辽长铁路膨胀土路堑试验研究

孙明祥 温鹏 钱洪光

(铁道第三勘察设计院集团有限公司(吉林公司),吉林吉林 132001)

新建辽源至长春铁路位于吉林省境内长春市的双阳区、四平市的伊通县、辽源市的东辽县,全长约97 km。本文研究的是DK43+200～DK44+150路堑段。该段路堑为冲积平原地貌,地势较平坦,表覆第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl),第四系孔隙潜水埋深12～14 m,为膨胀土路堑[1]。膨胀土是一种特殊土,是黏粒成分主要由亲水性矿物组成,同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的黏性土[2]。膨胀土这种特殊性质,是当今岩土工程领域中最复杂的课题之一,在各种勘察、设计中,膨胀土的问题都是重中之重。近年来,有关膨胀土的建筑工程、路基工程和线路边坡失稳产生了严重的工程病害,可以说“逢堑必滑,有堤必坍”,人们称它为“工程中的癌症”[3]。因此,膨胀土治理倍受重视,引起了人们对膨胀土变形特性的关注。

影响膨胀土胀缩的因素很多,总的说来可分为内因和外因两个方面[4,5]。内因:如矿物成分、颗粒成分、天然含水量、密实程度、结构特征等;外因:如气候、降雨量、水文工程地质条件及外部压力等。而内、外因的结合所反映的结果表现在土的胀缩性、水理性质及力学性质等指标上。由于实验条件有限,本文对膨胀土的研究只考虑内因(结构性和初始物理状态[6])对其胀缩能力的影响。

土的结构性是指土中颗粒或土颗粒集合体以及它们之间的孔隙的大小、形状、排列组合及联结等综合特征。因此,土的结构性除了应包括土的骨架和孔隙的几何特征(即土颗粒和孔隙的大小、多少、形状和分布等)外,从土力学的角度考虑,还应包括颗粒之间的联结特征。如果将孔隙看作是反映颗粒排列的一个方面,那么土的结构性就应该包括土中颗粒的排列特征(几何特征)和联结特征(力学特征)[7]。土的结构性是影响土力学特性诸要素中一个最为重要和本质的因素。谢定义等人沿着土力学研究的思路,对土的结构性进行了深入研究,直接以侧限压缩试验测定了土结构性定量化参数——综合结构势的方法[8],利用扰动、加荷和浸水方式可以使土的结构势充分释放出来。扰动能破坏土的联结作用,使土颗粒之间的联结强度降低;加荷既能改变土颗粒的排列方式,又可改变土颗粒的联结特征;浸水既可以使土中的化学物质弱化、溶解、吸力联结丧失,水膜的楔入作用又可使土所固有的涨缩势释放出来,构造了能同时反映土的排列特征和联结特征的土结构性定量参数

式中,S0,Ss和Sr分别为原状样、饱和样和重塑样在某一压力P的变形量:m1表示土的可变性;m2表示土的可稳性。土的联结越强,重塑样在力学作用下的变形也越大,即m2越小;土的排列越不稳定,浸水后发生的变形也越大,即m1越大。式(1)表示的结构性参数可以反映应力影响的动态过程。

1 实验方法

研究试样是辽源至长春铁路新建工程DK43+200～DK44+150路堑段,取样地点是DK43+509,取样深度分别为 2、4、6、8、10、12 m,每个深度下取双样 。利用WG型单杠杆固结仪(如图1)做侧限压缩试验[9];并对各深度试样做膨胀性试验[9],实验仪器如图2～图4。此次土样均为粉质黏土,黄褐色,含铜黄色斑点、铁锰质结核,局部含高岭土条纹,土质均匀,可见针状孔隙。

图1 侧限压缩试验

2.1 膨胀性试验

经室内土常规试验和膨胀性试验,可得试样的物理力学性质指标如表1。

图2 阳离子交换量试验

图3 蒙脱石含量试验

图4 自由膨胀试验

表1 膨胀性试验成果

根据表1结合铁路工程地质勘察规范[10]可知,各深度试样大多为弱膨胀土,并且由膨胀潜势分级指标可知,随着深度的增加其试样膨胀能力逐渐增强;结合试样的初始物理状态,可以发现:随着深度变化,试样的含水量逐渐变小,密度逐渐变大,孔隙比逐渐变小;这说明试样的膨胀能力与初始物理状态的含水量、密度,孔隙比有着密切的关系,即试样的膨胀能力随着密度的降低而增小,随含水量和孔隙比的减小而增大。

1.2 侧限压缩试验

本次侧限压缩试验试样尺寸为 Φ61.8 mm ×20 mm,原状土利用环刀制作,重塑土采用制备原状样后所用的扰动土,在控制和原状样相同的密度和含水量的条件下,通过静压法制备,饱和样通过装备上原样后注水来实现。根据应变综合结构势(结构性参数)计算公式(1),对于各个深度膨胀试样在不同的加载应力情况下的结构性参数进行计算,应力综合结构势与加载应力的变化曲线见图5。综合结构势mP的下标P表示土的结构性在受力变形过程中随加载应力P的大小而变化。

