铁路路基弱膨胀土干湿循环作用试验研究

于宝来

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

膨胀性黏性土在铁路工程中较为常见,其膨胀性对铁路工程影响较大。东北严寒地区某铁路沿线广泛分布具膨胀性的黏性土,该线路路基长约170km,土石方量大,土场距线路较远,工程需要尽可能移挖作填,以减少弃方,节约工程投资,保护自然环境。因此,研究沿线黏性土的膨胀特性具有重要的工程意义。

膨胀土是工程中经常遇到的特殊土之一,外部环境作用下,其内部含水率变动形成干湿循环,内部颗粒间结构发生破坏,宏观表现为裂隙的形成和发展,含水率的浮动导致土体胀缩,伴随干湿循环,膨胀土的强度逐渐衰减。含水率和干湿循环次数是影响膨胀土裂隙发育的重要因素[1-2],裂隙发育开始于土体内部初始孔洞和微纹裂等薄弱处,并由此扩展延伸,形成裂隙面、裂隙体[3],影响裂隙张开程度的关键因素为土体上下层间的含水率梯度[4]。关于膨胀土收缩特性的研究可从矿物成分、土颗粒大小、含水率、干密度以及干湿循环等方面开展[5],叶万军探讨收缩随干湿循环次数和初始含水率的变化规律[6];唐朝生研究干湿循环路径对膨胀土胀缩性的影响[7];段尚磊从过程角度初步揭示干湿循环对膨胀特性的影响[8];薛彦瑾建立膨胀土的膨胀量与含水率及厚度计算模型[9]。另外,含水率、干湿循环次数也是影响膨胀土抗剪强度的主要因素[10-12],程展林探讨裂隙强度与抗剪强度的关系[13];汤罗圣给出抗剪强度参数与含水量、饱和度等回归关系式[14];王文良提出干湿循环作用下持水状态的抗剪强度公式[15]。以往研究对膨胀土特性系统研究较少,以下选取严寒地区某铁路沿线具有代表性的膨胀土样,通过室内试验的方法,对膨胀土在干湿循环作用下的裂隙产生发展、土体胀缩变形以及抗剪强度变化的膨胀特性进行研究。

1 土的基本物理性质指标

路堤试验段所处地貌为冲洪积平原,属湿润-亚湿润大陆性气候,按对铁路工程影响,其气候分区为严寒地区,各月平均气温为4.3℃,极端最高气温为37.7℃,极端最低气温为-37.5℃,室内试验温度约为20℃。沿线地表主要为第四系黏性土层,地下水埋深0.8～10.0m。该线为设计速度200km/h的Ⅰ级铁路,路基基床厚2.5m,表层为0.6m厚级配碎石,底层为1.9m厚AB组填料。

对试验段附近的土源进行调查并取样,根据室内土工试验结果,得到膨胀土样的各项指标(见表1)。根据《铁路工程地质勘察规范》的判别标准[16],土样具弱膨胀性。

表1 土的基本物理性质指标

2 试验方案

采用重塑压实试样进行膨胀土干湿循环试验,试样直径为61.8mm,高度为20mm,试样干密度为1.65g/cm3(压实度为90%),制样含水率为15.3%。

为研究含水率变化与膨胀土裂隙产生发展、土体胀缩变形以及抗剪强度变化的规律,共设计3组含水率变化幅度干湿循环试验(即15.3%到饱和、15.3%到21.0%、15.3%到18.0%)。

干密度为1.65g/cm3的试样的饱和含水率为23.0%,由于试样吸水膨胀,稳定后的含水率会略大于23.0%,且每次干湿循环过程中,试样膨胀变形稳定后的高度不同,故含水率会随着干湿循环试验次数的不同而变化。含水率变化幅度由15.3%到饱和条件下的一次干湿循环试验过程如下:首先将膨胀土试样通过浸水方式使其饱和膨胀,稳定后记录试样高度和影像,试样底设置透水石以保证土样完整性,然后通过风干的方式使其失水收缩,当试样含水率降至制样含水率时停止,记录试样高度。含水率由15.3%到饱和试样分别在第0、1、2、3、4、5、6、8次干湿循环后进行饱和直剪试验、有荷膨胀率及膨胀力试验。含水率变化幅度由含水率由15.3%到21.0%和15.3%到18.0%在第1、3、6、8次干湿循环后进行饱和快剪试验、有荷膨胀率及膨胀力试验。

