兰新高速铁路沿线盐渍土地基的溶陷特性

张建渊,胡海东,沈　鑫

(1.甘肃交通职业技术学院,甘肃 兰州　730070;2.中铁西北科学研究院,甘肃 兰州　730000;3.兰州交通大学,甘肃 兰州　730070)

盐渍土地基的溶陷是指在浸水状态下受荷载作用而产生的沉陷变形，主要由盐结晶颗粒的溶解以及潜蚀效应引起[1-2]。国内外对于盐渍土的溶陷特性已有大量研究。以前苏联科学家为代表的国外学者对盐渍土的溶陷变形规律、盐分溶解和扩散的基本特点、渗流性质及潜蚀问题进行了广泛的研究，对盐渍土的工程特性有了较为全面的认识[3-7]。国内，随着青藏铁路等西部盐渍土地区建设项目的实施，盐渍土对工程的影响开始得到重视[8]。近年来，我国科研人员针对盐渍土地基的溶陷问题开展了大量试验研究，对盐渍土溶陷特性的成因、影响因素及变形特点有了更加全面的认识[9-11]，并在盐渍土地区基础病害的产生机理、防治措施等方面取得了很多重要的成果[12]。现阶段，对于盐渍土溶陷特性的研究大多集中于普通建筑地基的变形控制及路用填料的可用性，对于盐渍土地区的铁路线路特别是高速铁路地基溶陷特性的研究较少。

高速铁路对轨道平顺性、路基沉降变形等有着严格要求。对于修建于在盐渍土地区的高速铁路，地基土在附加应力作用下遇水会发生溶陷变形，如若处理不当将严重影响线路的安全运营[13-14]。因此，基于高速铁路的变形控制要求，对沿线盐渍土地基的溶陷特性开展研究具有重要意义。

目前对盐渍土溶陷性的研究大多局限于室内模型试验。对于溶陷深度的确定方法、不同类型盐渍土的溶陷变形特点、溶陷状态下地基的承载力等问题的研究还不够系统、深入，尤其缺乏在盐渍土地区进行的大规模横向对比试验研究。

兰新高速铁路沿线经过大范围的盐渍土地区，在运营过程中出现了因盐渍土地基溶陷变形导致的线路病害问题。本文针对沿线不同类型盐渍土地基展开多组现场浸水载荷试验，在获得各类盐渍土地基溶陷量及地基承载力参数的同时，进一步对溶陷深度的确定方法，颗粒大小、含盐量、石膏层等对盐渍土溶陷特性的影响展开讨论，为盐渍土地区高速铁路的设计、施工提供参考。

1　试验概况

根据地质勘查资料并考虑不同地层的结构差异，结合现场实际情况，共选取11处具有代表性地层进行现场浸水载荷试验，本文选取其中8个点位进行分析，各点位盐渍土的类型及含盐量见表1。

依据GB/T 50942—2014《盐渍土地区建筑技术规范》[15]的要求，取加载板为圆形刚性板，直径为0.6 m，水槽深30 cm，试坑直径2 m。试坑内分别在附加荷载作用区、无附加荷载作用区布置沉降观测点，如图1所示。其中，1#—4#观测点布置于加载板边缘，用于测试地层的总溶陷量；5#—8#观测点分别布置于距试坑中轴线0.4 m的不同土层深度处，自距试坑底部1 m处地层开始埋设，间距1 m；9#—12#观测点布置于无附加荷载的试坑底部表层土体，用于测试土层是否具有自重溶陷性。

表1　各试验点盐渍土类型及含盐量

图1　观测点布置

按规范要求加载阶段分为10级进行，自20 kPa开始至200 kPa结束，每级加载增量20 kPa。待加载变形稳定后(每小时变形量<0.01 mm)进行注水并保持30 cm 水头高度，获得不同土层的最终溶陷量。进而进行地基承载力试验，加载增量为20 kPa，加截至400 kPa或地基破坏为止。

2　试验结果分析

2.1　溶陷深度的确定

实际试验中总溶陷量易于获取。对于地基的溶陷深度的确定目前尚无成熟的方法，通常粗略地将浸水深度作为最大溶陷深度，造成试验误差过大，不利于对地基的溶陷特性作出准确判断。按GB/T 50942—2014的要求，依据浸水状态下事先埋设在不同土层深度的沉降标获得稳定状态下各土层的溶陷量。按盐渍土类型不同分别选取粗颗粒砂砾类盐渍土(K82+851)、细颗粒黏性土(K140+500)、含石膏层盐渍土(K46+020)试验点进行溶陷深度的讨论。将事先埋设于不同土层深度处沉降标的位移进行拟合，可确定试验地层的零位移点(即溶陷深度)。上述3个点位不同深度地层的位移拟合曲线如图2所示。各试验点浸水深度及溶陷深度见表2，可知长期浸水条件下现场实测浸水深度为7～15 m。

