荷载条件下兰新铁路地基泥岩吸水变形试验

崔晓宁，王起才,2，张戎令,2，李进前,2,3，王炳忠,2,3

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃 兰州 730070；3.甘肃省道路桥梁与地下工程实验室，甘肃 兰州 730070)

0 引言

膨胀土是一种富含亲水性黏土矿物的特殊岩土，具有吸水膨胀、失水收缩的特性[1-2]。在膨胀土地区进行工程建造，面临着严重的膨胀土上拱病害。近些年国家在组建高速铁路网的过程中，不可避免的要在膨胀土地区进行铁路建设。尤其当铁路建设进行路堑开挖时，会破坏原有的水文地质条件，原本通畅的地下或者地表径流被隔断，大部分水流只能停留在路堑两侧，沿着铁路基础向下渗流，倘若地基下方存在膨胀土，便会有膨胀上拱的可能。高速铁路无砟轨道采用预制的混凝土道床板，所允许的上拱仅为4 mm，且高速铁路由于行驶速度快，对轨道的平顺性安全性要求较高。因此，对于膨胀土的吸水膨胀变形的试验研究具有非常重要的现实意义。

针对于膨胀土的膨胀变形，许多学者进行了大量研究，高晓波等[3]立足工程实际，以贵州地区的膨胀土为研究对象，在室内进行改良膨胀土随石灰掺量，养护龄期以及压实系数的试验；张连杰等[4]研究了重塑膨胀土随上覆荷载和含水量的函数变化关系，通过公式拟合得到了重塑膨胀土的抗剪强度与上覆荷载及含水率的拟合函数式；孙即超等[5]运用Drucker-prager模型同时考虑降雨影响建立了膨胀土的膨胀模型，并通过反演确定了膨胀土的膨胀力公式；谭罗荣等[6]研究了干密度、饱和度及含水量对击实膨胀土膨胀力和有荷膨胀率δ50的影响，并提出膨胀力δ50与干密度、饱和度及含水率都可通过幂指数函数进行拟合；胡瑾等[7]对原状土进行了无荷和有荷膨胀率的试验，得到的上覆荷载对膨胀土的膨胀起抑制作用的结论，同时还得出最终竖向膨胀率与吸水率呈半对数关系；何芳婵[8]进行了在一定的初始含水率和干密度条件下膨胀土的自然膨胀率随增湿含水率的变化研究，研究表明在增湿含水率逐渐增大的过程中自然膨胀率呈现出先增大而后微小下降的趋势。黄斌等[9]以邯郸膨胀土为试验材料，研究了初始含水率，干密度，上覆荷载耦合作用下膨胀土的膨胀率的变化规律，建立起了考虑以上3种因素耦合作用的膨胀率公式。高游等[10]以淮安市的膨胀土为研究对象，进行了在竖向压力25～800 kPa范围下，不同初始干密度和不同初始含水率对膨胀土吸水膨胀变形的研究。

本文以兰新二线铁路工程为研究背景，开展了不同上覆荷载、不同干密度、不同初始含水率条件下重塑泥岩膨胀率相关试验，旨在分析泥岩在上覆荷载，干密度，初始含水率耦合作用下的吸水变形规律。

1 试验方案

1.1 试验土样性质

试验土样的基本性质如表1所示，其中阳离子交换量和自由膨胀率按照规范由室内试验得到[1]，黏土矿物组分由X射线衍射仪分析得到：

表1 土样的基本性质

1.2 试验方案

本次实验是泥岩重塑土在0 kPa，10 kPa，20 kPa，30 kPa，40 kPa，50 kPa条件下进行不同初始含水率、不同干密度的吸水膨胀实验。首先将现场钻孔取样的原状土置于105 ℃烘箱中烘干8 h以上、然后碾碎，过2 mm筛，得到重塑土样。按照干密度为1.5 g/cm3，1.6 g/cm3，1.7 g/cm3，称取相应质量的重塑土。在每种干密度条件下，按照初始含水率为9%、12%、15%、18%、21%的梯度加水，密封闷土48 h以上，以使水分在土体间分布均匀。将配制好的重塑土样击入环刀，放上接环、透水石、和盖板，安装好百分表，按照既定的上覆荷载一次加载，记录初始读数。向容器内注入纯水，使水自下而上进入土样，并保持水面高出试样顶面5 mm，每隔2 h读数一次，当两次读数小于0.01 mm时，卸除荷载，取出试样称重，烘干冷却后再次称重。

