粗粒盐渍土区既有高铁路基变形特性试验研究

张莎莎，刘亚超，杨晓华，陈伟志，金好乾

(1. 长安大学公路学院，陕西西安 710064； 2. 中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031

0 引 言

在区域经济发展的需求下，一些高速铁路的建设将面临既有路基的利用问题。部分既有路基位于粗粒盐渍土区，路基填料大多是粗粒盐渍土，因修筑时建设水平较低，且长时间在无防护条件下搁置，势必会造成路基填料的基本物理化学性质发生很大程度的改变。路基填料物理化学性质的改变直接影响建设工程的安全性，要想有效利用某既有路基，首先就要明确该既有路基填料现在的基本物理化学性质及其变形特性，所以开展既有路基变形特性方面的研究具有较大的实际工程意义。

费雪良等[1]对不同初始干密度和冻融循环条件下硫酸盐渍土的盐胀规律进行了研究，发现冻融循环作用下的盐胀具有累加性。张莎莎等[2-6]对粗粒盐渍土的盐胀敏感区间、盐胀特性及其微观机制等方面进行了研究，并分析了多次添加含盐施工用水对砾类硫酸盐渍土工程性质的影响机理。Zhang等[7-9]研究了硫酸盐渍土在盐胀、冷却过程中的相变过程，建立了预测冻结点和未冻结水含量的数学模型。包卫星等[10]研究了不同含盐量水平下砂类盐渍土的盐胀变化特点和冻融循环作用下砂类盐渍土的溶陷特性。杨晓华等[11]采用室内模拟潜蚀溶陷变形的离心模型试验，研究典型天然盐渍土和不同氯离子含量的盐渍土溶陷系数的特点。肖泽岸等[12-13]研究了盐分在土体冻结过程中对水分重分布与变形的影响，探讨了硫酸钠盐渍土在冻融循环作用下土体的变形规律。Zhang等[14-15]对冻融-降水循环作用下盐渍土路基的变形特性进行了研究，并分析了无机黏结剂改良粗粒盐渍土的可行性和合理性。文桃等[16]对不同试样制备条件下的硫酸盐渍土进行了击实试验和电镜扫描。张建渊等[17]对兰新高速铁路沿线不同类型盐渍土地基进行现场浸水荷载试验，并对盐渍土地基的溶陷特性及影响因素进行研究。张沛然等[18]对深基坑内不同深度土层的温度场、水分场和盐胀变形随季节性变化状况进行了长期的动态监测和分析研究。Wan等[19]建立了土的冰点和冰的成核速率计算模型以及盐渍土冰点预测方程，探讨了水过冷对不同土壤体积和含盐量的影响。周凤玺等[20]建立了温度梯度作用下非饱和盐渍土水-热-盐-力多场耦合数学模型,分析了盐渍土特征温度的影响因素。许健等[21]研究了硫酸钠盐渍原状黄土冻融过程劣化规律及微细观结构损伤演化机制。杨晓华等[22]对粗颗粒硫酸盐渍土工程性质进行了总结分析。以上学者在粗粒盐渍土的盐胀、溶陷变形等方面做了比较详尽的研究，但很少涉及既有路基变形特性方面的研究，既有路基具有线路长、工程地质条件复杂、路基填料性质多变的特点，需要进行关于变形特性方面的深入研究。

本文针对某既有高铁路基典型路段的填料，分别开展了室内盐胀试验、溶陷试验、冻融循环试验以及现场大型溶陷试验，明确该既有路基的基本物理化学性质及变形特性，为有效利用该既有路基提供理论支撑，为粗粒盐渍土作为路基填料提供工程实践支撑，并为粗粒盐渍土区类似工程项目提供参考。

1 路基填料基本物理化学性质

由于路基填料级配特征与其相关变形特性密切相关，为了明确该既有路基变形特性与其级配特征的关系，采用筛分法得到该既有路基填料的颗粒组成，部分标段路基填料筛分试验结果见图1。

图1 颗粒级配曲线Fig.1 Grain Gradation Curves

为了探究该既有路基填料变形特性与土样本身的相关物理化学性质之间的关系，基于室内重型击实试验，得到各标段路基填料的最大干密度和最佳含水率，并采用液、塑限联合测定法测得各标段路基填料中细粒土的液限和塑限值，部分标段路基填料的试验结果见表1；采用过5 mm筛孔的烘干土样300 g进行易溶盐含量试验，部分标段试验结果见表2、3。

表2 各标段路基填料易溶盐总含量Table 2 Total Soluble Salt Content of Subgrade Filler in Each Bid Section

表3 各标段路基填料化学成分分析结果Table 3 Chemical Composition Analysis Results of Subgrade Filler in Each Bid Section