图2　各点位地层溶陷变形拟合曲线

不同类型盐渍土的渗透系数存在差异。由图2可知，盐渍土的溶陷变形主要发生在中浅层土体。通过对试验点不同深度处土层溶陷数据的拟合确定的溶陷深度为4～6 m，远小于浸水深度。若粗略地采用浸水深度作为溶陷深度进行溶陷系数的计算，将使得结果偏小，降低工程的安全系数。

表2　各试验点浸水深度及溶陷深度

在等值附加荷载作用下，不同类型盐渍土地基荷载作用深度的主要影响因素为地基刚度。地基刚度越大，荷载作用范围越深。对于粗颗粒盐渍土地基，荷载主要由大粒径土石颗粒及结晶盐与土粒的胶结颗粒承担。随着盐渍土粒组由粗颗粒向细颗粒转变，地基的刚度逐渐减小，地基溶陷深度呈现出逐渐减小的趋势。对于含石膏层盐渍土地基，石膏遇水软化导致地基刚度降低，地应力的传递受阻，导致含石膏层盐渍土地基的溶陷深度小于同粒组不含石膏层盐渍土。

2.2　粗颗粒盐渍土溶陷性及地基承载力分析

粗颗粒试验点地基沉降量时程曲线见图3。可知：3组粗粒盐渍土试验点的加载稳定时长为18～24 h，且最终的稳定沉降量呈现出随颗粒骨架的增大而减小的趋势。在浸水阶段的初期，各试验点沉降量时程曲线均出现台阶式的溶陷变形，但随浸水时长的增加不同类型试验点的总溶陷量差异较大，K76+987点位卵砾石盐渍土的颗粒骨架效应明显，最终溶陷量仅为1.31 mm；K82+851砂砾类盐渍土地基的溶陷变形速率在台阶式溶陷变形后迅速降低，最终溶陷变形量为3.52 mm；K4+050砂土类盐渍土试验点有着较为明显的溶陷变形，在整个浸水加载阶段，溶陷速率基本维持一致，最终溶陷变形量为15.86 mm。总溶陷量呈现出沙土类粗粒盐渍土>砂砾类盐渍土>卵砾石粗粒盐渍土的变化规律。

图3　粗颗粒试验点地基沉降量时程曲线

不同类型粗粒盐渍土溶陷系数及承载力见表3。可知，溶陷系数在2.6×10-4～3.4×10-3的范围内。依GB/T 50942—2014判定其均不具有溶陷性，说明对粗颗粒盐渍土在一定颗粒级配条件下不具有溶陷性可能具有共性。

表3　不同类型粗粒盐渍土溶陷系数及承载力

注：受试验条件限制并考虑路基实际荷载施加情况，现场溶陷试验最大加载值400 kPa。

由表3可知，砂土类盐渍土、砂砾类盐渍土、卵砾石粒盐渍土的极限承载力分别为260,>350,>400 kPa，总体上，粗颗粒盐渍土地基极限承载力和承载力特征值随着土体平均粒径的增加呈现出增大趋势。这是因为地基中承担荷载的主要是由结晶盐及其他不同粒径土颗粒胶结而成的大颗粒骨架结构承担，土体中大粒径颗粒含量越多，所起的骨架作用越明显。一般来说，土体骨架颗粒越大地层密实度越高，浸水过程中充填在土体孔隙中的易溶盐晶体的溶解及骨架颗粒的破碎对地基土强度的削弱效果越不明显，使得粗颗粒盐渍土地基的溶陷量整体偏小，且地基承载力相对较大。

2.3　细颗粒盐渍土溶陷性及地基承载力分析

细颗粒试验点地基沉降量时程曲线见图4。可知：与粗颗粒盐渍土地基相比，细颗粒盐渍土地基的加载稳定时长、总溶陷量及溶陷系数均明显增大，整体呈现出土粒粒径越小溶陷越明显的趋势。K102+000点位处于当地农田，为黏性土类细粒盐渍土，长期耕植灌溉条件下水盐迁移通道相对通畅，在整个浸水加载过程中，溶陷变形速率趋于平稳，最终溶陷量为22.52 mm。同为黏性土类细粒盐渍土的K140+500试验点在浸水加载阶段的中后期再次出现明显的台阶式变形。这是因为黏性土的渗透性较差，在试验初期发生溶陷变形的为浅表层土体，在长期浸水条件下处于附加荷载作用范围内的深层土体的水盐通道被打开，溶陷变形再次发展。

