某鐵路粉質黏土膨脹特性及對工程影響的研究

李德柱

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

1 概述

此類土用于填料直接填筑路基能否滿足要求，需通過室內試驗、現場填筑試驗等進行驗證。以下對該類粉質黏土膨脹特性及強度變化規律進行研究，分析其對工程的影響，為工程措施的確定提供依據。

2 土的物理性質

2.1 顆粒分析試驗

采用密度計法測定土樣各粒組含量，試驗結果見表1。

表1 土的各粒組含量

顆粒分析結果表明，試驗所用土樣為細粒土，土體中粉粒含量為64.3%，黏粒含量為34.6%。

2.2 液塑限試驗

利用液塑限聯合測定儀進行，其結果見表2。

表2 土的液塑限試驗成果

塑性指數為13，液限為33.5%，根據《鐵路工程巖土分類標準》(TB 10077—2001)[2]，該土質為粉質黏土，根據《鐵路路基設計規范》(TB 10001—2005)[3]，該土質為C組填料。

3 膨脹性相關試驗

對9個取樣點的土樣進行有荷、無荷膨脹率及膨脹力等膨脹性相關試驗，通過室內試驗確定土質的膨脹性，掌握土的脹縮變形和強度變化規律，確定膨脹土做為填料的適用性。

3.1 自由膨脹率[4]

自由膨脹率是反映膨脹土膨脹性的指標之一，與土的黏土礦物成份、膠粒含量、化學成份和水溶性質有著密切的關系。其試驗方法簡單快捷，可以測定黏性土在無結構力影響下的膨脹潛勢，被廣泛用于膨脹土脹縮性的初步判定。

按照規范要求進行自由膨脹率試驗，測得其自由膨脹率為30.0%～48.0%、平均值為38.7%。

3.2 蒙脫石含量[4]

當土中含有較多的此種黏土礦物時，常會帶來不良的工程性質，干燥時出現干裂，遇水膨脹，壓縮性大，強度降低。

按照規范要求進行蒙脫石含量試驗，測得其蒙脫石含量為15.7%～24.0%，平均值為19.9%。

3.3 陽離子交換量[4]

按照規范要求進行陽離子交換量試驗，測得其陽離子交換量范圍為197.1～246.8 mmol/kg，平均值為218.0 mmol/kg。

3.4 膨脹性判定

根據《鐵路工程地質勘察規范》(TB 10012—2007)[5]，膨脹土的膨脹潛勢分級采用自由膨脹率FS、蒙脫石含量M、陽離子交換量CEC三項指標(見表3)，當符合其中兩項指標時，應判定為膨脹土。

表3 《鐵路工程地質勘察規范》膨脹土的膨脹潛勢分級

按照《鐵路工程地質勘察規范》(TB10012—2007)[5]膨脹潛勢分級標準，土樣的膨脹潛勢為弱。

3.5 無荷和有荷膨脹率

試樣的干密度為1.65 g/cm3(壓實度為90%)，制樣含水率為15.3%。

重塑壓實土試樣的無荷和有荷膨脹率試驗結果分別見表4和表5。

表4 無荷膨脹率試驗結果 %

表5 有荷膨脹率試驗結果

3.6 膨脹力

重塑壓實土試樣的有荷膨脹率和垂直壓力的關系曲線見圖1，圖1中曲線與壓力軸交點(該點膨脹率為0)對應的壓力即為按加壓膨脹法試驗所得的膨脹力。由圖1可知，試驗所用土樣的膨脹力為99.4 kPa。

圖1 膨脹率—壓力關系曲線

3.7 無荷條件下的干濕循環試驗

通過對含水率由15.3%到飽和、含水率由15.3%到21.0%和含水率由15.3%到18.0%等三個含水率變化幅度的干濕循環試驗，了解其裂隙變化情況及膨脹力變化規律。

(1)土體裂隙變化及對強度的影響

①對試樣進行8次干濕循環試驗的觀察結果表明，裂隙是逐漸產生并發展的，其發展變化與循環次數的關系呈線性遞增，且隨著循環次數的增加，裂隙基本呈線性增長，即產生、發展、貫通，最終形成網格狀裂隙。

