遼長鐵路膨脹土路塹試驗研究

孫明祥 溫鵬 錢洪光

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司(吉林公司),吉林吉林 132001)

新建遼源至長春鐵路位于吉林省境內長春市的雙陽區、四平市的伊通縣、遼源市的東遼縣,全長約97 km。本文研究的是DK43+200～DK44+150路塹段。該段路塹為沖積平原地貌,地勢較平坦,表覆第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl),第四系孔隙潛水埋深12～14 m,為膨脹土路塹[1]。膨脹土是一種特殊土,是黏粒成分主要由親水性礦物組成,同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的黏性土[2]。膨脹土這種特殊性質,是當今巖土工程領域中最復雜的課題之一,在各種勘察、設計中,膨脹土的問題都是重中之重。近年來,有關膨脹土的建筑工程、路基工程和線路邊坡失穩產生了嚴重的工程病害,可以說“逢塹必滑,有堤必坍”,人們稱它為“工程中的癌癥”[3]。因此,膨脹土治理倍受重視,引起了人們對膨脹土變形特性的關注。

影響膨脹土脹縮的因素很多,總的說來可分為內因和外因兩個方面[4,5]。內因:如礦物成分、顆粒成分、天然含水量、密實程度、結構特征等;外因:如氣候、降雨量、水文工程地質條件及外部壓力等。而內、外因的結合所反映的結果表現在土的脹縮性、水理性質及力學性質等指標上。由于實驗條件有限,本文對膨脹土的研究只考慮內因(結構性和初始物理狀態[6])對其脹縮能力的影響。

土的結構性是指土中顆粒或土顆粒集合體以及它們之間的孔隙的大小、形狀、排列組合及聯結等綜合特征。因此,土的結構性除了應包括土的骨架和孔隙的幾何特征(即土顆粒和孔隙的大小、多少、形狀和分布等)外,從土力學的角度考慮,還應包括顆粒之間的聯結特征。如果將孔隙看作是反映顆粒排列的一個方面,那么土的結構性就應該包括土中顆粒的排列特征(幾何特征)和聯結特征(力學特征)[7]。土的結構性是影響土力學特性諸要素中一個最為重要和本質的因素。謝定義等人沿著土力學研究的思路,對土的結構性進行了深入研究,直接以側限壓縮試驗測定了土結構性定量化參數——綜合結構勢的方法[8],利用擾動、加荷和浸水方式可以使土的結構勢充分釋放出來。擾動能破壞土的聯結作用,使土顆粒之間的聯結強度降低;加荷既能改變土顆粒的排列方式,又可改變土顆粒的聯結特征;浸水既可以使土中的化學物質弱化、溶解、吸力聯結喪失,水膜的楔入作用又可使土所固有的漲縮勢釋放出來,構造了能同時反映土的排列特征和聯結特征的土結構性定量參數

式中,S0,Ss和Sr分別為原狀樣、飽和樣和重塑樣在某一壓力P的變形量:m1表示土的可變性;m2表示土的可穩性。土的聯結越強,重塑樣在力學作用下的變形也越大,即m2越小;土的排列越不穩定,浸水后發生的變形也越大,即m1越大。式(1)表示的結構性參數可以反映應力影響的動態過程。

1 實驗方法

研究試樣是遼源至長春鐵路新建工程DK43+200～DK44+150路塹段,取樣地點是DK43+509,取樣深度分別為 2、4、6、8、10、12 m,每個深度下取雙樣 。利用WG型單杠桿固結儀(如圖1)做側限壓縮試驗[9];并對各深度試樣做膨脹性試驗[9],實驗儀器如圖2～圖4。此次土樣均為粉質黏土,黃褐色,含銅黃色斑點、鐵錳質結核,局部含高嶺土條紋,土質均勻,可見針狀孔隙。

圖1 側限壓縮試驗

2.1 膨脹性試驗

經室內土常規試驗和膨脹性試驗,可得試樣的物理力學性質指標如表1。

圖2 陽離子交換量試驗

圖3 蒙脫石含量試驗

圖4 自由膨脹試驗

表1 膨脹性試驗成果

根據表1結合鐵路工程地質勘察規范[10]可知,各深度試樣大多為弱膨脹土,并且由膨脹潛勢分級指標可知,隨著深度的增加其試樣膨脹能力逐漸增強;結合試樣的初始物理狀態,可以發現:隨著深度變化,試樣的含水量逐漸變小,密度逐漸變大,孔隙比逐漸變小;這說明試樣的膨脹能力與初始物理狀態的含水量、密度,孔隙比有著密切的關系,即試樣的膨脹能力隨著密度的降低而增小,隨含水量和孔隙比的減小而增大。

1.2 側限壓縮試驗

本次側限壓縮試驗試樣尺寸為 Φ61.8 mm ×20 mm,原狀土利用環刀制作,重塑土采用制備原狀樣后所用的擾動土,在控制和原狀樣相同的密度和含水量的條件下,通過靜壓法制備,飽和樣通過裝備上原樣后注水來實現。根據應變綜合結構勢(結構性參數)計算公式(1),對于各個深度膨脹試樣在不同的加載應力情況下的結構性參數進行計算,應力綜合結構勢與加載應力的變化曲線見圖5。綜合結構勢mP的下標P表示土的結構性在受力變形過程中隨加載應力P的大小而變化。

