襄阳地区膨胀土胀缩变形分析与加固措施设计

沈 磊 赵德文

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

膨胀土在我国多个省市均有分布，是一类具有多裂隙性、胀缩性和超固结性的黏土，给铁路建设带来相当大的危害[1-2]。从以往常规铁路的工程实践来看，铁路膨胀土地区既有线的路基完好率仅为25%，基床翻浆冒泥、路肩鼓胀、路堑侧沟壁挤出等是其引起的常见病害。对于无砟轨道高速铁路，目前常见的问题和现象为：路基隆起变形影响无砟轨道的几何状态，并具有局部性、随机性等特点[3]。以下分析膨胀土地基的变形特性，并给出加固措施建议[4]。

1 气象条件

研究区域地处亚热带季风区，气候温和多雨，冬季(12月～次年2月)寒冷少雨，春季(3～5月)多阴雨，雨量不大；初夏(6～7月上旬)雨量集中，易发生洪水；盛夏(7～8月)高温炎热，伏旱频繁，时有特大暴雨发生；秋季(9～11月)气候凉爽。多年平均降雨量约为910 mm。一般情况下，冬季雨量约占年总量的10%，春秋季雨量约占年总量的40%，夏季雨量约占年总量的50%。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

襄阳地区地貌以汉江为界，两侧差异较大。汉江以东为南襄盆地(南阳盆地)西南部的汉江冲积平原区，地形平坦开阔，与丘陵相接地段地形略有起伏，多呈垄岗状，侵蚀风化严重，冲沟发育；铁路工程以路堤填方、桥涵工程为主，路堑挖方地段较少，无隧道工程。汉江以西呈垄岗间丘陵地貌，其中岘山-隆中、庙滩镇、谷城县城附近主要为汉江阶地，其余地段属丘陵地带，地势总体呈起伏状，深挖方、短隧道工程较为普遍。

2.2 地层岩性及地质构造

线路基本上在垄岗阶地行进，垄岗表层为第四系中、上更新统网纹黏土，粉质黏土，黏土，局部夹有钙质结核，下部为砂砾石层或黏性土充填的砾石层，黏性土层具弱-中膨胀性，一般以硬塑-半干硬为主。坳谷表层局部分布有软塑-可塑的松软土，厚度一般为3～6 m。下伏地层以汉江为界，汉江以东以白垩系泥质砂岩、泥岩为主，汉江以西主要为志留系粉砂岩、页岩。

襄阳地区属南襄盆地南缘，覆盖层较厚，沿线地质构造多以隐伏构造为主，地面出露较少，对工程影响较小。

2.3 水文地质条件

襄阳地区垄岗及高阶地覆盖层呈典型的二元结构，黏性土层厚5～20 m，下部砂砾石层往汉江方向逐渐增厚(最厚处超过40 m)。地下水水位随含水层的埋深变化较大，一般属于孔隙潜水，少数略具承压性。汉江一级阶地的深厚砂砾石层为良好的含水层，水量丰富，透水性好，水质较好，受大气降水和地表径流补给。

3 襄阳地区膨胀土特性

襄阳地区膨胀土以Q2、Q3黏性土地层为主，为本线最具代表性的标志性地层之一，广泛分布于垄岗及河流阶地上，呈棕黄、棕红、棕褐色、砖红色、褐黄色，外表呈网纹、蠕虫状，垄岗以硬塑-坚硬为主，坳谷多为可塑。第四系覆盖层一般厚10～20 m，往南襄盆地方向厚度趋增，在襄阳附近达到最大(钻孔80 m尚未揭示完全)。

膨胀性判定主要依据《铁路工程特殊岩土勘察规程》[5]。线路通过地区的膨胀土路基工点取样化验结果显示：该段线路膨胀土的自由膨胀率一般大于40%，蒙脱石含量为25%左右，阳离子交换量一般为240～355 mmol/kg，膨胀潜势级别以中等膨胀性为主；个别地段膨胀土的自由膨胀率达到80%左右，蒙脱石含量40%左右，阳离子交换量大于360 mmol/kg，属强膨胀土。结合路基工点划分情况，中-弱膨胀土工点约占46%，中膨胀土工点约占53%，强膨胀土工点不到1%(如表1)。