②裂隙的產生和發展破壞了土體的完整性，也削弱了土粒間的連結力，造成土體縱、橫向裂隙呈雜亂無章分布，導致結構破壞，土體抗剪強度降低。另一方面裂隙連通，為表水下滲提供了良好通道，水的滲入使土體黏聚力降低，強度衰減，進一步降低了土體的抗剪強度。

(2)膨脹力變化規律

通過干濕循環試驗，膨脹力變化試驗結果見表6。

表6 膨脹力變化試驗結果 kPa

從表6中可以看出，膨脹力隨干濕循環次數增加逐漸減小，但減幅也逐漸降低，經過6次干濕循環后膨脹力基本穩定；說明膨脹土的膨脹勢隨著干濕循環次數的增加而逐漸降低，且含水率變化幅度越大，膨脹勢降低也越明顯。

4 抗剪強度變化規律

選擇代表性土樣進行干濕循環試驗，研究其抗剪強度的變化規律。土質試樣經歷1次、2次、3次、4次、6次、8次干濕循環后，將試樣浸水飽和后進行固結快剪試驗，試驗結果見表7。

表7 固結快剪試驗結果

由試驗結果可以看出，干濕循環過程中粉質黏土的內摩擦角基本保持不變，而黏聚力在第一次干濕循環后降低35%，并在以后的干濕循環過程中基本保持不變。

5 大氣影響深度試驗

大氣影響深度是在自然氣候影響下，由降水、蒸發、地溫等因素引起地基土脹縮變形的有效深度。在大氣影響下，濕度變化引起膨脹土產生膨脹收縮，土體開裂，降雨入滲，強度降低，甚至造成邊坡變形破壞。

為了確定大氣影響深度，于路堤基床以下中心及兩側土體4.0 m深度范圍內設置含水率計和溫度計，對路堤土體溫度、含水率等進行監測，根據土體含水率和地溫變化等綜合確定大氣影響深度。土體溫度、含水率變化幅度見表8、表9。

表8 路堤土體溫度變化幅度

由表8、表9可知，路堤填土的溫度、含水率變化幅度隨著深度增加逐漸減小。當深度為4.0 m時，土體溫度變化幅度≤10 ℃；含水率變化較小，邊坡側變化幅度略大于中心。邊坡側深度2.0 m時，含水率變化幅度為2%；4.0 m時，含水率變化幅度為1.6%，其環境影響已很微弱。根據土體地溫及含水率觀測變化分析，并參考《膨脹土地區建筑技術規范》(GB50112—2013)[6]，確定路堤邊坡的大氣影響深度約為4.0 m。

表9 路堤土體含水率變化幅度

6 路基變形及穩定性分析

6.1 路基膨脹變形分析

按路基基床厚度2.5 m，表層厚度0.6 m填筑級配碎石，底層厚度1.9 m填筑A、B組填料考慮。

根據《膨脹土地區建筑技術規范》[6]，膨脹變形量按下式計算

式中：ψe為計算膨脹變形量的經驗系數；δepi為第i層土的荷載作用下的膨脹率；hi為第i層土的厚度；n為計算深度內劃分的土層數。

通過計算，路堤基床未填筑時，路基表面膨脹變形為74.86～74.52 mm。填筑后，在上覆基床壓力下，路基表面膨脹變形為0.39～3.81 mm，變形很小，不會對路基面的平順性產生影響。

6.2 路基穩定分析

路堤地段，自路堤面以下0～8 m范圍內邊坡坡率為1∶1.5，8 m以下為1∶1.75。大氣影響深度4.0 m范圍內，取浸水飽和的固結快剪指標c=10.9 kPa、φ=21.1°，非大氣影響深度范圍浸水飽和的固結快剪指標c=17.7 kPa、φ=21.3°。采用圓弧滑動法進行穩定性檢算，計算結果見表10。