圖5 mP與P的關系曲線

由圖5知,膨脹試樣的綜合結構勢隨應力主要表現為先下降后平緩的曲線類型,并且在應力50 k Pa(含)之前都達到曲線的最小值,即在很小的壓力下,可以達到綜合結構勢的最低點,并且在達到最低點過程中,曲線呈負相關性逐漸減小。

為了更好地分析試樣結構性對其膨脹能力的影響,將圖5中的各曲線整合到一張圖中(如圖6)。

圖6 不同深度下結構性參數與壓力關系曲線

由圖6可以發現:

(1)各個深度下結構性參數曲線變化趨勢大致相同,隨著深度的增加,其綜合結構勢逐漸減小,說明了垂直方向上的變異性,也體現了土體在外界因素作用下(應力)的結構性變化越來越小,土體越來越穩定;綜合結構勢到了高壓階段最終都趨于一個穩定值。

(2)對于先下降后平緩這種曲線類型可以這樣理解:試驗加載壓力未達到結構屈服壓力以前,所加載的壓力使得綜合結構勢增大,并到達一個最低點(結構最穩定點),也就是說土體結構勢在一定程度上得到了增強而沒有釋放,反映了結構的調整與壓密效果。這種調整和壓密的效果使土體存在著結構可增強勢,在外界影響因素(壓力)作用下使得土體原生結構能夠進一步擠密壓縮而不會被破壞;此階段屬于土體原生結構破壞次生結構形成的過程,也是土體可變性向可穩性轉變的過程。隨著壓力繼續增大,最后綜合結構勢基本穩定在一個水平上。這表明壓力未達到土體結構穩定點時,土顆粒的排列的不穩定勢較大,在較小的應力增量下,可以引起較大的突變,這時土的結構可變性較大,可穩性較小。隨著壓力繼續增大,土顆粒原有的不穩定勢被大大消減,在相同的應力增量下,不會引起較大的突變,這時土的結構性可變性最小,可穩性最大。之后,壓力的增大已經不能使土的密度進一步增大,而穩定在一個水平上,此時土體可變性趨于零,而可穩定性達到定值,原生結構徹底打破,次生結構形成。

(3)基于應變的結構性綜合結構勢很好地反映了結構性參數在深度上的結構變化規律,即隨著深度的增加,其綜合結構勢逐漸減小,試樣越來越穩定,與此對應的其膨脹能力也越來越大,這也證明了試樣的結構性也是影響其膨脹能力的一個內在重要因素。

2 結論與工程建議

(1)遼源至長春鐵路新建工程DK43+200～DK44+150段路塹為弱膨脹土路塹,并且隨著深度的增加土體膨脹能力逐漸增強。

(2)實驗證明,影響土體膨脹能力的因素與初始物理狀態的含水量、密度,孔隙比和其自身的結構有關,即:隨著深度的增加,土體的含水量逐漸變小,密度逐漸變大,孔隙比逐漸變小,土體的結構性逐漸增強,表現土體的膨脹能力逐漸增強。此結論可供該地區工程設計、施工參考和借鑒。

(3)針對遼長新建鐵路膨脹土路塹的病害處理原則:保濕防滲。建議放緩塹坡并防護,路塹邊坡高度大于10 m時,邊坡坡率及形式應結合穩定性分析計算進行設計。塹頂外設天溝并防護,做好截排水工作,根據情況做適當的有孔管排水工作,必要時修建擋土墻。膨脹土不可作為路基填料使用,路基兩側禁止取土;若取土,可采用摻石灰改良膨脹土,石灰劑量為4%～12%,摻石灰改良后應達到脹縮總率小于0.7為準,以接近零為最佳,視情況而定,通過試驗確定具體摻灰率。

[1]吉林鐵道勘察設計院有限公司.遼源至長春鐵路新建工程初步設計·第四篇地質[R].吉林:吉林鐵道勘察設計院有限公司,2010.

[2]常士驃,張蘇民,等.工程地質手冊(第四版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2007

[3]鄭健龍,楊和平.膨脹土處治理論、技術與實踐[M].北京:人民交通出版社,2004

[4]李生林,等.中國膨脹土工程地質研究[M].江蘇:江蘇科學技術出版社,1992

[5]唐大雄,等.工程巖土學(第二版)[M].北京:地質出版社,1999

[6]張志偉,張玲玲.陜南地區膨脹土的膨脹性試驗研究[J].路基工程學報,2010(3):190-191

[7]齊吉琳,謝定義,等.土結構性的研究方法及現狀[J].西北地震學報,2001,23(1):99-102

[8]謝定義,齊吉琳.土結構性及其定量化參數研究的新途徑[J].巖土工程學報,1999,21(6):651-656

[9]TB 10102—2004 鐵路工程土工試驗規程[S]

[10]TB 10012—2007 鐵路工程地質勘察規范[S]