2 试验数据分析

2.1 初始含水率对膨胀率的影响

为表明初始含水率对胀限膨胀率的影响规律在不同干密度，不同上覆荷载条件下具有普遍性，将试验中的6组不同干密度、不同上覆荷载下胀限膨胀率随初始含水率的变化趋势整理成图1。从图1可以看出在干密度，上覆荷载一定时，膨胀率随着初始含水率的增大呈现出逐渐减小的趋势，这是因为：对于黏土矿物含量一定的膨胀土，其膨胀潜能也是一定的，而配制相应初始含水率要求的重塑土会释放出其中的一部分膨胀潜能，初始含水率越大，其“剩余”膨胀潜能越小，表现出的膨胀率也就越小。因此，呈现出初始含水率越大，膨胀率越小的现象。

图1 膨胀率随初始含水率变化曲线Fig.1 Curve of expansion rate with initial water content

2.2 上覆荷载对膨胀率的影响

为排除单个初始含水率的规律偶然性，以初始含水率为9%和12%为例，作膨胀率随上覆荷载的变化规律图(图2、图3)。从图2，图3可以看出：当初始含水率和干密度一定时，随着上覆荷载的增大，膨胀率在减小，这是因为上覆荷载增大的过程中，土颗粒间传递的法向应力增大，进而使得土体的有效应力增大。从而抑制了水分子与土颗粒中黏土矿物的结合，使黏土矿物片理结构中的水膜变薄，在宏观上表现出膨胀率减小。

参考韦秉旭教授等[11]学者研究成果，膨胀率应与上覆荷载的半对数成线性关系。现以初始含水率为9%和12%为研究对象，对上覆荷载的半对数与膨胀率的关系，做进一步的分析研究。现将上覆荷载(σ>0 kPa)的半对数与膨胀率的关系整理见图4，从图4中可以看出：当干密度和初始含水率为定值时，上覆荷载的半对数与膨胀率呈现良好的线性关系。

图2 膨胀率随上覆荷载变化曲线(ω0=9%)Fig.2 Curve of expansion rate with overlying load(ω0=9%)

图3 膨胀率随上覆荷载变化曲线(ω0=12%)Fig.3 Curve of expansion rate with overlying load(ω0=12%)

图4 膨胀率随上覆荷载对数值变化曲线Fig.4 Logarithmic variation curve of expansion rate with overlying load

3 公式拟合

基于前文分析，膨胀率与上覆荷载的对数值成良好的线性关系，因此，膨胀率与上覆荷载对应的函数关系为：δp=Alnσ+B，式中δp为胀限膨胀率(%)；σ为上覆荷载(kPa)；A，B为干密度和初始含水率有关的参数(表2)。以干密度为1.7 g/cm3为例，对不同初始含水率条件下的膨胀率随上覆荷载变化函数式进行拟合。

表2 干密度为1.7 g/cm3时膨胀率拟合公式参数

因为参数A、B与初始含水率有关，因此，提取参数A、B与初始含水率的关系见图5。

图5 参数A、B与初始含水率关系Fig.5 Relationship between parameters A and B and initial water content

从图5可以看出A、B随初始含水率的变化都是线性的，这也与黄斌等[9]研究成果相一致。因此，用A=Cω0+D、B=Cω0+D对参数A、B和初始含水率进行拟合(表3)。

表3 膨胀参数与初始含水率拟合公式参数

用求得的具体参数进行替代变形，得到干密度为1.7 g/cm3泥岩随初始含水率增大过程中胀限膨胀率的函数表达式：

δp=(0.206ω0-8.794)lnσ-1.034ω0+44.035

(1)

