高速铁路泥岩地基膨胀特性试验研究

张唐瑜，马丽娜，张戎令, 2, 3，王天双，李进前，李航辉



高速铁路泥岩地基膨胀特性试验研究

张唐瑜1，马丽娜1，张戎令1, 2, 3，王天双1，李进前1，李航辉1

(1. 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070； 2. 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃 兰州 730070； 3. 卡迪夫大学 工程学院，英国 CF24 3AA)

以兰新高铁一处典型膨胀泥岩路段为研究对象，在此现场取样，室内自制试验箱进行厚度分别为20，40和60 cm的泥岩地基膨胀模型试验研究。研究结果表明：随着注水量和时间的增加，地基膨胀量整体呈外凸弧线增长；含水率小的地基膨胀潜势大，地基易膨胀，含水率大的地基反之；不同深度处的泥岩膨胀量不同，随着深度的增加，膨胀量逐渐减小；不同厚度地基含水率与膨胀量均呈良好指数关系；对地基膨胀量与含水率及地基厚度耦合作用下的计算模型进行探讨，计算模型所得膨胀量与实际室内试验量测数据拟合良好。研究成果可为膨胀泥岩地区高速铁路修建提供参考依据，对该地区同类工程建设具有借鉴意义。

泥岩；膨胀；地基；计算模型

我国高速铁路建设飞速发展，令人瞩目，高速列车与线路结构的相互作用已经成为当前研究铁路课题的重要内容，随着铁路向高速、重载的方向发展，地基已发挥出越来越重要的作用[1]。高速铁路无砟轨道对膨胀变形值的要求极为严格，膨胀允许调整量仅为+4 mm[2−3]。马丽娜等[4−7]对该地区泥岩进行了前期研究，发现该地区泥岩具有高铁不可忽视的微弱膨胀性。国内外很多学者对膨胀土的膨胀特性也进行了相关研究。黄斌等[8]通过三轴试验，得出相同初始含水率和压实度下，膨胀土的体积膨胀率随平均主应力的增大而减小。项伟等[9]通过固结仪对膨胀土试样进行膨胀变形研究，指出孔隙结构对弱膨胀土胀缩特性有重大影响。李芃等[10]对不同初始干密度下重塑膨胀土缩胀特性进行试验研究，并对试验结果进行了曲线拟合及理论分析。杨俊等[11]通过对膨胀土中掺入风化砂，得出掺砂可以有效抑制膨胀土的膨胀特性。Alonso[12]将试样所表现出来的胀缩变形分为微观结构变形与宏观结构变形。Basma等[13]通过实验发现，膨胀土膨胀受初始含水率或吸力状态的影响。Komine等[14]进行各种膨胀变形试验及膨胀土力学试验，提出膨胀土膨胀变形与膨胀力之间的关系式。上述研究主要集中在对小型土样的膨胀特性研究，而对较大尺寸的膨胀泥岩地基的微弱膨胀特性研究尚不多见。实际工程现场均以大体积为主，进行较大尺寸的膨胀特性研究更接近现场实际情况。从土工程试验技术本身的发展来看，大尺寸土工试验的应用，可以使岩土试样的局部缺陷、取样扰动等不可避免的随机因素的影响程度尽可能降低，可以使试验更宏观化，在同样的仪器精度下，提高试验成果的精度和可靠度[15]。因此，对大尺寸膨胀泥岩地基进行膨胀特性试验研究更为必要。本文依托兰新高铁第二双线，选取一处典型膨胀泥岩地段的土样，研究含水率及厚度对大尺寸膨胀泥岩地基膨胀量的影响，为泥岩地区高速铁路的修建提供参考依据。

1 试验概况

研究含水率及厚度对泥岩膨胀量的影响。

1.1 试验方案

试验土样取自兰新高铁第二双线DK1236处，采用钻机取样，取样深度8~13 m，土样的基本物理特性见表1。泥岩的膨胀量对含水率比较敏感，在土样钻取、运输和储存过程中，对泥岩含水率的影响较大，因此进行地基试验之前将土样在烘箱内进行彻底烘干，然后人工制备含水率为5%的土样并分层击实后进行试验。

表1 泥岩基本物理力学指标

1.2 试验过程

1) 将土样碾细并过5 mm筛；

2) 为限制土样的侧向膨胀变形，试验在长100 cm，宽64 cm，高70 cm，厚1.5 cm的铁制试验箱中进行；

3) 在夯实过程中将注水管插入土样，注水管管壁打直径2 mm的小孔以方便水流的入渗，为尽可能实现均匀注水，孔分布为上部疏，下部密，在注水管底部用橡胶套将其封住以防止水从底部流出；

