基于现场监测的膨胀土大气影响带分析研究

张 翔 玮

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

1 概述

膨胀土对浅表层轻型工程建设的危害是全球性技术难题，由于其不良工程特性导致的工程问题或地质灾害的频繁发生，一直是当今岩土工程和工程地质领域中世界性的重大工程问题之一。膨胀土黏土矿物含量较高，以蒙脱石、伊利石为主，容易吸水膨胀失水收缩[1]。在大气与土壤之间水分和能量的交换过程中，膨胀土的工程性质逐渐发生改变，强度不断衰减，从而引发工程问题。

通常认为，膨胀土的大气影响带是指在自然气候作用下，由降水、蒸发、地温等因素引起土体膨胀变形的有效深度[2]。大气影响带中，对气候变化具有敏感性响应的区段又可以划分为急剧影响带，在急剧影响带以下，各参量受气候变化影响但变化波动要小，且会存在明显的滞后性[3]。大气影响带土体经受反复干湿循环，胀缩裂隙发育，土体的整体性遭到破坏，表层常被裂隙分割成散粒状，同时受沉积环境控制和后期生物作用影响多呈灰褐色，裂隙极发育，孔隙比较大，土体含水量随季节变化极大，在非雨季时强度较高，下雨饱和后强度迅速降低，因此，判定大气影响带的试验指标主要为含水量与孔隙比[4]。

本文以浩吉铁路三荆段某膨胀土路基试验段为例，通过现场监测进行大气影响带的研究，可以确定膨胀土地基的换填处理深度，验证设计措施的合理性。

2 大气影响带影响因素

大气影响带最直接的影响因素为含水率，而含水率的变化受降雨量、蒸发量、土温、气温数个环境因素与地形地貌、地下水、土层分布有关。多个研究表明最主要的影响因素仍然为环境因素中的降雨量与土温。其中蔡耀军[5]对南阳地区的膨胀土地质研究得出：大气影响带含水量通常在22%以上，孔隙比平均值大于0.7的结论。

出于工程实践指导的意义，本次现场监测试验主要通过对换填基床厚度范围内的含水率监测，来确定大气影响深度，与采用规范相关资料计算深度进行对比，以验证设计措施的合理性。

3 大气影响带分析

大气影响带深度评价方法主要分为实测与经验值计算两种方法。其中实测主要依靠土层深层变形观测、含水量观测以及地温观测来确定，该方法确定的大气影响带深度最为准确、直接，但耗时长，成本高。经验值计算主要是通过收集查阅当地有关气象资料，确定当地土的湿度系数，再依据湿度系数查阅相关规范内相关表格进行插值确定，该方法优点在于相对经济、高效，但误差相对较大。

3.1 经验值计算法

根据GB 50112—2013膨胀土地区建筑技术规范，土的湿度系数Ψw可依据当地有关气象资料按式(1)计算：

Ψw=1.152-0.726α-0.001 07c

(1)

其中，α为当地9月至次年2月的月蒸发力之和与全年蒸发力之比值(月平均气温小于0 ℃的月份不统计在内)；c为全年中干燥度大于1.0且月平均气温大于0 ℃月份的蒸发力与降水量差值之总和，mm，干燥度为蒸发力与降水量之比值。

通过查阅相关资料，本次试验段所在的地区1月～12月蒸发力及降水量见表1。

表1 试验段所在地区1月～12月蒸发力及降水量

通过式(1)计算，得出试验段的土的湿度系数Ψw为0.813。通过表2，可依据Ψw插值确定大气影响带深度。

表2 试验段土的湿度系数和大气影响深度

依据表2，可算得试验段大气影响带深度为3.436 m，根据规范内5.2.13条，可求得大气影响急剧层深度为1.546 m。

3.2 实测法

实测法采用含水率与变形观测方法研究，以浩吉铁路三荆段膨胀土路基试验段中DK952+000与DK952+250断面为例：DK952+000地基土为强膨胀土，DK952+250地基土为中膨胀土，设计要求弱中膨胀土路堑基床底层换填1.0 m改良土、强膨胀土基床底层换填1.9 m。两个断面均在堑顶外侧5 m处，在埋深0.5 m,1 m,1.5 m,2 m,3 m,4 m,5 m处埋设含水量计与多点位移计，开展持续性的监测工作，布设方案详见图1,图2。