图4　细颗粒试验点地基沉降量时程曲线

不同类型细粒盐渍土溶陷系数及承载力见表4。可知，对于浸水状态下的地基承载力，细颗粒盐渍土地基的极限承载力和地基承载力特征值明显小于粗颗粒盐渍土。这是由于细颗粒盐渍土地基中，承担荷载的大粒径胶结颗粒的含量较少，加载过程中易溶盐结晶在一定程度上起到了较为重要的骨架颗粒作用。在长期浸水加载条件下，土体中的易溶盐结晶溶解，致使土体强度降低，变形增大。同时，渗透作用导致的潜蚀效应使得表层土体孔隙率进一步增大，透水性增强，在附加荷载作用下盐渍土地基的溶陷变形进一步发展。

表4　不同类型细粒盐渍土溶陷系数及承载力

同属于黏性土类细粒盐渍土的K102+000试验点，位于当地农田，经易溶盐含量测试明显低于K140+500点位盐渍土的含盐量。由于地层含盐量不同，导致其总溶陷量与溶陷系数相差较大，K102+000与K140+500试验点总溶陷量分别为32.21，45.52 mm，溶陷系数分别为 0.007 3，0.012 0，表明对于细颗粒盐渍土，易溶盐含量是影响盐渍土地基溶陷变形的重要因素。

2.4　含石膏层盐渍土溶陷性及地基承载力分析

K79+200及K46+000点位为含石膏层粗颗粒盐渍土，含石膏层试验点地基沉降量时程曲线见图5。不同类型含石膏盐渍土溶陷系数及承载力见表5。由图5、表5可知：含石膏层盐渍土的总溶陷量为72.44～87.75 mm，溶陷系数为0.015～0.020，与级配相似且不含石膏的粗颗粒盐渍土相比，溶陷量及溶陷系数均大幅度提高。总溶陷量呈现出石膏富集层及卵砾粗粒盐渍土>含石膏砂土类盐渍土的变化规律。这是因为含石膏层及卵砾石类粗颗粒盐渍土的地基刚度大于含石膏砂土类盐渍土，在附加荷载作用下卵砾类盐渍土地基中的荷载传递范围更深，在一定程度上导致了溶陷量的增大。由于石膏具有遇水软化的特性，在浸水阶段的初期，石膏层在附加荷载作用下迅速压溃，导致地基出现明显的溃缩变形。这可作为验证地基含石膏层的标志之一。

土体类型极限承载力/kPa承载力特征值/kPa溶陷系数石膏富集层卵砾石类盐渍土2401200015含石膏砂土类盐渍土2201100020

由表5可见，含石膏层粗颗粒盐渍土地基的极限承载力及承载力特征值，较不含石膏且级配相似的粗颗粒盐渍土地基有较大幅度的减小。这是由于石膏层在浸水状态下软化崩塌导致地基的刚度降低、承载力下降，在附加荷载作用下较早地出现地基整体压溃破坏。

3　结论

基于颗粒级配特点、含盐量的差异及地层构造特点，将盐渍土地基归纳为3类：粗颗粒盐渍土地基、细颗粒盐渍土地基及含石膏层盐渍土地基。通过现场浸水荷载试验得出以下结论：

1)粗颗粒盐渍土地基的溶陷量及溶陷系数相对较小，可认为粗颗粒盐渍土在一定颗粒级配条件下不具有溶陷性。

2)与粗颗粒盐渍土相比，细颗粒盐渍土的总溶陷量及溶陷系数均显著增加，部分点位可判定为弱溶陷性。黏性土盐渍土地基随着浸水时长的增加，水盐通道逐渐打开，在附加荷载作用范围的土层会出现二次溶陷效应，在工程建设中应当引起充分重视。

3)含石膏层粗颗粒盐渍土受石膏遇水软化影响，在附加荷载作用下会出现溃缩式的变形，导致地基的整体溶陷量及溶陷系数均大幅增加。通过对各类盐渍土地基溶陷量的横向比较，呈现出含石膏层盐渍土>细颗粒盐渍土>粗颗粒盐渍土的变化规律。

4)土体粒径、易溶盐含量及是否含有石膏层是盐渍土地基溶陷性的重要影响因素。构成土体的粒径越大，骨架效应越明显，地基的溶陷现象越弱承载力越高。

5)粗颗粒盐渍土地基的极限承载力在260～400 kPa，细颗粒盐渍土地基的极限承载力在140～150 kPa。受石膏层影响，含石膏层盐渍土地基承载力显著降低，相较于同类型不含石膏层盐渍渍土降低20%以上。

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