熊自英,田 野

(1.西南交通大學(xué)希望學(xué)院,四川成都 610400；2.中鐵十九局集團(tuán)第七工程有限公司,廣東珠海 519000)

膨脹土的脹縮性已被土木工程設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)及科學(xué)研究領(lǐng)域的從業(yè)者熟知，該類土體引起的路基病害更是數(shù)不勝數(shù)，也引起了足夠的重視，如人們首次認(rèn)識(shí)其危害，即始于1938年美國(guó)俄勒岡州鋼制倒虹吸管的大規(guī)?；A(chǔ)破壞[1]。之后，學(xué)者們對(duì)膨脹土特性及其引起路基病害的機(jī)理及治理措施進(jìn)行了大量研究，取得了諸多研究成果。如Komine[2]通過(guò)壓實(shí)膨脹土的膨脹性試驗(yàn)得出，膨脹量、膨脹力只與初始干密度有關(guān)；Sridharan和Thripathy[3]通過(guò)簡(jiǎn)化雙電層模型的數(shù)學(xué)表達(dá)，提出了膨脹力的簡(jiǎn)化計(jì)算模型。賈景超[4]通過(guò)考慮晶層表面的力場(chǎng)，提出了微觀晶層膨脹模型，并將之應(yīng)用于膨脹土宏觀膨脹力的計(jì)算；梁大川[5]認(rèn)為，引起泥巖及頁(yè)巖水化膨脹力的主要因素為粘土顆粒之間的相互排斥力，并依據(jù)雙電層理論提出了用礦物學(xué)參數(shù)計(jì)算水化膨脹力的方法。楊慶[6]綜合考慮應(yīng)力與含水量因素，提出了膨脹土三維膨脹的本構(gòu)關(guān)系。文松松等[7]系統(tǒng)研究了極限膨脹力的影響因素，認(rèn)為其與膨脹土初始含水率及初始干密度有較大關(guān)系，并提出了基于膨脹土均勻性的弱膨脹土極限膨脹力與含水率及干密度的經(jīng)驗(yàn)公式。但由于膨脹土的脹縮機(jī)理及膨脹力的取值尚未良好解決，膨脹土及其工程問(wèn)題仍為巖土工程領(lǐng)域的世界性難題及研究熱點(diǎn)[8-9]。我國(guó)高速鐵路的建設(shè)遇到大范圍的膨脹土路基問(wèn)題，八縱八橫高等級(jí)鐵路沿線均有不同范圍和膨脹等級(jí)的該類土體分布，建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中也出現(xiàn)了不同程度的路基病害。某鐵路K197+846～K198+369段路基即存在明顯的路基上拱病害，最大上拱量達(dá)50! mm，給行車安全造成了威脅，本文即以此為工程案例，研究膨脹土路基上拱病害的形成機(jī)理，并提出處治措施建議。

1 工程地質(zhì)條件及病害特征

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)西部百色盆地區(qū)域，該盆地呈NW-SE走向，長(zhǎng)92 km，寬7～14 km，總面積828 km2，盆地四周為中低山，內(nèi)部分布丘陵、河谷及河流階地，基巖多被第四系堆積物覆蓋。路基上拱病害工點(diǎn)處為為低填淺挖路基，屬丘陵剝蝕地貌，地形起伏不大，總體地面坡度10～15°。

該處膨脹巖(土)地層包括：表層覆蓋的第四系膨脹土，主要為坡殘積成因，弱-中膨脹，厚度1～1.5 m；基巖為第三系那讀組(E2n)地層，巖性為灰綠色泥巖，鈣質(zhì)泥巖夾少量砂巖，下部含褐煤，泥巖具有弱至中膨脹性；地下水以孔隙水及基巖裂隙水為主，大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，經(jīng)入滲補(bǔ)給，沿著地形的自然坡向向低處滲流。施工時(shí)，清除表層第四系覆蓋層，并開(kāi)挖至基床底層標(biāo)高，然后按設(shè)計(jì)要求的壓實(shí)度等要求，進(jìn)行基床底層和基床表層的施工，期間嚴(yán)格控制各層防水層的施工質(zhì)量。

如圖1所示，CPIII測(cè)量結(jié)果顯示，軌面上拱可達(dá)50.1 mm。

圖1 研究工點(diǎn)地質(zhì)條件及軌面上拱

地面調(diào)查發(fā)現(xiàn)，邊溝內(nèi)側(cè)路肩有縱向地表開(kāi)裂現(xiàn)象，形成寬3～10 cm、深達(dá)60 cm的地表裂縫，如圖2所示。電纜槽與混凝土護(hù)肩、電纜槽與基床表層之間存在間隙，電纜溝內(nèi)的水會(huì)順此處間隙灌入路基。盲溝出口未見(jiàn)水流排出(圖3)，推測(cè)盲溝排水不暢，甚至無(wú)法排水。

