基于現場監測的膨脹土大氣影響帶分析研究

張 翔 瑋

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

1 概述

膨脹土對淺表層輕型工程建設的危害是全球性技術難題，由于其不良工程特性導致的工程問題或地質災害的頻繁發生，一直是當今巖土工程和工程地質領域中世界性的重大工程問題之一。膨脹土黏土礦物含量較高，以蒙脫石、伊利石為主，容易吸水膨脹失水收縮[1]。在大氣與土壤之間水分和能量的交換過程中，膨脹土的工程性質逐漸發生改變，強度不斷衰減，從而引發工程問題。

通常認為，膨脹土的大氣影響帶是指在自然氣候作用下，由降水、蒸發、地溫等因素引起土體膨脹變形的有效深度[2]。大氣影響帶中，對氣候變化具有敏感性響應的區段又可以劃分為急劇影響帶，在急劇影響帶以下，各參量受氣候變化影響但變化波動要小，且會存在明顯的滯后性[3]。大氣影響帶土體經受反復干濕循環，脹縮裂隙發育，土體的整體性遭到破壞，表層常被裂隙分割成散粒狀，同時受沉積環境控制和后期生物作用影響多呈灰褐色，裂隙極發育，孔隙比較大，土體含水量隨季節變化極大，在非雨季時強度較高，下雨飽和后強度迅速降低，因此，判定大氣影響帶的試驗指標主要為含水量與孔隙比[4]。

本文以浩吉鐵路三荊段某膨脹土路基試驗段為例，通過現場監測進行大氣影響帶的研究，可以確定膨脹土地基的換填處理深度，驗證設計措施的合理性。

2 大氣影響帶影響因素

大氣影響帶最直接的影響因素為含水率，而含水率的變化受降雨量、蒸發量、土溫、氣溫數個環境因素與地形地貌、地下水、土層分布有關。多個研究表明最主要的影響因素仍然為環境因素中的降雨量與土溫。其中蔡耀軍[5]對南陽地區的膨脹土地質研究得出：大氣影響帶含水量通常在22%以上，孔隙比平均值大于0.7的結論。

出于工程實踐指導的意義，本次現場監測試驗主要通過對換填基床厚度范圍內的含水率監測，來確定大氣影響深度，與采用規范相關資料計算深度進行對比，以驗證設計措施的合理性。

3 大氣影響帶分析

大氣影響帶深度評價方法主要分為實測與經驗值計算兩種方法。其中實測主要依靠土層深層變形觀測、含水量觀測以及地溫觀測來確定，該方法確定的大氣影響帶深度最為準確、直接，但耗時長，成本高。經驗值計算主要是通過收集查閱當地有關氣象資料，確定當地土的濕度系數，再依據濕度系數查閱相關規范內相關表格進行插值確定，該方法優點在于相對經濟、高效，但誤差相對較大。

3.1 經驗值計算法

根據GB 50112—2013膨脹土地區建筑技術規范，土的濕度系數Ψw可依據當地有關氣象資料按式(1)計算：

Ψw=1.152-0.726α-0.001 07c

(1)

其中，α為當地9月至次年2月的月蒸發力之和與全年蒸發力之比值(月平均氣溫小于0 ℃的月份不統計在內)；c為全年中干燥度大于1.0且月平均氣溫大于0 ℃月份的蒸發力與降水量差值之總和，mm，干燥度為蒸發力與降水量之比值。

通過查閱相關資料，本次試驗段所在的地區1月～12月蒸發力及降水量見表1。

表1 試驗段所在地區1月～12月蒸發力及降水量

通過式(1)計算，得出試驗段的土的濕度系數Ψw為0.813。通過表2，可依據Ψw插值確定大氣影響帶深度。

表2 試驗段土的濕度系數和大氣影響深度

依據表2，可算得試驗段大氣影響帶深度為3.436 m，根據規范內5.2.13條，可求得大氣影響急劇層深度為1.546 m。

3.2 實測法

實測法采用含水率與變形觀測方法研究，以浩吉鐵路三荊段膨脹土路基試驗段中DK952+000與DK952+250斷面為例：DK952+000地基土為強膨脹土，DK952+250地基土為中膨脹土，設計要求弱中膨脹土路塹基床底層換填1.0 m改良土、強膨脹土基床底層換填1.9 m。兩個斷面均在塹頂外側5 m處，在埋深0.5 m,1 m,1.5 m,2 m,3 m,4 m,5 m處埋設含水量計與多點位移計，開展持續性的監測工作，布設方案詳見圖1,圖2。