表10 路堤穩定安全系數

經路堤穩定性檢算，當路堤邊坡高度≤8 m時，穩定安全系數大于1.25，滿足《鐵路特殊路基設計規范》(TB10035—2006)[7]規定的要求，邊坡高度大于8 m時，穩定性不滿足規范要求，需采取放緩邊坡或加設護道的措施(見圖2)。

圖2 路堤穩定檢算示意

7 現場監測成果分析

7.1 路堤水平位移

為了研究低膨脹性粉質黏土作為填料的適用性，選取某路堤填筑試驗段。該段路堤填高7 m，在路堤基床以下布設單點沉降計、分層沉降管，兩側邊坡安裝測斜管，檢測路堤填筑后的水平變形及豎向位移情況，路堤兩側深層水平位移隨時間變化過程見圖3、圖4。最大水平位移見表11。

圖3 路堤右側不同深度處土體水平位移

圖4 路堤左側不同深度處土體水平位移

由表11可以看出，A、B組土和級配碎石填筑前最大水平位移為4.1 mm，發生在0.5 m深度處；A、B組土和級配碎石填筑后最大水平位移為42.0 mm，發生在0.5 m深度處；A、B組土和級配碎石填筑后1.5～6.0 m深度范圍內的最大水平位移為6.8 mm，發生在2.0 m深度處；A、B組土和級配碎石填筑后2.0～6.0 m深度范圍內的最大水平位移為6.8 mm，發生在2.0 m深度處。根據深層水平位移變化情況可知，基床A、B組土和級配碎石填筑導致路堤邊坡淺層(2.0 m深度以內)土體發生較大水平位移，其0.5 m處發生的位移最大(主要受基床施工填筑及碾壓的影響)，在此之后水平位移逐漸穩定。A、B組土和級配碎石填筑后深層水平位移基本在5 mm范圍內，路堤邊坡整體水平位移較小，路堤處于穩定狀態。

表11 最大水平位移統計

7.2 路堤沉降變形

路堤在基床填筑前表面實測最大膨脹變形為4.22～11.64 mm。基床填筑后表面實測數值表現為壓縮變形，主要為路堤填土的膨脹、沉降、地基土體壓縮變形的綜合結果，在上覆基床壓力下，膨脹變形不會對路基面的平順性產生影響。

8 結論

對路基的變形和穩定性檢算以及現場監測成果表明，弱膨脹性土直接填筑基床以下路堤可行，但路堤邊坡高度不宜大于8 m；邊坡高度大于8 m時，需采取放緩邊坡或加設護道等措施，并應加強路基防排水。

嚴寒地區粉質黏土路基邊坡的穩定及防護，應考慮凍融循環、淺層溜塌等因素的影響，坡面盡量采用輕型護坡并結合植物防護等措施，減少春融對坡面的影響[13]。

[1] 四川省水利電力學校.土質及土力學[M].北京：水利出版社，1980

[2] 鐵道第一勘察設計院.TB10077—2001 鐵路工程巖土分類標準[S].北京：中國鐵道出版社，2001

[3] 鐵道第一勘察設計院.TB10001—2005 鐵路路基設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[4] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.TB10102—2010 鐵路工程土工試驗規程[S].北京：中國鐵道出版社，2011

[5] 鐵道第一勘察設計院.TB10012—2007 鐵路工程地質勘察規范[S].北京：中國鐵道出版社，2007

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50112—2013 膨脹土地區建筑技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012

[7] 鐵道第四勘察設計院.TB10035—2006 鐵路特殊路基設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2006

[8] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50007—2011 建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011

[9] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.TB10038—2012 鐵路工程特殊巖土勘察規程[S].北京：中國鐵道出版社，2012

[10] 鐵道第一勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊(路基)[M].北京：中國鐵道出版社，1992

[11] 鐵道第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999

[12] 殷宗澤.土工原理[M].北京：中國水利出版社，2007

[13] 陳之祥，等.熱參數對凍土溫度場的影響及敏感性分析[J].水利水電技術，2017(5):136-141