雅万高铁动车段软土物理力学特征

2020-04-13张青波

铁道勘察 2020年2期

张青波

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

软土一般具有高含水率、高压缩性、低强度、低渗透性等特点，在软土地基上修建高速公路、铁路等，地基将会产生较大沉降且长期不能稳定，从而引起路基、路面变形，影响正常使用。因此，有关软土特性及地基处理措施的研究受到了很多学者的重视。如张涛[1]等分析了太湖冲湖积相软土的压缩特性。桂跃[2]等对昆明、大理的高原湖相泥炭土开展了一系列次固结试验，发现昆明泥炭土的次固结系数和压缩指数具有一定的相关性。崔红军[3]等介绍了排水法处理湖积软土的施工方法及效果。李学刚[4]等研究了杭州地区海、湖相软土的工程特性。朱爱民[5]阐述了桩网及桩筏结构在上海虹桥镇深厚软土地基处理中的应用。邬强[6]介绍了采用真空联合堆载预压处理武汉新区湖积相软土的工程实例。吴贤国[7]介绍了湖沼相沉积层软土地基处理方案的比选与设计。宁建根[8]等论述了抛石挤淤在山西湖积软土路基中的应用。

关于印尼万隆地区软土的工程特性，已有学者进行了相关研究，如王祥[9]通过X射线衍射分析、薄片鉴定、土工试验等手段研究了万隆地区软土的矿物组成和物理力学性质。C.J.Chartres[10]和 Rina Devnita[11]对万隆地区火山灰的物质成分进行了研究。A. Desiani[12]对万隆Gedebage地区的钻孔及土工试验数据进行了汇总分析，认为42 m以下的土壤与42 m以上的土壤之间存在差异。

以下基于前人的研究成果，对雅万高铁动车段软土的物理力学特征进行深入研究。

1 工程概况

雅加达至万隆高速铁路(雅万高铁)位于印度尼西亚爪哇岛，动车段位于线路终点的万隆盆地，北侧为既有高速公路，东侧为既有铁路，地形平缓，地表主要为水稻田(如图1所示)。

图1 动车段位置

万隆盆地为火山环绕形成的大型山间盆地，中部海拔约665 m，盆地内河流发育，旱季、雨季分明，属于典型的热带季风气候。

主要地层为：①淤泥，深灰色，黑灰色，流塑，局部软塑，层厚1.79～19 m，σ0=60 kPa。②黏土，灰绿色，软塑，层厚1.46～5.26 m，σ0=100 kPa。③黏土，灰褐色，软塑，层厚2.58～3.29 m，σ0=120 kPa。④黏土，灰绿色，23.6 m以下为褐灰色，硬塑，层厚1.63～4.27 m，σ0=160 kPa。⑤黏土，深灰色，硬塑，层厚1.02～3.83 m，σ0=200 kPa。⑥中砂，深灰色，中密，饱和，成分以火山碎屑为主，层厚1.13～1.59 m，σ0=370 kPa。⑦黏土，褐灰色，坚硬，层厚2.0～9.0 m，σ0=300 kPa。

2 物理力学特征

2.1 矿物组成

万隆地区火山灰成分主要为高岭石、英石、伊利石等黏土矿物，化学成分主要为SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO等[9-11]。

经测试，动车段软土主要成分为硅藻、黏土矿物、火山灰，其次为各种岩屑、矿物晶屑[9]。软土结构呈砂粒状，火山灰成分在静水环境下易发生水化学反应，使其颗粒间具有一定的胶结作用，因黏土矿物较多，土体表现出较强的结构性，XRD试验结果如表1所示。

表1 XRD试验结果

2.2 物理指标

(1)天然含水率

通过烘干法测得的208个土样的含水率为21.9%～283%，不同深度处的含水率数据如图2所示，60 m内土的含水率大概可分为5层，各层含水率分别为(59.5±23.6)%、(140.5±51.8)%、(75.0±28.1)%、(116.0±43.6)%、(46.2±18.4)%。

图2 含水率分布(22xx为钻孔编号)

其中，2257、2265、2266～2269号孔11.5～17.5 m处总计有7个土样的含水率低于100%(为软土层中夹杂的局部相对硬层)，但是层厚较小，深度不一，故将5～19 m分为一层。

由图2可知，该段软土的含水率较高，表明土的孔隙比非常大，计算孔隙比为0.72～7.04，平均值为2.59；计算饱和度为79%～100%，平均值为97%，土体基本处于饱和状态。

(2)天然密度

145个土样的天然密度试验结果为1.17～1.82 g/cm3，各层含水率的平均值和标准差如表2所示。

表2 天然密度统计 g/cm3

由表2可知，特殊的物质来源和地质成因使得该段软土的天然密度较低，有机质含量较高。实测有机质含量为6%～26%，平均值为11.78%。

天然密度与含水率的关系如图3所示，可见天然密度与含水率具有显著的相关性，可用幂函数表达。

图3 天然密度与含水率的关系

(3)颗粒密度

151个土样的比重瓶试验结果为2.16～2.77 g/cm3，平均值为2.56 g/cm3，标准差为0.14 g/cm3，60 m深度范围内土的颗粒密度无明显的分层，可推测该段软土的物质来源相对均一。

(4)界限含水率

212个土样的液限为26.6%～215%，塑限为19.2%～160%，塑性指数为6.5～87.8，土的界限含水率也具有明显的分层特征，各层平均值和标准差如表3所示。

表3 液、塑限统计

软土塑性图如图4所示，该类软土在A线以下(Ip>17，WL>45)，在塑性图中的位置与红黏土相似，但是从地质成因角度分析则不属于红黏土。

图4 软土塑性指数

2.3 力学指标

(1)土的可压缩性

140个土样的压缩模量为0.7～16 MPa(如图5所示)，土的压缩模量也具有明显的分层特征，各层压缩模量分别为4.3±1.6 MPa、1.2±0.7 MPa、4.9±2.7 MPa、3.2±2.1 MPa、8.0±2.3 MPa。

图5 软土压缩模量分布

由图5可知，该段60 m内的地基土均为中-高压缩性土。设计时应尽量降低填土高度，以减少附加荷载产生的沉降。

(2)标准贯入试验

图6 软土标贯击数分布

对14个钻孔进行标准贯入试验，测试结果如图6所示。各层标贯击数分别为3.2±1.9、0.8±1.9、11.7±6.9、15.1±12.2、35.6±14.9。

液性指数、压缩模量及直剪强度与标贯击数之间的关系如图7所示。

图7 液性指数、压缩模量及直剪强度与标贯击数的关系

从试验结果可知，液性指数、压缩模量、内聚力和内摩擦角同标贯击数之间具有明显的相关性，可通过线性拟合公式对相关参数进行估算。

(3)十字板试验

对19 m以内土层进行原位十字板剪切试验，1～4号孔试验时间为2018年11月28日，原状土十字板强度为5.2～27.2 kPa，重塑土的十字板强度为2.5～15.4 kPa，灵敏度为1.45～4.68，平均值为2.58。5～10号孔试验时间为2019年4月23日，原状土十字板强度为6.7～37.6 kPa，重塑土的十字板强度为3.2～25.1 kPa，灵敏度为1.21～2.41，平均值为1.53，属于中-低灵敏度土。

两次试验十字板剪切强度均值随深度的变化如图8所示，旱季5 m以内原状土和重塑土的十字板剪切平均值分别为19.1 kPa、13.3 kPa，雨季分别为9.6 kPa、4.1 kPa。