力有小幅下降，其原因是：有防护的边坡在降雨条件下，含水率较稳定，基质吸力变化不大。降雨对边坡土体具有一定的影响深度范围，在此深度范围内边坡含水率和基质吸力分别会有显著的上升和下降。经试验得出，在降雨总量为120 mm时，降雨对无防护边坡的影响深度约为25 cm，对浆砌片石防护后的边坡影响深度约为15 cm。

图4 边坡基质吸力变化曲线

综合分析图3、图4可知，2个监测边坡相同深度处初始含水率相差2倍以上，而基质吸力却较为接近。其原因是2个边坡距离较远，土体性质差异显著；未防护边坡黏土成分含量较高，土颗粒间的孔隙小，储水能力强；有防护边坡砂土成分含量较高，土颗粒间的孔隙大，储水能力弱，即在2个边坡土体基质吸力较为接近的情况下，黏土含量高的边坡含水率要显著高于砂土含量高的边坡。综上可知，蒙巴萨地区铁路沿线边坡土体成分不同，性质差异显著。

3.4 法向变形

图5 边坡表面法向变形监测曲线

无防护、有防护边坡在试验过程中的边坡法向变形监测曲线见图5。可知：①从降雨开始至100 min，4个变形监测点数据均出现负值变形。降雨初期，水分入渗，土体结构遭到破坏，边坡塌陷；无防护边坡土体结构的塌陷量大于有防护边坡。其原因是：无防护边坡的水分入渗量要大于有防护边坡，同时浆砌片石对边坡具有防护作用，对降雨入渗的抑制效果显著。②在 100 min时，无防护边坡开始出现较大的膨胀变形；有防护边坡的变形量则维持在0附近。其原因是：坡中土体含水率升高，土体被充分湿润而产生的膨胀变形。

由图3(a)、图4(a)、图5(a)可知，无防护边坡各深度处的基质吸力与含水率变化呈负相关，且二者变化速率最快的阶段重合。该现象与非饱和土典型土水特征曲线[7]规律相一致。由图3(b)、图4(b)、图5(b)可知，有防护边坡20 cm深度处的含水率和基质吸力维持稳定，10 cm深度处则分别有小幅度的增加和降低。可以认为只有少量的水分通过浆砌片石护坡的缝隙进入土体。

对比图3、图4、图5可知，在降雨入渗条件下基质吸力、含水率均经历3个阶段，即稳定-变化-再稳定。第1阶段：降雨初期，土体各深度处的含水率和基质吸力变化不大，这是由于膨胀土本身渗透性较小的缘故，土体结构在水分的润滑作用下，有微小塌陷。第2阶段：随着降雨持续，无防护边坡表面裂缝扩大，含水率上升，基质吸力下降；当含水率上升到变形的临界值时，土体体积膨胀。第3阶段：降雨停止，含水率和基质吸力不再变化，膨胀变形基本停止。

文献[10]表明：降雨入渗使土体饱和度和含水率增加，土体中基质吸力降低，负孔隙水压增加，土体的抗剪强度大幅度降低。在降雨入渗的第2阶段，无防护边坡各深度处含水率变化曲线的斜率比有防护边坡各深度处的斜率大；且无防护边坡的最大膨胀变形量为5 mm，有防护边坡几乎无膨胀变形。可见，浆砌片石护坡可以有效提高土体内部土水状态的稳定性，防护效果显著。