图5 mP与P的关系曲线

由图5知,膨胀试样的综合结构势随应力主要表现为先下降后平缓的曲线类型,并且在应力50 k Pa(含)之前都达到曲线的最小值,即在很小的压力下,可以达到综合结构势的最低点,并且在达到最低点过程中,曲线呈负相关性逐渐减小。

为了更好地分析试样结构性对其膨胀能力的影响,将图5中的各曲线整合到一张图中(如图6)。

图6 不同深度下结构性参数与压力关系曲线

由图6可以发现:

(1)各个深度下结构性参数曲线变化趋势大致相同,随着深度的增加,其综合结构势逐渐减小,说明了垂直方向上的变异性,也体现了土体在外界因素作用下(应力)的结构性变化越来越小,土体越来越稳定;综合结构势到了高压阶段最终都趋于一个稳定值。

(2)对于先下降后平缓这种曲线类型可以这样理解:试验加载压力未达到结构屈服压力以前,所加载的压力使得综合结构势增大,并到达一个最低点(结构最稳定点),也就是说土体结构势在一定程度上得到了增强而没有释放,反映了结构的调整与压密效果。这种调整和压密的效果使土体存在着结构可增强势,在外界影响因素(压力)作用下使得土体原生结构能够进一步挤密压缩而不会被破坏;此阶段属于土体原生结构破坏次生结构形成的过程,也是土体可变性向可稳性转变的过程。随着压力继续增大,最后综合结构势基本稳定在一个水平上。这表明压力未达到土体结构稳定点时,土颗粒的排列的不稳定势较大,在较小的应力增量下,可以引起较大的突变,这时土的结构可变性较大,可稳性较小。随着压力继续增大,土颗粒原有的不稳定势被大大消减,在相同的应力增量下,不会引起较大的突变,这时土的结构性可变性最小,可稳性最大。之后,压力的增大已经不能使土的密度进一步增大,而稳定在一个水平上,此时土体可变性趋于零,而可稳定性达到定值,原生结构彻底打破,次生结构形成。

(3)基于应变的结构性综合结构势很好地反映了结构性参数在深度上的结构变化规律,即随着深度的增加,其综合结构势逐渐减小,试样越来越稳定,与此对应的其膨胀能力也越来越大,这也证明了试样的结构性也是影响其膨胀能力的一个内在重要因素。

2 结论与工程建议

(1)辽源至长春铁路新建工程DK43+200～DK44+150段路堑为弱膨胀土路堑,并且随着深度的增加土体膨胀能力逐渐增强。

(2)实验证明,影响土体膨胀能力的因素与初始物理状态的含水量、密度,孔隙比和其自身的结构有关,即:随着深度的增加,土体的含水量逐渐变小,密度逐渐变大,孔隙比逐渐变小,土体的结构性逐渐增强,表现土体的膨胀能力逐渐增强。此结论可供该地区工程设计、施工参考和借鉴。

(3)针对辽长新建铁路膨胀土路堑的病害处理原则:保湿防渗。建议放缓堑坡并防护,路堑边坡高度大于10 m时,边坡坡率及形式应结合稳定性分析计算进行设计。堑顶外设天沟并防护,做好截排水工作,根据情况做适当的有孔管排水工作,必要时修建挡土墙。膨胀土不可作为路基填料使用,路基两侧禁止取土;若取土,可采用掺石灰改良膨胀土,石灰剂量为4%～12%,掺石灰改良后应达到胀缩总率小于0.7为准,以接近零为最佳,视情况而定,通过试验确定具体掺灰率。

[1]吉林铁道勘察设计院有限公司.辽源至长春铁路新建工程初步设计·第四篇地质[R].吉林:吉林铁道勘察设计院有限公司,2010.

[2]常士骠,张苏民,等.工程地质手册(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2007

[3]郑健龙,杨和平.膨胀土处治理论、技术与实践[M].北京:人民交通出版社,2004

[4]李生林,等.中国膨胀土工程地质研究[M].江苏:江苏科学技术出版社,1992

[5]唐大雄,等.工程岩土学(第二版)[M].北京:地质出版社,1999

[6]张志伟,张玲玲.陕南地区膨胀土的膨胀性试验研究[J].路基工程学报,2010(3):190-191

[7]齐吉琳,谢定义,等.土结构性的研究方法及现状[J].西北地震学报,2001,23(1):99-102

[8]谢定义,齐吉琳.土结构性及其定量化参数研究的新途径[J].岩土工程学报,1999,21(6):651-656

[9]TB 10102—2004 铁路工程土工试验规程[S]

[10]TB 10012—2007 铁路工程地质勘察规范[S]