图3为DK952+000断面监测成果，埋深0.5 m～2 m的含水量最高值分别为：36.5%，36%，35%，29.9%，埋深0.5 m～1.5 m含水量峰值十分接近；0.5 m～2 m的变形量最高值分别为：2.7 mm，2.4 mm，2.1 mm，1.9 mm，埋深0.5 m～1.5 m变形值均超过2 mm。可见，区内强膨胀土埋深1.5 m以内土体的含水量与变形对季节变化响应更大，波动幅度也更大。

图4为DK952+250断面监测成果，埋深0.5 m～2 m的含水量最高值分别为：33%，31%，30%，27.8%，埋深0.5 m～1.5 m含水量峰值位于30%以上；0.5 m～2 m的变形量最高值分别为：2.1 mm，1.9 mm，1.3 mm，0.7 mm，埋深0.5 m～1.5 m变形值均超过1 mm。可见，区内中膨胀土埋深1.5 m以内土体的含水量与变形对季节变化响应同样更大，波动幅度也更大。

同时，变形监测成果分析显示试验段内强膨胀土3.5 m以下含水量及变形不再明显，中膨胀土则为3 m以下不再明显。

根据现场监测成果，可以认为，区内强膨胀土大气影响带深度为3.5 m，强膨胀土大气影响带深度为3 m，两者0 m～1.5 m范围内为大气剧烈影响层，该层对外部气候变化敏感，含水量变化剧烈，1.5 m～3.5 m(3 m)范围内敏感性逐渐减弱，含水量变化幅度逐渐减弱，大气影响带以下不再受大气影响，整体性状稳定。

与经验值计算成果对比：强膨胀土实测确定的大气影响带厚度与经验计算所得基本一致，中膨胀土实测结果要稍小于计算所得，但大气急剧影响层厚度基本一致。

4 路基基床换填厚度建议

通过前述对比分析可知：蒙华铁路三荆段内强膨胀土大气影响带厚度在3.5 m，其中埋深1.5 m范围内为大气急剧影响层；中膨胀土大气影响带厚度在3 m，其中埋深1.5 m范围内为大气急剧影响层。根据TB 10035—2018铁路特殊路基设计规范内的要求，重载铁路膨胀土路堑基床在弱～中膨胀土中处理深度不小于1 m，在强膨胀土中不小于基床底层深度且考虑大气影响急剧层深度。因此，根据试验段监测成果，浩吉铁路三荆段内膨胀土路堑基床换填厚度应不小于1.5 m，即基床表层换填0.6 m+基床底层换填厚度不小于0.9 m，设计采用的弱中膨胀土路堑基床底层换填1.0 m改良土、强膨胀土基床底层换填1.9 m厚改良土方案是合理的。

5 结语

本文分别通过经验值计算与现场监测对浩吉铁路三荆段膨胀土的大气影响带进行了分析研究，成果小结如下：

1)膨胀土的大气影响带厚度是判定基床处理深度的关键因素，而判定其影响带厚度的主要指标是含水量与孔隙比两项。

2)通过在现场强膨胀土与中膨胀土的含水量与位移变形监测，确定本区内强膨胀土大气影响带厚度在3.5 m，其中埋深1.5 m范围内为大气急剧影响层；中膨胀土大气影响带厚度在3 m，其中埋深1.5 m范围内为大气急剧影响层。强膨胀土实测确定的大气影响带厚度与经验计算所得基本一致，中膨胀土实测结果要稍小于计算所得，但大气急剧影响层厚度基本一致。

3)根据试验段监测成果，浩吉铁路三荆段内膨胀土路堑基床换填厚度应不小于1.5 m，即基床表层换填0.6 m+基床底层换填厚度不小于0.9 m，设计采用的弱中膨胀土路堑基床底层换填1.0 m改良土、强膨胀土基床底层换填1.9 m厚改良土方案是合理的。