高速铁路泥岩地基原位浸水响应特征试验研究

2020-12-08薛彦瑾王起才马丽娜王炳忠张唐瑜

铁道学报 2020年10期

薛彦瑾，王起才，马丽娜，王炳忠，张唐瑜

(1. 兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070；2. 兰州交通大学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. 甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730000; 4. 甘肃省公路养护技术创新中心，甘肃兰州 730000)

膨胀土因富含黏土矿物及混层黏土矿物与一般土性质相差极大[1]，其吸水膨胀、失水收缩特性常给工程建筑物带来极大危害，若高速铁路无砟轨道地基中含有膨胀土，将对路基稳定性与行车安全性极为不利[2-6]。

目前，对膨胀土水分入渗及膨胀变形的研究主要有室内试验和现场试验。文献[7]对泥岩地基进行了不同浸水深度和不同上覆荷载下的原位试验，研究了泥岩地基的膨胀变形特性。文献[8]通过室内1∶1大比例路基模型试验，研究了不同工况下路堑的动态响应和变形规律。文献[9]研究了雨水入渗与膨胀土边坡的稳定性。室内试验在一定程度上可模拟构筑物工作环境，但受试验尺寸效应、边界条件、扰动等影响，试验结果依然不能真实、有效反映构筑物在实际工作中受力状况。为此，开展膨胀土现场原位试验是必要的。文献[10]以云桂高速铁路为背景，研究了中-强膨胀土地基低矮路堤在自然状态下地基膨胀变形特征及规律。文献[11]以广西膨胀土为研究对象，通过现场试验分析了气候影响下膨胀土堑坡的原位响应特征。文献[12]通过人工降雨模拟试验和现场原位试验，分析了非饱和膨胀土边坡在降雨入渗下的变化规律。

由于高速铁路无砟轨道对路基上拱变形的允许调整量仅为4 mm[13]，当高速铁路穿越膨胀性泥岩地段时，由于地基泥岩吸水膨胀将导致路基上拱，进而使轨道不平顺性加剧，当列车高速通过不平顺性轨道时，将导致机车车辆振动，出现列车颠簸、晃车等现象，最终影响行车的安全、舒适性等。关于弱膨胀性地基泥岩膨胀引起无砟轨道路基上拱的研究国内外鲜有报道。随着我国高速铁路的不断发展，将涌现出大量以弱膨胀性泥岩为地基的高速铁路工程，为此本文依托兰新高速铁路，在一典型路基上拱地段进行不同上覆荷载下弱膨胀性泥岩地基的横向渗水速率及竖向膨胀变形原位试验，研究成果可为今后泥岩地基高速铁路的设计、施工提供参考。

1 现场方案设计

1.1 地质概况

试验段位于新疆哈密地区，地形平坦开阔，地势起伏较小。经钻芯取样可知，在0～0.5 m为砂砾石碎散层，0.5～8 m为红褐色坚硬泥岩层，成岩作用较好，强度较高，黏性强，局部含有少量砂岩、碎石及角砾。其主要物理力学指标和化学成分见表1和表2，根据TB 10038—2012《铁路工程特殊岩土勘察规程》[14]判定为无膨胀性土，但实际上该种土体吸水膨胀已导致了兰新高速铁路路基的持续上拱变形，因此有必要研究该种土体渗透特性和膨胀特性。

1.2 试验内容

1.2.1 试验准备

(1)电钻(干钻)1台，直径50 mm开孔钻头1个。

(2)渗水-加载-变形观测系统4套，渗水装置采用直径50 mm，长50 cm的圆钢管焊接于加载底板，管壁均匀布置4列梅花状渗水孔；加载板采用直径75 cm，厚1 cm的钢板；变形观测支架为尺寸40 mm×40 mm的角钢焊接成的3个独立直角三角形，其中直角边的一个角点焊接于加载底板，另一个角点安放百分表，观测支架将试验区域分为3份，互成120°。

(3)大量程百分表12块(每个基坑3块)，用于测量试验土体变形值。

(4)打磨机1台，水平尺1把，用于地面整平；电子称1台，用于称量堆载物质量。

(5)湿度传感器28个，每个基坑7个，用于测量试验过程中土体体积含水率。

(6)百分表垫板12块(5 cm×5 cm钢板)。

(7)大型蓄水桶1个，输水管道20 m。

(8)挖掘机1台，破碎机1台。

1.2.2 试验过程

(1)试验基坑开挖

清除地表40 cm厚浮土，开挖1#、2#、3#、4#试验基坑，基坑底尺寸2 m×1.75 m，深0.4 m，边坡比例2∶1，开挖完成后，对坑底进行整平，试验区域平面布置见图1。