表1 襄阳地区膨胀土主要物理及膨胀性指标

4 膨胀土胀缩机理

根据其成因，膨胀土地基变形可分为饱水膨胀变形和失水收缩变形，总称膨胀土的胀缩变形。根据《膨胀土地区建筑技术规范》，膨胀土变形计算可分为3种情况(即Se、Ss、Ses)[6]，对于天然状态下的某种特定膨胀土，其最高含水量对应其最大体积，其最小含水量对应其最大收缩量。从最小体积至最大体积的往复变形中，其最大变形量为一定值C，即

max(Se)=max(Ss)=max(Ses)=C

以上膨胀-收缩过程随水文年自由循环(如图1)。

图1 天然状态下地表膨胀-收缩曲线

随着含水率的增长，膨胀率缓慢增大，当含水率达到一定程度后，膨胀率急剧增大；初始含水率越小，膨胀程度越严重[7]。

在外部荷载一定的条件下，膨胀进程受到外部荷载限制，整个膨胀-收缩变形在达到最小含水率时完成最大收缩变形，其膨胀-收缩过程的最大变形量为加荷状态下的膨胀变形量，并以此为振幅往复振荡，但并非完全可逆[8](如图2)。

图2 加载状态下地表膨胀-收缩曲线

Hs——最大含水量(最大膨胀变形)对应的地面高程；

He——最小含水率(最大收缩变形)对应的地面高程；

Wmax——最大含水量；

Wmin——最小含水量；

Sep——加载状态下的最大膨胀量。

5 膨胀土膨胀性判定及计算依据

根据研究对象的实际建设情况以及安全等级，依据《膨胀土地区建筑技术规范》计算预测膨胀地基变形量[5-6]。

Se=ψe∑δepi·hi

(1)

∑hi=da-d

其中ψe——经验系数，根据规范取值0.6；

δep——自重应力与附加应力之和作用下的膨胀率(本线为I型双块式无砟轨道，轨道与列车均布总荷载为50.5 kPa，采用室内在50 kPa荷载下所得到的膨胀率最大值)；

h——基础底面至大气影响深度底面的计算厚度；

da——大气影响深度，与区域水文、气象条件有关；

d——基础埋深。

对于某一特定区域，在特定载荷作用下，经验系数(ψe)、大气影响深度(da)以及膨胀率(δep)皆为定值。因此，膨胀变形量的大小取决于基础埋深。根据取样试验，在50 kPa荷载条件下，试样中膨胀土的最大膨胀率为0.28%；根据襄阳地区气象资料(月蒸发量及降水量数据)，计算得到襄阳地区大气影响深度约为3.43 m。与南阳地区对比，该值代表性较高[9]。因此，本地区的膨胀土最大膨胀量可表述为

Se=0.6×0.0028×(3.43-d)=1.68(3.43-d)

(2)

按照《高速铁路设计规范》，无砟轨道路基基床由基床表层和基床底层组成，结构总厚度为2.7 m[4]。根据路基的填筑形式，可分以下情况进行讨论。

①路堤填高大于2.7 m，路基作为轨道基础完全置于地表，d值为0，采用γH法，地基上附加应力最小值(填高为2.7 m时)相当于室内有荷膨胀率试验采用的100 kPa荷载条件。根据室内侧限条件下的有荷膨胀率试验结果，其有荷膨胀率为0，根据公式(1)计算，膨胀土地基不会产生膨胀变形；实际工程中，多采用地基加固以控制其工后沉降满足规范要求。

②低填浅挖(填高或挖深不大于2.7 m)路段，路基设计为复合结构形式[10]，即路堤式路堑。根据地基土膨胀潜势，断面设计采用小堤式路堑或大堤式路堑。当采用小堤式路堑时，应将开挖后路堑的侧沟底面作为新的大气水文交换面(如图3)。

图3 弱-中膨胀土路堑和低矮路基膨胀量计算示意(单位：m)

根据公式(2)，d=2.3-0.7=1.6 m

Se=1.68×(3.43-1.6)=3.07 mm

因此，在未进行地基处理时，膨胀土小堤式路堑最大膨胀变形量为3.07 mm。

在强膨胀土地段，当低矮路堤或路堑设计为大堤式路堑形式时(如图4)，根据公式(2)，有

d=0 m，Se=1.68×(3.43-0)=5.76 mm

因此，在未进行地基处理时，膨胀土大堤式路堑可以产生的最大膨胀变形量为5.76 mm。

图4 强膨胀土路堑和低矮路基膨胀量计算示意(单位：m)

6 膨胀土地基处理设计

6.1 一般路堤(填高2.7 m以上)

襄阳地区垄岗及坳谷地带的覆盖层表层多分布有软塑-可塑粉质黏土，下部含粉、细砂等透镜体，设计时，应按松软土路基进行地基加固处理。对膨胀土地基进行复合地基加固设计时，宜结合膨胀土具体发育特征，计算中考虑其超固结性[11]，采用挖除换填或复合地基加固[12]。当松软土(膨胀土)层厚度小于3 m时，宜采用挖除换填A、B组填料的措施(如图5)。

图5 膨胀土层厚度≤3 m采用挖除换填处理(单位：m)

当松软土(膨胀土)层厚度大于3 m时，一般采用CFG桩加固，桩底应穿透松软土地层并置于基岩或砂砾石层之中，设计最小桩长为4 m(如图6)。

图6 膨胀土层厚度>3 m采用复合地基处理(单位：m)