4) 土样夯实后，将磁性夹持装置吸附于铁箱壁上，再架设百分表；

5) 为量测地基整体膨胀，试验中设置7个百分表，用于相互校正，试验装置布置示意图如图1 所示；

6) 百分表架设完毕后进行初始读数，然后进行注水和读数工作，试验为分级注水，每级注水量为干土重量的2%；

7) 注水结束后进行读数，每天进行不少于6次的读数，当本次读数与上次读数差值小于0.02 mm时,进行下次注水，当某次注水后土样不发生膨胀或膨胀量极小，则结束试验；

8) 共进行20，40和60 cm3个厚度的地基膨胀试验, 历时5个多月。

图1 试验布置立体图

图中：1为位移传感器，量程为50 mm，对百分表进行编号，最中间为1号，两边为6号和7号，临近试验箱长边为2号~5号；2为注水装置；3为试验箱；4为百分表支架；5为注水管；6为夯实泥岩；7为有机玻璃片，安置在位移传感器测量杆底部以提高测量精度。

2 试验结果分析

2.1 地基膨胀变形规律

对试验数据进行分析处理，可得地基模型膨胀量随注水量及时间的变化规律。因3组地基试验的过程及方法相同，所以膨胀变形规律也基本相同，现以20 cm地基为例进行论述，其他2组不再进行赘述。

以时间为横坐标，总膨胀量为纵坐标绘制地基膨胀时程曲线，如图2所示。

图2 20 cm地基膨胀变形时程曲线

由图2可知：

1) 1号位移传感器~7号位移传感器中，1号位移传感器周围有4个注水装置注水浸润，因而土样受水影响而膨胀较其他位移传感器明显，其膨胀量最大，为12.239 mm，其膨胀曲线处于图2最上面；2号~5号位移传感器位置对称，这4个位移传感器所量测的数据较1号小且数据较为集中，其膨胀曲线处于图2中间；6号和7号位移传感器较试验箱中部较远，量测的数据最小，为10.347 mm，其膨胀曲线处于图2最下面；地基平均膨胀量为11.242 mm。最大膨胀量与平均膨胀量的差值为0.997 mm，占平均膨胀量的8.87%；最小膨胀量与平均膨胀量的差值为0.895 mm，占平均膨胀量的7.96%。最大膨胀量及最小膨胀量与平均膨胀量的差值在平均膨胀量中的占比均较小，由此可知土体整体膨胀趋于均匀。

2) 随着注水量和时间的增加，地基膨胀量呈“阶梯型”增长，最后趋于稳定。

每2次注水之间的膨胀过程为一个“阶梯”，以地基第5次注水时1号百分表的膨胀规律(如图3)为例，可知。在158~163 h时，地基膨胀时程曲线近似于直线，且增长速率较大；在163~180 h时，膨胀曲线呈弧线增长，增长速率逐渐减小；在180~194 h时，膨胀曲线较平缓，近似于直线，增长速率较小，接近于0，地基膨胀速率达到最小。由此可得阶梯3部分分别为：①线性快速膨胀阶段；②非线性减速膨胀阶段；③线性缓慢膨胀阶段。

图3 第5次注水1号百分表膨胀曲线

3) 阶梯各阶段的膨胀量占本阶梯总膨胀量的比重不同。在试验前期，线性快速膨胀阶段产生的膨胀量占本阶段膨胀量的70%~85%，非线性减速膨胀阶段产生的膨胀量占本阶段膨胀量的10%~ 20%，线性缓慢膨胀阶段产生的膨胀量占本阶段膨胀量的2%~4%；在试验中期，线性快速膨胀阶段产生的膨胀量与非线性减速膨胀阶段产生的膨胀量约各占总膨胀量的45%~50%；在试验后期，线性快速膨胀阶段产生的膨胀量占本阶段膨胀量的30%~40%，而大部分膨胀量产生于非线性减速膨胀阶段。

4) 试验中期膨胀时程曲线偏于离散，经分析是由于土体是由人工夯实，不能保证每一块土体的密实度相同所导致的。因此后期分析取位移传感器量测的膨胀平均值进行试验数据分析。

2.2 含水率对地基膨胀量的影响

根据实验数据，提取出20 cm地基、40 cm地基和60 cm地基在不同含水率时的总膨胀量，并以含水率为横坐标，地基总膨胀量为纵坐标，绘制不同含水率与总膨胀量的关系，如图4~6试验曲线所示。