(2)试验区域布置

基坑底部开挖直径75 cm、深10 cm的试验区域，完成后对各试验区域用打磨机和水平尺整平，防止加载时出现偏载。试验区域中心开挖直径5 cm、深50 cm注水孔，距注水孔10、20、30 cm(S1=S2=S3=10 cm)处开挖直径5 cm、深50 cm湿度传感器布置孔，见图2。湿度传感器竖向分2层布置，分别在距土体表面0、50 cm处，在距试验顶部80 cm处布置1竖向湿度传感器。

表1 土体物理力学指标

表2 土体化学成分 %

图1 试验区域平面布置(单位：m)

图2 注水及湿度传感器平面布置(单位：cm)

(3)安装渗流-加载-变形观测系统

保证该系统与试验土体表面密贴，安装完成后架设百分表。根据TB10621―2014《高速铁路设计规范》[15]和兰新高铁DK1236+650路基断面设计图纸可知，路基对泥岩地基荷载为25.15 kPa，因此对1#、2#、3#、4#基坑分别施加0、15、30、45 kPa的上覆荷载。上覆荷载通过预制混凝土板堆载而成，堆载时要对加载板和变形观测支架进行称重，累计至需要质量，对堆载量进行控制，保证堆载台均匀受力，不偏载，堆载结束后记录百分表和湿度传感器读数，渗流-加载-变形现场布置及观测系统示意见图3。

(4)进行试验

待位移测量元件和水分测量元件读数稳定后，将该读数作为初始读数，通过注水系统向渗水孔缓慢注水，保证水不从试验区域表面溢出。由于泥岩渗水速度较慢，故每2 h进行1次注水，并同时记录位移测量元件和水分测量元件，直至其读数稳定为止。

2 试验结果分析

2.1 渗透及膨胀变形时程变化规律

2.1.1 渗透性分析

渗透性变形时程曲线见图4。

由图4(a)可知，不同上覆荷载下、泥岩横向不同距离处体积含水率随时间变化均可划分为四个阶段。第Ⅰ阶段：稳定阶段，体积含水率随时间变化基本保持不变，这是由于前期水未渗透至相应水平距离处传感器，且没有其他外来水源补给，故该处泥岩体积含水率基本保持不变；第Ⅱ阶段：骤增阶段，体积含水率随时间变化增长较快，当水分入渗到湿度传感器时，由于湿度传感器对水分变化比较敏感，其读数会突然增大，再者由于水分的不断补给，湿度传感器会不断感应到水分变化，故该阶段体积含水率随时间变化增长较快；第Ⅲ阶段：减速增长阶段，体积含水率随时间变化增长速度在逐渐减小，这是由于泥岩中黏土矿物颗粒吸水膨胀后不断挤密周围孔隙，致使渗透速率在逐渐减小，湿度传感器感应到水分变化速度会减慢，再者由于水分会漫过湿度传感器继续向外围扩散；第Ⅳ阶段：渗透稳定阶段，体积含水率随时间变化趋于稳定状态，这是由于泥岩吸水达到其渗透稳定含水率时，其含水率将不再增大，故体积含水率随时间变化趋于稳定状态。

相同上覆荷载下泥岩同一横向位置处，下部土体渗透稳定含水率比上部要大，2#基坑10 cm上渗透稳定含水率为48.75%，10 cm下为50.01%，这是由于水分在渗透过程中，因自身重力作用总有向下运动趋势，故下部位置处泥岩最先渗透到，所以在同一横向位置处，下部土体渗透稳定含水率比上部要大。

不同上覆荷载下、相同水平距离处泥岩体积含水率随上覆荷载增大，最终达到稳定所需时间越长，这是因为4个试验基坑距离相差很小，可近似认为4个基坑泥岩的初始状态相似，随注水量的增加，泥岩开始吸水变软，随上覆荷载的增加变软后泥岩的密实度也在逐渐增大，导致泥岩渗透性在逐渐减小，泥岩吸水越困难，在渗透稳定含水率相差较小时，泥岩达到稳定所需要的时间越长。

2.1.2 膨胀性分析

膨胀性变形时程曲线见图5。从图5可知，膨胀量随时间呈“S”型变化。由图5(a)可见，1#基坑在0～74 h内膨胀量为1.05 mm，平均膨胀速率为0.014 mm/h，在74～281 h内膨胀量为9.50 mm，平均膨胀速率为0.046 mm/h，在281～527 h内膨胀量为3.10 mm，平均膨胀速率为0.013 mm/h，在527～550 h内膨胀量为0 mm，平均膨胀速率为0 mm/h；因此当上覆荷载较小时(0、15、30 kPa)，泥岩膨胀量随时间变化可分为四个阶段，第Ⅰ阶段：缓慢增长阶段。这是因为刚开始注水时土体中水分有两种去处，一是泥岩本身存在有效孔隙可以容纳水分的进入，二是水分向泥岩中土颗粒渗透，由于水分在重力作用影响下，始终有向下运动趋势，这将使得水分进入第一种方式速度远大于进入第二种方式速度，故膨胀量随时间增长较缓慢。第Ⅱ阶段：快速增长阶段。由于泥岩存在的有效孔隙被水分填满，水分开始大量与泥岩中膨胀性黏土矿物发生反应，导致泥岩发生快速膨胀。第Ⅲ阶段：减速增长阶段。随着水分持续渗入，蒙脱石晶层间进入了大量水分，使得水分进入晶层间速度变慢，且泥岩渗透速度也在逐渐变小，最终导致泥岩膨胀量增长速度逐渐变缓。第Ⅳ阶段：稳定阶段。随水分持续入渗，泥岩膨胀潜势被消耗完全，膨胀完成。

