降雨入滲條件下客土覆蓋膨脹土變形計算研究

馬艷秋

南寧軌道交通建設有限公司 廣西 南寧 530000

膨脹土是富含親水性礦物的特殊土，呈現出吸水顯著膨脹軟化、失水迅速收縮開裂等特征[1]，大量工程實踐表明，由于膨脹土的膨脹變形或差異變形過大，上部構筑物易發生變形破壞[2]。封閉包蓋法是一種常用的處理膨脹土路基方法，已具有較多成功應用案例[3-5]。該方法采用非膨脹土或加筋膨脹土將填芯膨脹土四周封閉，阻隔外界干濕循環對堤芯填土的作用，控制膨脹土的濕度變化范圍，進而保持其強度且不產生過大變形。

許多學者針對包蓋法的包邊厚度和處理效果進行了研究，楊和平等[6]通過研究采用包蓋法處理的路堤內膨脹土含水量、位移等實測數據，提出了包蓋法包邊厚度的確定方法。賀迎喜[7]基于膨脹土的物理力學參數，對采用包蓋法處理的路堤進行長期觀測，分析路堤位移和變形特征，認為包蓋法可有效減小路堤的膨脹變形。文獻[8]規定采用非裂土包蓋裂土(膨脹土)填筑路堤時，包邊的垂直厚度應不小于1m。包蓋法是利用非膨脹性覆蓋土的隔濕作用，這種隔絕作用與蓋土的性質、厚度以及降雨強度等有關。本文結合改進的Green-Ampt入滲模型和膨脹土變形經驗公式，建立了客土覆蓋條件下膨脹土變形的計算方法，研究了積水厚度、客土覆蓋厚度、入滲時間對膨脹土變形的影響，并將計算方法在實際工程進行了應用。

1 計算模型建立

1.1 降雨入滲模型

Green-Ampt入滲模型[9]是W.H Green和G.A.Ampt根據毛管理論提出了近似的積水入滲模型。該模型假設入滲過程中濕潤鋒面始終為一個干濕截然分開的界面，濕潤峰內土體處于飽和狀態，濕潤鋒前土體保持初始含水量，沒有考慮干濕過度區的作用。文獻[10]根據實測資料和積水入滲的土壤水分剖面變化特征，假定濕潤區的范圍近似等于實際濕潤鋒深度L的一半。修正后的入滲模型如下式所示：

1.2 土體吸力

上述入滲模型還需土體吸力參數，土體吸力可通過現場或室內壓力板試驗測得。在缺少試驗條件時，可利用已有的土-水特征曲線（SWCC）中獲得。土-水特征曲線主要是描述土體的含水率（飽和度）與基質吸力之間的關系，它能夠反映出不同基質吸力下土體的持水特性和水穩能力。不同類型土的土-水特征曲線擬合或預測模型較多，文獻[11]取現場土體進行室內試驗于VG土-水特征曲線模型進行了對比，驗證了該模型的準確性。本文將此模型應用于覆蓋土吸力計算中，如式（2）所示。

式中：a、m、n均為擬合參數；為殘余體積含水率。對于膨脹土吸力，文獻[12]通過室內和野外吸力量測，對土-水特征曲線進行擬合和比較，建立了冪函數模型，如式（3）所示：

式中：A、β均為擬合參數。

1.3 膨脹變形計算方法

膨脹土吸水變形與土體的初始干密度、初始含水率和所受壓力等有關，文獻通過[13]膨脹變形試驗，建立了南寧膨脹土膨脹率的三元回歸方程,并通過某大型模型試驗驗證了該方程的正確性與實用性。本文應用此方程計算膨脹土的膨脹變形，如式（4）所示，此處計算的是膨脹土最終膨脹變形，積水入滲停止后，膨脹變形仍然持續。

1.4 計算步驟

本文計算采用包蓋法處理的膨脹土路基變形時，不考慮非膨脹性的覆蓋土的吸水變形。計算步驟如下：①利用式（2）和式（3）分別計算覆蓋土和膨脹土在天然含水率下的土體吸力；②對式（1）進行積分運算，計算在指定入滲時間濕潤峰的深度，積分時不同土體采用不同土體參數；③濕潤峰深度范圍內的膨脹土利用式（4）計算獲得土體的膨脹變形量。