由图4~6可知：

1) 各厚度泥岩地基随着注水量增加，地基膨胀量逐渐增加，最后趋于稳定。

2) 随着含水率的增加，地基膨胀量呈外凸弧线非线性增加，地基膨胀量前期大，后期小。地基在相同注水量产生的膨胀量不同。含水率小时，膨胀量大，含水率大时，膨胀量小。

图4 20 cm地基含水率与总膨胀量关系

图5 40 cm地基含水率与总膨胀量关系图

图6 60 cm地基含水率与总膨胀量关系

分析原因如下：地基厚度一定，则导致地基产生膨胀的黏土矿物成分一定，含水率较小时，水分只与一小部分膨胀成分如蒙脱石、伊利石和高岭石等发生反应，而大部分膨胀成分未与水反应，未与水反应的土体储存着较大膨胀能；当含水率较大时，土体中大部分黏土成分与水均发生反应，膨胀能在前期释放较多，此时再遇水则产生膨胀量较小；土体中贮存膨胀能的释放大小以地基膨胀的多少表现出来，试验前期，土样较为干燥，土体内部膨胀能大，膨胀潜势大，因而前期膨胀量大；随着注水量的增加，膨胀能逐渐释放，膨胀潜势逐渐减小，导致后期地基膨胀量小，最后膨胀能释放完毕，地基不再膨胀，整体膨胀量趋于稳定。

2.3 地基膨胀量与含水率关系计算模型

通过进一步分析，发现地基含水率与总膨胀量呈指数关系，对3个厚度地基数据进行非线性拟合，分别得到拟合度达99.74%、98.65%和99.54%的拟合方程，拟合曲线如图4~6所示。分析拟合曲线，当含水率较小时切线斜率较大，当含水率较大时切线斜率较小。也即在注入等量水时，与含水率较大的地基相比较，含水率较小的地基更容易发生膨胀，含水率较小的地基有较大的膨胀潜势，符合实际试验结果。

膨胀量与含水率关系式为：

−b×c(1)

提取出不同厚度时系数，和的值，并列表，如表2。

表2 地基厚度与拟合系数关系

根据表2数值，以厚度为横坐标，系数，和值为纵坐标，进行绘图，如图7所示。

由图7可知，系数与地基厚度为线性关系，进行线性拟合，得到拟合度达到0.997的拟合方程，方程为：7.598+0.267；系数与地基厚度也为线性关系，进行线性拟合，得到拟合度达到0.979的拟合方程，方程为：=1.77+0.89；系数基本不随地基厚度变化，取3种厚度的平均值作为计算模型的，计算得=0.88。

图7 系数a, b, c与厚度的关系

将上述，和的计算式代入式(1)，得膨胀量在含水率及地基厚度共同作用下的计算模型：

=(7.598+0.267)−(1.77+0.89)0.88 (2)

式中：为地基膨胀量，mm；为地基厚度，cm；为地基体积含水率，%。利用该式可以对已膨胀地基进行膨胀量计算及膨胀潜势计算。也即，可以计算一定厚度、一定含水率的膨胀土地基已经发生多少膨胀量，如若继续浸水，还会发生多大的膨 胀量。

2.4 计算模型验证

为验证计算模型的正确性及通用性，在试验后期又进行了1组30 cm厚的地基模型试验。将其含水率与总膨胀量关系绘制成图，并将计算模型代入30 cm地基进行验证。实测值及模型计算值如图8所示。

由图8可知，30 cm地基膨胀试验实测数据与模型计算数据有较高拟合度，说明该计算模型可以进行相关的地基膨胀计算。

2.5 地基厚度对膨胀量的影响

根据实验数据，以地基厚度为横坐标，地基总膨胀量为纵坐标，绘制泥岩厚度和地基总膨胀量的关系，如图9所示。

图8 模型验证

图9 地基厚度与膨胀量的关系

由图9可知：

1) 当地基厚度为20，40和60 cm时，地基最终膨胀量分别为11.24，18.07和21.94 mm。当地基厚度线性增加时，其最终膨胀量并不是线性增加，而是呈外凸弧线增加，增长速率有下降趋势。