3 试验结果分析

3.1 裂隙变化情况

将试样置于数码相机正下方中心位置,保证镜头垂直于试样表面,记录每次干湿循环后试样的裂隙发展情况,含水率变化幅度由15.3%到饱和的试验结果见图1。从图1可以看出,干湿循环过程中,试样产生裂隙,裂隙分支拓展并贯通,最终裂隙网格化后,试样破坏趋于稳定。

图1 含水率15.3%～饱和干湿循环试验过程中裂隙变化情况

第1次浸水饱和后,试样发生膨胀变形,表面高出环刀边缘;第1次失水风干后,试样发生收缩,边缘与环刀脱离形成缝隙,同时试样表面出现数条细微裂隙。

第2次浸水饱和后,试样再次膨胀,试样与环刀贴合,之前脱离的缝隙基本消失,试样表面的微裂隙也闭合平整;第2次风干失水后,试样表面微裂隙转变成连续裂隙,周围出现分支微裂隙,试样边缘与环刀再次脱离。

第3次至第5次干湿循环过程中,失水后试样表面由小裂隙产生一条贯通表面的主裂隙,该主裂隙周围出现分支裂隙,裂隙逐渐扩展,裂隙总长度增加、宽度加大,裂隙由表面向深层发展,第5次失水后试样表面局部土体脱落。第6次至第8次失水收缩后,试样边缘保持与环刀间的缝隙,试样表面的裂隙逐渐贯通,形成网格状,相比前几次失水过程,第6次至第8次裂隙宽度均较大,但裂隙发展趋势较为缓慢,说明试样失水导致的结构破坏趋于稳定。

试样含水率变化幅度由15.3%到21.0%、15.3%到18.0%的干湿循环裂隙发展规律,与含水率变化幅度由15.3%到饱和时基本相同(见图2、图3),但吸水后的膨胀有所减小,失水产生的裂隙的深度有所降低。

图2 含水率15.3%～21.0%干湿循环试验过程中裂隙变化情况

图3 含水率15.3%～18.0%干湿循环试验过程中裂隙变化情况

3.2 胀缩变形规律

分别定义试样的绝对膨胀率(δae)、相对膨胀率(δre)、绝对收缩率(δas)和相对收缩率(δrs)[17],有

式中:h0为土样的初始高度;hei为试样第i次膨胀变形不变后的高度;he(i-1)为试样第i-1次膨胀变形不变后的高度;hs(i-1)为试样第i-1次收缩变形不变后的高度;hsi为试样第i次收缩变形不变后的高度。

绝对膨胀率、相对膨胀率与干湿循环次数的关系曲线见图4、图5。由图4和图5可看出,膨胀土试样的绝对膨胀率与干湿循环次数呈正相关,而相对膨胀率与干湿循环次数呈负相关,在干湿循环6次后,二者均趋于稳定。绝对膨胀率、相对膨胀率均大于零,说明试样在干湿循环过程中浸水后都发生了膨胀变形;对比不同曲线,干湿循环过程中含水率变化幅度越大,绝对膨胀率、相对膨胀率也越大。对比浸水后的3组含水率膨胀情况,试样在浸水饱和后发生的膨胀现象要明显大于其他2组。

图4 绝对膨胀率变化曲线

图5 相对膨胀率变化曲线

绝对收缩率、相对收缩率与干湿循环次数的关系曲线见图6、图7。由图6和图7可看出,膨胀土试样的绝对收缩率与干湿循环次数呈正相关,而相对收缩率与干湿循环次数大体呈负相关,在含水率变化幅度较小的情况下关系不明显,在干湿循环6次后,二者均趋于稳定。绝对收缩率大于零,说明试样在干湿循环过程中发生不可逆的膨胀变形;相对收缩率小于零,说明试样在干湿循环过程中每次失水时都发生收缩变形。干湿循环过程中含水率变化幅度越大,绝对收缩率、相对收缩率也越大。