圖2 邊溝內(nèi)側(cè)的地表裂縫(據(jù)中鐵二院)

圖3 盲溝排水不暢(據(jù)中鐵二院)

經(jīng)對(duì)基床表層和基床底層鉆探取樣試驗(yàn)，填料均有膨脹性。

2 病害機(jī)理分析

由上述病害特征可知，軌道表面存在明顯上拱病害，最大達(dá)50 mm以上。軌面上拱應(yīng)為基床上拱所致，而基床填料無(wú)膨脹性，則該上拱病害應(yīng)由地基巖土體的膨脹所致。而且，有以上關(guān)于地表裂縫和盲溝的排水情況可知，地表水有下滲條件，當(dāng)雨季降雨量大時(shí)，路基兩側(cè)地表水從平臺(tái)裂縫下滲，加之盲溝排水不暢，地表下滲的水體會(huì)長(zhǎng)期儲(chǔ)存于膨脹性的泥巖中，路基范圍內(nèi)地下水位上升，導(dǎo)致泥巖膨脹，并最終導(dǎo)致軌面的上拱病害。

路基原位鉆孔揭示，上拱病害最嚴(yán)重處膨脹巖土地基的天然含水率為20.19 %～21.26 %，而吸水后飽和含水率為26 %～31 %。為了深入認(rèn)識(shí)并確定該處巖石的膨脹性，對(duì)該處泥巖進(jìn)行了取樣試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由該表中數(shù)據(jù)可知，基床的持力層為中膨脹泥巖，中間夾有弱膨脹粉砂質(zhì)泥巖。由表1可知，泥巖的膨脹性隨著埋置深度的增加而逐漸減小，與基床地面接觸的泥巖膨脹性最強(qiáng)，自由膨脹率可達(dá)70%以上。

表1 上拱病害最嚴(yán)重處基床底層下巖土體膨脹性試驗(yàn)結(jié)果

取1號(hào)巖樣進(jìn)行膨脹力試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)利用WG型三聯(lián)單杠桿固結(jié)儀(圖4)、采用平衡加壓法進(jìn)行。試驗(yàn)嚴(yán)格按照鐵路實(shí)驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行，在試樣盒中自下而上依次放置下部透水石、下部濾紙、試驗(yàn)巖樣、上部透水石、上部濾紙，巖樣直徑為φ61.5 mm，透水石厚度為10 mm。試驗(yàn)時(shí)，將試樣放入底座透水石(即下部透水石)的中心位置，安裝百分表并在平衡桿上懸掛塑料桶，調(diào)節(jié)固結(jié)儀平衡螺母并觀察平衡水準(zhǔn)氣泡，待固結(jié)儀平衡鋼桿水平后將百分表讀數(shù)歸零。自試樣盒上部凹槽緩慢加入實(shí)驗(yàn)室制備的蒸餾水直至水面高出試樣5 mm，并注意在試驗(yàn)過(guò)程中持續(xù)加水以保持該水面高度。試驗(yàn)中專人觀察百分表讀數(shù)的變化并做好記錄，過(guò)程中在塑料桶中緩慢加入石英砂以維持固結(jié)儀杠桿處于水平狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)束的控制條件為，百分表2 h內(nèi)讀數(shù)不變(變化率小于5 %)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，稱量塑料桶中石英砂的質(zhì)量，精確至g，按規(guī)范規(guī)定的公式計(jì)算膨脹力。進(jìn)行三組平行試驗(yàn)，取算數(shù)平均值作為最終膨脹力結(jié)果。

圖4 WG型三聯(lián)單杠桿固結(jié)儀

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，可見(jiàn)基床底部直接接觸的那讀組泥巖膨脹力最高可達(dá)135 kPa，平均值接近132 kPa。若計(jì)基床填筑密度為22 kN/m3，則該膨脹力相當(dāng)于6 m。而我國(guó)高速鐵路的基床表層厚度為0.7 m，基床底層厚度為2.3 m，合計(jì)厚度為 3.0 m(如圖1所示)，該厚度遠(yuǎn)小于膨脹力的當(dāng)量厚度，故在此膨脹力和基床厚度條件下，基床勢(shì)必在膨脹力的作用下發(fā)生上隆，最終導(dǎo)致軌面的上拱病害。