圖3為DK952+000斷面監測成果，埋深0.5 m～2 m的含水量最高值分別為：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的變形量最高值分別為：2.7 mm，2.4 mm，2.1 mm，1.9 mm，埋深0.5 m～1.5 m變形值均超過2 mm。可見，區內強膨脹土埋深1.5 m以內土體的含水量與變形對季節變化響應更大，波動幅度也更大。

圖4為DK952+250斷面監測成果，埋深0.5 m～2 m的含水量最高值分別為：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的變形量最高值分別為：2.1 mm，1.9 mm，1.3 mm，0.7 mm，埋深0.5 m～1.5 m變形值均超過1 mm。可見，區內中膨脹土埋深1.5 m以內土體的含水量與變形對季節變化響應同樣更大，波動幅度也更大。

同時，變形監測成果分析顯示試驗段內強膨脹土3.5 m以下含水量及變形不再明顯，中膨脹土則為3 m以下不再明顯。

根據現場監測成果，可以認為，區內強膨脹土大氣影響帶深度為3.5 m，強膨脹土大氣影響帶深度為3 m，兩者0 m～1.5 m范圍內為大氣劇烈影響層，該層對外部氣候變化敏感，含水量變化劇烈，1.5 m～3.5 m(3 m)范圍內敏感性逐漸減弱，含水量變化幅度逐漸減弱，大氣影響帶以下不再受大氣影響，整體性狀穩定。

與經驗值計算成果對比：強膨脹土實測確定的大氣影響帶厚度與經驗計算所得基本一致，中膨脹土實測結果要稍小于計算所得，但大氣急劇影響層厚度基本一致。

4 路基基床換填厚度建議

通過前述對比分析可知：蒙華鐵路三荊段內強膨脹土大氣影響帶厚度在3.5 m，其中埋深1.5 m范圍內為大氣急劇影響層；中膨脹土大氣影響帶厚度在3 m，其中埋深1.5 m范圍內為大氣急劇影響層。根據TB 10035—2018鐵路特殊路基設計規范內的要求，重載鐵路膨脹土路塹基床在弱～中膨脹土中處理深度不小于1 m，在強膨脹土中不小于基床底層深度且考慮大氣影響急劇層深度。因此，根據試驗段監測成果，浩吉鐵路三荊段內膨脹土路塹基床換填厚度應不小于1.5 m，即基床表層換填0.6 m+基床底層換填厚度不小于0.9 m，設計采用的弱中膨脹土路塹基床底層換填1.0 m改良土、強膨脹土基床底層換填1.9 m厚改良土方案是合理的。

5 結語

本文分別通過經驗值計算與現場監測對浩吉鐵路三荊段膨脹土的大氣影響帶進行了分析研究，成果小結如下：

1)膨脹土的大氣影響帶厚度是判定基床處理深度的關鍵因素，而判定其影響帶厚度的主要指標是含水量與孔隙比兩項。

2)通過在現場強膨脹土與中膨脹土的含水量與位移變形監測，確定本區內強膨脹土大氣影響帶厚度在3.5 m，其中埋深1.5 m范圍內為大氣急劇影響層；中膨脹土大氣影響帶厚度在3 m，其中埋深1.5 m范圍內為大氣急劇影響層。強膨脹土實測確定的大氣影響帶厚度與經驗計算所得基本一致，中膨脹土實測結果要稍小于計算所得，但大氣急劇影響層厚度基本一致。

3)根據試驗段監測成果，浩吉鐵路三荊段內膨脹土路塹基床換填厚度應不小于1.5 m，即基床表層換填0.6 m+基床底層換填厚度不小于0.9 m，設計采用的弱中膨脹土路塹基床底層換填1.0 m改良土、強膨脹土基床底層換填1.9 m厚改良土方案是合理的。