6.2 路堑及低矮路基(填高≤2.7 m)

路基基床总厚度为2.7 m。其中，基床表层采用级配碎石，厚0.4 m；基床底层采用A、B组填料填筑，厚2.3 m。基床范围内挖除膨胀土，基床底层与下部膨胀土之间采用“中粗砂+复合土工膜”隔离，厚0.1 m；并根据地基土膨胀潜势，采用小堤式路堑或大堤式路堑进行横断面设计。

对于挖深大于2.7 m的膨胀土路堑，亦可采用复合结构形式，针对不同膨胀潜势的地基及路基横断面，采用大堤式路堑或小堤式路堑形式，基底以下除防水保湿措施外，一般不需进行地基加固处理(如图7、图8)。

图7 深挖方路基基底防排水措施(小堤式路堑)(单位：m)

图8 深挖方路基基底防排水措施(大堤式路堑)(单位：m)

对于挖深不大于2.7 m的膨胀土路堑或低矮路基，当膨胀土层厚度小于3 m时，可挖除换填A、B组填料；膨胀土层厚度大于3 m时，一般采用CFG桩筏结构加固，桩长根据检算确定，设计最小桩长为4 m(如图9、图10)。

图9 浅挖方和低矮路基地基加固处理(小堤式路堑)(单位：m)

图10 浅挖方和低矮路基地基加固处理(大堤式路堑)(单位：m)

同理，对于基床底面以下，可采用挖除换填或复合地基加固的膨胀土路堑和低矮路基，无需考虑地基膨胀变形。

6.3 膨胀土地基防排水措施

温湿度变化是引起膨胀土地基工程性质变化以致发生各种基床病害的根本原因，设计过程中必须重视膨胀土地基的防水保湿工作。

(1)应控制大气降水直接入渗浸润基床及地基土。基床表面、路堑侧沟内外侧平台均采用混凝土封闭，并将其表面设计为不小于4%的排水坡度，将降水收集入排水系统；低填浅挖路基、路堑采用复合结构设计形式，可有效地降低或消除水对基床部位的侵害[10]。

(2)在路堑地段，于基床底层底面铺设“中粗砂+复合土工膜”，用以隔离下部地基膨胀土，并通过人字坡将地表和地下渗水引排至基床底部两侧纵向渗排水网管(地下水较丰富时采用排水盲沟，如图7)或侧沟(如图8)，以确保基床以下地层的含水量保持在稳定状态。

7 结束语

以襄阳地区某在建高速铁路工程为例，采用大气影响深度法对该地区膨胀土的膨胀性进行研究，通过计算得出不同路基设计形式膨胀土地基的膨胀量，对不同厚度膨胀土地基采取了针对性的地基加固措施。无论何种断面形式的膨胀土路基，未经处理的地基可能产生的膨胀量都很微小，其最大膨胀量仅为5.76 mm。考虑到路基本身为柔性结构物，地基膨胀产生的微小变形传递至基床表面时应远小于其初始值[13]。因此，地基膨胀变形处于可接受范围。同时，为减弱温湿度变化对膨胀土地基的影响，在地基处理时通常于基底处采取隔水保湿措施。

[1] 孔令伟，陈正汉.特殊土与边坡技术发展综述[J].土木工程学报，2012，45(5)：141-161

[2] 周海.膨胀土(岩)地区常见铁路路基病害及整治研究[J].土木工程学报，2014(1)：44-48

[3] 尤昌龙.提高高速铁路路基生命力的技术措施探讨[J].高速铁路技术，2017(4):1-6

[4] 国家铁路局.TB10621—2014 高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2014

[5] 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

[6] 住房城乡建设部，国家质量监督检验检疫局.GB50112—2013 膨胀土地区建筑技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012

[7] 丁玲.膨胀土胀缩变形性能的试验研究[J].工程建设与设计，2016(4):50-52

[8] 杨和平，张锐，等.有荷条件下膨胀土的干湿循环胀缩变形及强度变化规律[J].岩土工程学报，2006(11):1936-1941

[9] 阳云华，等.南阳盆地膨胀土大气影响深度及其工程意义[J].人民长江，2007(9):11-13

[10] 郭绍影.复合路基结构型式的研究[J].铁道工程学报，2007(11):24-26

[11] 余雷.膨胀土超固结特性及其对地基沉降计算的影响分析[J].铁道建筑，2014(8):58-61

[12] 铁道部.TB10106—2010 铁路工程地基处理技术规程[S].北京：中国铁道出版社，2010

[13] 陈志伟，蒋关鲁，等.低矮路堤下膨胀土地基现场浸水试验研究[J].岩石力学与工程学报，2014(8):1609-1618