式中：δp——胀限膨胀率/%；

ω0——初始含水率/%；

σ——上覆荷载/kPa。

参照干密度为1.7 g/cm3泥岩随初始含水率增大过程中胀限膨胀率拟合方法，对干密度为1.6 g/cm3、1.5 g/cm3的膨胀量进行拟合，得到各个干密度下的膨胀率拟合结果(表4)。

表4 各干密度条件下的膨胀量拟合公式

由表4可知，各个干密度条件下的胀限膨胀率随初始含水率和上覆荷载的函数关系式可以归纳为：

δp=(Eω0-F)lnσ-Gω0+H

(2)

现将公式(2)中的各项参数与干密度的相关数据整理见表5。

表5 公式(2)回归参数表

国内其他研究表明：当上覆荷载和初始含水率一定的情况下，土样的膨胀量随着干密度的增大而增大，且两者呈现出良好的线性关系[12]。这是因为随着干密度的增大，单位体积内的土体含有更多的黏土矿物，因而在水源充足的情况下会表现出更大的膨胀率。因此，当初始含水率和上覆荷载一定的情况下膨胀量δp是干密度的一次线性方程，即：δp=kρd+l，由此可见，只有当胀限膨胀率的回归方程：δp=(Eω0-F)lnσ-Gω0+H中的各项系数是干密度ρd的一次线性方程，以上关系才能成立，因此，将表5所列的三个干密度所对应的函数式的各项系数与干密度进行线性分析，结果见表6。

表6 各参数与干密度拟合公式

将上述得到的函数关系回代到公式(2)即可得到上覆荷载、干密度、初始含水率耦合作用下的重塑土吸水膨胀率函数式，如公式(3)。

δp={[(-0.21ρd-0.562)ω0+11.865ρd-11.077]lnσ}-(0.285ρd-1.524)ω0+57.195ρd-52.022

(3)

式中：δp——胀限膨胀率/%；

σ——上覆荷载/kPa；

ω0——初始含水率/%；

ρd——干密度/(g·cm-3)。

4 公式验证

在试验条件相同的情况下，进行了不同上覆荷载，不同干密度，不同初始含水率平行试验，以此试验结果对上述得到的公式(3)进行验证。将预测值与实测值进行比对，结果见表7。

表7 实测值与公式(3)的预测值对比表

从表7可以看出：误差绝对值都在20%之内，最大误差为19.08%，最小误差为1.86%。这说明公式(3)在预测膨胀率时，具有一定的可靠性。但是，公式(3)在预测膨胀率时，大部分结果都是偏大，只有组别1是偏小，这是因为：文中进行公式拟合时，参数较多，且参数之间互相迭代，造成的误差积累。因此，为使公式(3)预测误差减小，还应乘一个误差修正系数η，则考虑误差修正的公式(3)为：

本文只是探究性试验，误差修正系数η的确定还需后续大量的试验验证。

5 结 论

(1)当干密度和上覆荷载一定时，随着初始含水率的增大，膨胀土一部分膨胀潜能在重塑土配制得到提前释放，试验中剩余的膨胀潜能不断减小，因此，膨胀性泥岩的胀限膨胀率随初始含水率的增大而减小。

(2)初始含水率和干密度一定时，膨胀率与上覆荷载半对数成良好线性关系，膨胀性泥岩的胀限膨胀率随上覆荷载的增大而减小，表明了上覆荷载对膨胀土的吸水膨胀起抑制作用。

(3)通过对试验数据的整理分析，建立了上覆荷载，初始含水率，干密度耦合作用下的膨胀土胀限膨胀率的函数关系。且经过检验，公式：

δp={[(-0.21ρd-0.562)ω0+11.865ρd-11.077]lnσ}-(0.285ρd-1.524)ω0+57.195ρd-52.022

具有一定的可靠度。在一定误差允许范围内，可为新疆哈密膨胀土地区进行的建造提供一定理论支撑。