综上所述，不同上覆荷载下、泥岩横向不同距离处体积含水率随时间变化可分为稳定阶段、骤增阶段、减速增长阶段和渗流稳定阶段，同一横向位置处，下部土体饱和含水率比上部要大；膨胀量随时间呈“S”型变化，上覆荷载较小时膨胀量随时间变化可分为缓慢增长阶段、快速增长阶段、减速增长阶段和稳定阶段，上覆荷载较大时会出现下沉阶段；注水量随时间变化分为快速增长、缓慢增长和稳定阶段。

2.2 上覆荷载对泥岩渗透性及膨胀性的影响

通过整理1#、2#、3#、4#基坑泥岩膨胀量和不同横向距离下体积含水率和渗透时间，计算出不同上覆荷载下的渗透速率，试验结果见图6。

2.2.1 上覆荷载对渗透性的影响

由图6可知，随上覆荷载的增大，横向渗透速度在变小，上覆荷载增加1倍时，渗透速率大约衰减90%，上覆荷载增加2倍时，渗透速率大约衰减78%，上覆荷载增加3倍时，渗透速率大约衰减63%，这是因为泥岩的渗透与膨胀是同时进行的，上覆荷载越大对泥岩膨胀抑制越强，使泥岩吸水膨胀变得更为密实，水分越难渗透，所以渗透速率会越小。

定义渗透速率随上覆荷载增大的相对衰减率为

θa=(K0-KP)/K0

(1)

式中:θa为泥岩横向渗透速率相对衰减率；K0为上覆荷载为0 kPa时渗透速率；KP为上覆荷载为P时渗透速率。结合图5可求得不同上覆荷载下泥岩横向渗透速率的相对衰减率，见表3。

相对衰减率与上覆荷载关系曲线见图7。由图7可知，渗透速率的相对衰减率随上覆荷载增加呈递增变化，根据试验数据，拟合出相关系数为0.987 36的相对衰减率与上覆荷载关系计算式为

(2)

图7 相对衰减率与上覆荷载的关系曲线

综上分析可知，泥岩横向渗透速率随上覆荷载增加呈衰减变化，一般认为当地基表面膨胀变形为0时，相应的泥岩渗透速率也为0，渗透速率为0时，其横向渗透速率相对衰减率为100%，这对控制以上拱为主的高速铁路是有利的，即可确定泥岩浸水饱和后的临界上覆荷载。因此，以相对衰减率100%为控制标准，确定高速铁路路基上拱的临界荷载。

将式(2)代入式(1)，可得

(3)

从室内试验测出泥岩原始状态渗透系数K0，即可得到现场泥岩在任一上覆荷载下渗透系数。

2.2.2 上覆荷载对膨胀量的影响

随上覆荷载增大泥岩膨胀量在减小，上覆荷载从0 kPa增长到15 kPa时，膨胀量减小了4.33 mm；上覆荷载从15 kPa增长到45 kPa时，膨胀量减小了3.55 mm，即泥岩膨胀量随上覆荷载增长并非线性变化。这是因为泥岩在施加上覆荷载后膨胀会受到抑制，上覆荷载越大抑制作用越强，所以上覆荷载越大，其膨胀量减小，但由于泥岩本身较为密实，故上覆荷载从15 kPa增长至45 kPa时，对泥岩密实度不会发生很大改变，从而使上覆荷载从15 kPa增长至45 kPa时，其膨胀量减小程度要小于上覆荷载从0 kPa增长到15 kPa时膨胀量减小程度。

2.3 水平渗透速度与渗透距离关系

根据1#、2#、3#、4#基坑试验过程，得出水平渗透速度与渗透距离关系曲线见图8。

图8 各上覆荷载下水平渗透速度与渗透距离关系曲线

由图8可知，随着横向渗透距离的增大，渗透速度在逐渐变小，从0.1 m变化到0.2 m时，渗透速率大约减小了6%，从0.1 m变化到0.3 m时，渗透速率大约减小了20%，从0.2 m变化到0.3 m时，渗透速率大约减小了14%。因此，横向渗透速率与横向渗透距离为非线性关系，且渗透距离越远渗透速率衰减程度越大。