表2 上拱病害最嚴(yán)重處基床底層泥巖膨脹性試驗(yàn)結(jié)果

值得注意的是，不同的里程，雖然同為那讀組泥巖，但其膨脹力會(huì)有明顯差異。本文自上述上拱病害最嚴(yán)重的里程處開(kāi)始，向大里程方向100 m沿鐵路線長(zhǎng)度內(nèi)，取樣四處(距上述最大上拱病害里程處，下稱點(diǎn)位距，分別為25 m、50 m、75 m、100 m)，進(jìn)行基床底部泥巖的膨脹力測(cè)試，測(cè)試方法及過(guò)程與上述方法及過(guò)程完全一致，膨脹力結(jié)果如表3所示?？梢?jiàn)最小膨脹力僅為52 kPa，當(dāng)量填筑厚度為2.36 m，此條件下基床將不會(huì)發(fā)生上隆，軌面將不會(huì)上拱，而相距100 m的點(diǎn)位卻上拱達(dá)50.1 mm，這樣會(huì)產(chǎn)生明顯的軌面不平順，對(duì)旅客舒適度甚至是列車運(yùn)營(yíng)安全造成很大威脅。

圖5為點(diǎn)位依據(jù)表3中數(shù)據(jù)繪制而成的巖土體初始含水量、膨脹后含水量、膨脹力隨點(diǎn)位距的變化曲線。由該圖可知，兩條含水量曲線基本平行，說(shuō)明各點(diǎn)位處巖石的吸水性大體一致；深入觀察仍不難發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)位距分別為50 m 和75 m的點(diǎn)位含水量變化較小，其對(duì)應(yīng)的膨脹力也較小，這可能和該處的地表水下滲條件有關(guān)，但含水量的變化與點(diǎn)位距為0、25 m、100 m的點(diǎn)位差別并不大，而膨脹力差別卻十分明顯，說(shuō)明各點(diǎn)處泥巖的膨脹性有很大差別，可能是由于巖石的礦物含量不同導(dǎo)致的。

表3 不同點(diǎn)位距泥巖膨脹力試驗(yàn)結(jié)果

圖5 不同點(diǎn)位距處的巖土體膨脹力及含水量變化

由前述分析，軌面上拱的主要原因?yàn)榈鼗蛎浟Υ笥诨蔡钪亓?，即膨脹力土柱高度大于基床填筑高度。采用點(diǎn)位距0處(即前述上拱最大處)的上拱量50.1 mm和超出基床填筑高度的膨脹力當(dāng)量土柱高度(下稱超出土柱高度)3 m(6～3 m)作為參照，點(diǎn)位距為25 m、50 m、75 m、100 m處的超出土柱高度分別為2.01 m、0 m、0 m、0.67 m，則各點(diǎn)位處的上拱量將分別為33.56 mm、0 mm、0 mm、11.19 mm，如圖6所示?？梢?jiàn)100 m線路延長(zhǎng)內(nèi)由地基膨脹導(dǎo)致的軌面附加高差將達(dá)50.1 mm，亦即0.5 mm/m，會(huì)顯著影響列車運(yùn)行穩(wěn)定和安全，列車也不得不降低運(yùn)行速度。

圖6 不同點(diǎn)位距的上拱量

3 上拱病害處治措施建議

由以上分析可知，地基的膨脹土吸水膨脹是導(dǎo)致基床上隆，并最終形成軌面上拱的最主要原因。故該類地區(qū)軌面上拱的處治措施，應(yīng)以排水、防水為主，本文基于此提出如下處置措施：

(1)封閉路肩，做好地表排水，防治地表水下滲。

(2)加深盲溝，改善盲溝排水能力，排水通道應(yīng)暢通。

(3)增設(shè)盲溝檢查井，以提前檢查盲溝排水情況。

(4)對(duì)于既有工程，在加深盲溝過(guò)程中，應(yīng)注意盲溝側(cè)壁安全，可加設(shè)豎向微型鋼管樁。

(5)必要時(shí)，可在基床填料中施做斜向鋼花管注漿，增強(qiáng)基床的整體性，并提高基床密實(shí)度，以抵抗膨脹力。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析，研究鐵路膨脹土地區(qū)軌面上拱病害的機(jī)理，得出如下結(jié)論：

(1)軌面上拱的主要原因?yàn)榕蛎浲恋鼗奈蛎泴?dǎo)致的基床上隆。研究實(shí)例地段的膨脹力甚至達(dá)到2倍的基床重力，故而會(huì)引起顯著的軌面上拱。

(2)膨脹土地基的巖土體膨脹性能即使在短距離內(nèi)也可能有明顯的膨脹性差異，從而會(huì)引起明顯的軌面上拱差異，威脅行車穩(wěn)定和安全。

(3)膨脹土地區(qū)的軌面上拱病害整治措施應(yīng)以排水和防水為主，必要時(shí)可施做基床鋼花管注漿提高基床整體性和密實(shí)度。