2) 20 cm地基最终膨胀量为11.24 mm，40 cm地基最终膨胀量为18.07 mm，假定40 cm地基上部20 cm与实际试验的20 cm地基膨胀量相同，所以其下部20 cm地基仅膨胀了6.83 mm，较实际试验的20 cm地基膨胀量减少了4.41 mm；同理假定60 cm地基上部40 cm与实际试验的40 cm地基膨胀量相同，所以其下部20 cm的地基仅膨胀了3.87 mm，较试验的20 cm地基膨胀量减少了7.37 mm。经分析，引起最底层20 cm地基膨胀量减小的原因是上覆土体自重的影响，上覆土体自重越大则底层土体膨胀量越小。假定各层土体膨胀均匀，则上部20 cm土体的平均膨胀量为0.562 0 mm，同理，中部20 cm和下部20 cm地基膨胀量为0.341 5 mm和0.193 5 mm。以各层土体最底层膨胀量为横坐标，上覆土体压力为纵坐标进行绘图，如图10所示。

图10 上覆压力与膨胀量的关系

结合图9，图10可知，不同深度处的泥岩膨胀量不同，随着上覆压力的增加，地基膨胀量逐渐减小；在实际工程中，随着泥岩埋置深度的增加，其所受上覆土体自重逐渐增大，上覆压力对膨胀能的释放具有抑制作用，因而膨胀量逐渐减小。在处理实际工程问题时，仅需对一定深度内可以发生膨胀的膨胀土样进行处理，建议处理前先进行室内模型研究，得出膨胀的具体深度范围，再进行相应的后期工程处理措施。

3 结论

1) 在多级、连续注水条件下，地基总膨胀量随时间呈现“阶梯型”膨胀，每一阶梯又可分为3阶段：线性快速膨胀阶段；非线性减速膨胀阶段；线性缓慢膨胀阶段。

2) 地基含水率与总膨胀量呈指数关系，在注入等量水时，与含水率大的地基相比较，含水率小的地基更容易发生膨胀，含水率较小的地基有较大的膨胀潜势。

3) 对地基膨胀量与含水率关系的计算模型进行了探讨，计算模型得到的膨胀量与实际数据拟合较好。

4) 通过分析不同厚度时，地基的总膨胀量，得出不同深度的泥岩膨胀量不同，且随着深度增加，膨胀量逐渐减小。

5) 本试验尺寸较大，耗时较长，目前进行了厚度为20，40和60 cm的泥岩地基膨胀模型试验，后续将进行更大尺寸的模型试验，以得到更精确、更可靠的试验结果，为该地区工程建设提供有益的参考。

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Experimental study on swelling characteristic of mudstone foundation of high-speed railway

ZHANG Tangyu1, MA Lina1, ZHANG Rongling1, 2, 3, WANG Tianshuang1, LI Jinqian1, LI Hanghui1

(1. School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Road & Bridge Disaster Prevention and Control, Lanzhou 730070, China; 3. Cardiff University, School of Engineering, Wales CF24 3AA, UK)

A typical swelling mudstone section of Lanzhou-Xinjiang high speed railway was taken as the research object. Samples were taken at this site, experimental study on the swelling of mudstone foundation was carried out with thickness of 20, 40 and 60 cm in self-made test box. The results show that with the increase of water injection and time, the swelling amount of the foundation is increased in an outer convex curve; the foundation with small water content has large swelling potential, the foundation is easy to swell, and the foundation with large water content is opposite; the swelling of mudstone at different depths is different, and the swelling amounts gradually decreases with the increase of depth; the water content and the swelling amount of foundation show a good exponential relationship; the calculation model of the foundation swell with the coupling of water content and the thickness of the foundation was discussed. The swelling amounts of the calculation model is well fitted to the actual test data in the laboratory. The research results can provide reference for the construction of high-speed railway in the swelling mudstone area, and can be used for reference in similar projects in this area.

mudstone; swelling; foundation; calculation model

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.04.005

TU443

A

1672 − 7029(2019)04 − 0871 − 07

2018−04−25

国家自然科学基金资助项目(51768033)；长江学者和创新团队发展计划滚动支持项目(IRT_15R29)；中国铁路总公司科技研究开发计划课题(Z2015—G001)；飞天学者特聘计划；甘肃省基础研究创新群体资助项目(145RJIA332)；甘肃省高校协同创新科技团队支持计划资助项目(2017c-08)；兰州交通大学优秀平台资助项目(201606)

马丽娜(1985−)，女，陕西渭南人，副教授，博士，从事膨胀性泥岩及隧道工程的教学与科研工作；E−mail：malinalanzhou@163.com

(编辑 阳丽霞)