2 试验方案

2.1 单次降温盐胀试验

为了探究单次降温条件下各标段土样盐胀量情况以及与填料级配特点之间的关系，选取K87+950、K121+150、K133+500、K165+260、K196+900、K214+900土样进行单次降温盐胀试验。添加适量蒸馏水使土样处于最佳含水率状态，试验选用各标段路基填料的易溶盐含量、最大干密度、最佳含水率及路基压实度见表1。

表1 各标段土样基本物理性质Table 1 Basic Physical Properties of Soil Sample in Each Bid Section

本次试验采用高度为13 cm、直径为15 cm的铁桶作为试验容器，试验装置见图2[6]。按照现场检测取土位置处的压实度，将土样分3次击入试验桶中，然后覆盖1层保鲜膜，放置12 h。采用单次降温，降温范围设定为25～-15 ℃，降温速率为5 ℃·(60 min)-1，当降温到-15 ℃时，恒温保持6 h。

图2 单次降温盐胀装置Fig.2 Single Cooling Salt Expansion Device

2.2 溶陷试验

为了探究各标段路基的溶陷量以及与土样相关性质之间的内在联系，进行室内溶陷试验。试筒选用直径28 cm、高度12 cm的有机玻璃桶，试筒上、下面均可自由排水，在试筒上部放置钢排水板，同时在有机玻璃桶外侧安装铁箍。试验土样同室内盐胀试验所取土样一致，每个标段的土样按照现场测得的压实度，分3次击入试样桶中。采用单线法，通过万能试验机施加荷载，荷载施加顺序为0→50 kPa→100 kPa→150 kPa→200 kPa→300 kPa。以试样每小时变形量不超过0.01 mm为变形稳定标准，变形稳定后再施加下一级荷载，200 kPa加载稳定1 h后，加水浸湿3 d，然后将荷载加载至300 kPa。

为了明确降水量对路基溶陷量的影响效果，选取K31+000标段路基进行现场溶陷试验。荷载板直径为0.8 m，试坑直径为2.5 m。在距试坑中心0.43 m处布置4个分层观测点(图3)，距坑底表面深度分别为1、2、3、4 m，用来测量不同土层的沉降、溶陷量以及溶陷深度。

图3 现场溶陷观测点布置Fig.3 Layout of Field Collapse Observation Point

本次试验浸水压力为200 kPa，加载阶段分8级，浸水过程完成后分8级继续加载，整个加载过程见图4。浸水阶段分5步进行，模拟5种不同的气候条件：①注水30 mm模拟一年中月最大平均降水量；②在工况1的基础上再次注水30 mm，模拟一年内最大单次降水量；③在工况2的基础上再次注水40 mm，模拟年均降雨量；④保持30～40 cm常水头浸水持续24 h，模拟当地极端单次降雨；⑤长期保持30～40 cm常水头浸水来测定最不利工况下试验点路基的溶陷系数。

图4 现场溶陷加载过程Fig.4 Field Collapse Loading Process

2.3 冻融循环试验

为了明确冻融循环条件下路基的变形量及冻融后含水率、硫酸根离子的分布情况，选取K87+950标段土样开展室内大尺寸冻融循环试验。按照最佳含水率配制试验用土，并装入密封袋中闷料24 h以上。试筒选用直径30 cm、桶高75 cm的有机玻璃桶。土样高度75 cm，每层土厚度为2.5 cm，分层击实，使试验土样压实度与现场检测数据一致。距土样底部每隔10 cm设置温度探头，来测量对应土层的温度，试验装置见图5。

图5 冻融循环试验装置Fig.5 Freeze-thaw Cycle Test Device

试验装置采用低温恒温槽，单向降温，单向升温。降温设置为25 ℃→-15 ℃，降温速率为5 ℃·(1.5 h)-1，温度达到-15 ℃后恒温36 h。升温设置为-15 ℃→25 ℃，升温速率为5 ℃·(1.5 h)-1，温度达到25 ℃时恒温维持36 h。在无附加荷载的情况下(制冷头0.7 kPa)，共进行7个冻融循环周期。

3 试验结果及分析

3.1 单次降温盐胀试验结果及分析

各标段土样最终盐胀量以及与路基填料不均匀系数之间的关系见图6。从图6可以看出，单次降温情况下路基填料的最终盐胀量与土样的不均匀系数之间呈现出正相关关系。K87+950土样在整个降温过程中出现了显著的体缩，K121+150土样出现轻微体缩，K133+500和K165+260土样则发生明显的盐胀，K196+900和K214+900土样盐胀变形不明显。K133+500、K165+260、K214+900土样最大干密度一致，说明在最大干密度相同的情况下，土样最终盐胀量的大小在很大程度上由颗粒级配特点以及硫酸根离子含量共同决定。