图6 绝对收缩率变化曲线

图7 相对收缩率变化曲线

3.3 无荷和有荷膨胀率

无荷和有荷膨胀率试验结果见表2。从表2可以看出,随着干湿循环次数的增加,无荷和有荷膨胀率逐渐降低,但减幅变缓,随荷载的增加膨胀率则降低。

表2 无荷和有荷膨胀率试验结果

3.4 膨胀力变化规律

X轴表示垂直压力,Y轴表示有荷膨胀率,绘制二者的关系曲线,膨胀率为0时,压力即为膨胀力。干湿循环后的膨胀力试验结果见表3。干湿循环作用导致膨胀试样的膨胀力降低,先期循环作用影响较大,后期膨胀力基本稳定, 说明随着干湿循环次数的增加,膨胀土的膨胀势逐渐降低;对比不同含水率的干湿循环试验结果,含水率变化幅度越大,膨胀势降低也越显著,对比6次干湿循环后的结果,干湿循环过程中含水率变化幅度越大,剩余膨胀力越小。

表3 膨胀力与干湿循环次数试验结果

3.5 抗剪强度变化规律

选择特定的干湿循环次数,即0、1、2、3、4、6、8次试样饱和后,对试样进行固结快剪试验,试验所得抗剪强度参数见表4。由表4可以看出,干湿循环过程中膨胀土的内摩擦角与循环次数关系的规律不明显,基本在21°～22°之间;黏聚力随干湿循环次数的增加而逐渐减小,第1次干湿循环黏聚力绝对衰减率差值为35.0%,第2次绝对衰减率差值为10.4%,第3次以后的循环过程中黏聚力趋于稳定。

表4 固结快剪与干湿循环次数试验结果

干湿循环过程中裂隙的产生和拓展,土体内部颗粒间结构破坏,黏结作用衰弱是导致土体黏聚力降低的原因之一。

4 路堤稳定性分析

对弱膨胀土作为基床以下路堤填料进行现场试验,通过现场埋设温度计及含水率计,监测路堤土体的温度和含水率,根据不同深度地温和含水率的变化综合确定大气影响深度。图8为土体温度变化幅度随深度变化关系,当深度为4m时,土体温度变化幅度不大于10℃。图9为土体含水率幅度随深度变化关系,当深度为2m时,含水率变化幅度不大于2%,2～4m含水率变化幅度也维持在不大于2%的水平。根据土体含水率、温度随深度的变化关系,路堤大气影响深度约为4.0m。

图8 土体温度变化幅度随深度变化关系

图9 土体含水率幅度随深度变化关系

路堤基床表层厚0.6m,底层厚1.9m,自路堤面0～8m边坡坡率为1∶1.5,8m以下为1∶1.75,建立计算模型时,将路堤坡面向内垂直移动4m,得到一个梯形核心区未受干湿循环影响的土层,该核心区土体参数取常规快剪强度指标(c=17.7kPa、φ=21.3°),除此之外的膨胀土填料采用经历8次干湿循环后的快剪强度指标(c=10.9kPa、φ=21.1°),计算模型见图10。

图10 路堤稳定计算模型

通过圆弧滑动稳定性计算,得到不同高度稳定性安全系数,见表5。在地震烈度6度、7度区范围内,边坡高度在8m以内稳定性安全系数大于1.25,满足规范要求。建议8m以内路堤段可直接利用弱膨胀土作为基床以下路堤填料;当路堤≥8m时,应采取其他加固措施或对土体进行改良。

表5 路堤稳定性安全系数

5 结论

针对严寒地区铁路工程中遇到的具弱膨胀性黏性土,对3组不同含水率变化幅度的弱膨胀土试样进行的8组干湿循环室内试验,得到以下主要结论。

(1)干湿循环过程中弱膨胀土裂隙由产生、分支拓展到贯通成网格状,最终趋于稳定,裂隙发展具有不可逆性。

(2)膨胀土发生膨胀变形同样具有不可逆行,干湿循环过程中含水率变化幅度越大,膨胀和收缩变形则越大,膨胀土的膨胀势随着干湿循环次数的增加而逐渐降低。

(3)干湿循环过程中,膨胀土的内摩擦角基本保持不变;黏聚力随干湿循环次数的增加而降低,在3次干湿循环以后,其数值基本保持不变。

(4)弱膨胀性黏性土可直接作为路堤基床以下填料,但边坡高度不宜超过8m。