2 計算結果分析

計算所需土體參數和擬合參數如表1所示，計算簡圖如圖1所示，下文將分別從積水深度（降雨強度）、包蓋厚度及入滲時長對膨脹土體變形的影響。

圖1 計算簡圖

表1 土體參數表

2.1 積水深度（降雨強度）

為了研究積水深度與膨脹變形的關系，設置覆蓋土厚度為1m，入滲時間為7d，積水深度的變化范圍為0～0.2m。隨著積水深度的增加，膨脹變形不斷增加，且呈顯著的線性關系（如圖2所示）。積水深度為0時（無積水），仍存在明顯的膨脹變形，非飽和土吸力引起降雨入滲引起膨脹變形量較大，因此膨脹土路基處理需以控水防滲措施為主。

圖2 積水深度與膨脹土變形關系圖

2.2 覆蓋土厚度

為了研究覆蓋土厚度與膨脹土變形之間的關系，設置積水深度為0.02m，入滲時間為7d，覆蓋土厚度變化范圍為0～3m。隨著覆蓋土的厚度增加，膨脹變形量逐漸減小，且減小趨勢逐漸降低，當覆蓋土厚度達到3m時，膨脹土變形量接近于0（如圖3所示）。覆蓋土的控水防滲作用可以有效減小膨脹土的膨脹變形，但覆蓋土的設置厚度與其自身的滲透性、含水量、土體吸力等有關，需根據不同的土體參數計算合適覆蓋土厚度。

圖3 覆蓋土厚度與膨脹變形關系圖

2.3 入滲時長

為了研究入滲時間與膨脹土變形之間的關系，設置覆蓋土厚度為1m，積水深度為0.02m，入滲時間變化范圍為0～40d。膨脹變形隨入滲時間的增加不斷增加，且入滲開始時膨脹變形增加較大，隨著時間增加，變形增加趨勢逐漸放緩（如圖4所示）。降雨入滲初期是膨脹變形增加最快的時期，對于有變形控制的膨脹路堤和邊坡等工程，需加強監測和預防措施。

圖4 入滲時間與膨脹變形關系圖

3 工程應用

某發電廠項擬建于寧明縣縣城西部工業園區內，擬選場地面積約180畝，主要位于丘包上，場地中部發育一條近東西走向的丘脊，由此丘脊走向對應的由西至東地勢較高，北側及南側丘溝地段地勢相對較低。場地范圍地面高程140m～169m，最大相對高差28m，坡度2°～15°，總體地形較平緩。以東西向丘脊為界，廠區北側初步按149～154m標高平整，南側按156～160m標高平整。根據鉆孔揭露及現場地質調查，廠址區的上覆土層為第四系人工堆積層（Qs）、殘積層（Qel）黏土、下伏基巖為古近系始新統～新近系上新統邕寧群（E2-Ny）泥巖。各巖土層參數如表3所示。

表3 各巖土層參數表

場區內巖土層主要接受大氣降水補給，受季節影響明顯，水位變幅大，沒有統一地下水位，由于表層土層及表層全風化泥巖層含水量較大，鉆孔內見明顯的滲水水位。場區運行期間地表水下滲使得土體膨脹從而可能導致邊坡坡面、硬化路面出現開裂、不均勻沉陷等問題。因此，在場區地面平整時填方區域采用非膨脹土或改性膨脹土，對于挖方區域采用先超挖在回填非膨脹土或改性膨脹土的措施，需計算合理的覆蓋厚度。

非膨脹土或改性膨脹土相關參數按照本文第二小節中覆蓋土取值。場區地表排水條件較好，暴雨條件下地面積水厚度取為0.02m，考慮連續7天積水工況下，膨脹土的膨脹變形。為了防止場區坡面和地面開裂或不均勻沉降，將膨脹變形控制在5mm內。根據本文所提出的計算方法，將地面膨脹變形場區內膨脹性粘土和全風化泥巖的覆蓋層厚度分別取為2.2m和1.5m。

4 結論

（1）提出了客土覆蓋下膨脹土變形計算方法，采用改進的Green-Ampt入滲模型計算濕潤峰的深度，濕潤峰深度范圍內的膨脹土利用經驗公式獲得土體的膨脹變形量。

（2）研究了積水厚度、客土覆蓋厚度、入滲時間對膨脹土變形的影響。隨著積水深度和入滲時間的增加，膨脹土膨脹變形逐漸增大，而隨著覆蓋厚度增加，變形逐漸減小。

（3）將客土覆蓋下膨脹土變形計算方法應用于南寧寧明縣某場區的地面平整計算中，確定了采用換填法時不同膨脹土層的覆蓋層厚度。