图6 各标段土样最终盐胀量Fig.6 Final Salt Expansion of Soil Sample in Each Bid Section

在本次试验的6个标段路基填料中，K133+500和K165+260土样的硫酸根离子含量以及不均匀系数最大，且路基压实度最大。不均匀系数越大代表级配越良好，压实以后孔隙率越小，颗粒间接触越紧凑，硫酸盐吸水膨胀时外在表现越显著。在降温阶段，K133+500和K165+260土样中硫酸盐吸水结晶产生很大的膨胀力，导致颗粒间隙增大，盐结晶体积增加量部分填充大孔隙，土体颗粒重新排列，小颗粒回落到大孔隙中，但盐结晶体积增加量大于小颗粒回落量，因而产生了明显的盐胀变形[4]。其余标段路基填料中硫酸根离子含量相对较少，不均匀系数较小，颗粒间隙较大。在降温阶段，盐结晶产生膨胀力，使得土体颗粒间隙扩大，而硫酸盐结晶数量少，不能很好地填充土体颗粒间隙而使土体结构破坏，小颗粒回落在大孔隙中，因此盐胀现象不明显，甚至会产生体缩。

3.2 溶陷试验结果及分析

图7为各标段土样在不同荷载压力P作用下的溶陷曲线。从图7可以看出，随着荷载的增加，各标段溶陷变形量具有一致的变化趋势。在荷载压力为100 kPa时，各标段土样变形量在1～3.5 mm之间；当荷载压力为200 kPa时，浸水后土样会发生Δhp的溶陷量；当荷载压力达到300 kPa时，K87+950标段土样最终变形量最大，为5.67 mm，最大变形率为4.7%。在实际工程中，若以1 m浸水深度计算，则最大变形量为47 mm，超出了高速铁路无砟轨道要求的15 mm变形量[21]，所以需要采取相关措施，防止因溶陷导致路基破坏。

图7 各标段土样溶陷曲线Fig.7 Collapse Curve of Soil Sample in Each Bid Section

图8为各标段土样溶陷系数。由图8可知，各标段路基填料的溶陷系数与氯离子含量曲线变化趋势一致，二者存在正相关关系。K87+950、K133+500以及K165+260这3个标段土样的溶陷系数大于或等于0.01，属于溶陷性盐渍土，其最大溶陷系数为0.012。其余3个标段的盐渍土溶陷系数均小于0.01，溶陷现象不明显。

图8 各标段土样溶陷系数Fig.8 Collapse Coefficient of Soil Sample in Each Bid Section

现场溶陷试验浸水阶段溶陷量变化如图9所示。在浸水阶段，第1次注水30 mm时，荷载板下部土体沉降量显著增大，溶陷发展迅速，这一阶段溶陷量占比高达80%。第2次注水30 mm时，土体沉降量和溶陷量均有所增加，且2 m及2 m以下土体沉降板基本上没有发生沉降，此工况下溶陷量占比1.6%。再次注水40 mm，溶陷会持续发生，但增加速度缓慢，第3工况溶陷量占总溶陷量的5.1%。持续24 h保持30 cm常水头浸水稳定时，试验路基各观测点沉降、溶陷量增加幅度较小，此工况溶陷量占比为6.8%。保持30 cm常水头，长期浸水稳定时，此工况溶陷量占比6.5%。路基土体溶陷量随着降水量的变大而增加，但当降水量达到30 mm以后，溶陷量保持相对稳定，极端降水不会使路基土体发生过大的溶陷变形。现场溶陷试验表明，K31+000段路基不具有溶陷性，最大溶陷量为4.83 mm，满足高速铁路无砟轨道15 mm的变形要求。

图9 浸水阶段土样溶陷量Fig.9 Collapse Amount of Soil Sample in Immersion Stage

3.3 冻融循环试验结果及分析

图10为K87+950标段土样在冻融循环各周期中最低温度和最高温度时的变形量，温度测点位置土体的温度变化见图11。

图10 各冻融循环周期最高温度、最低温度时的变形量Fig.10 Deformations at Highest Temperature and Lowest Temperature in Each Freeze-thaw Cycle

图11 冻融循环过程中的温度变化曲线Fig.11 Temperature Change Curves During Freeze-thaw Cycle

从图10可以看出，土样在各周期最高温度时的变形量随着冻融循环周期的增加逐渐增大，变形量随温度变化呈现V形下降趋势，在第5个冻融循环周期相对融沉量达到最大值。本标段路基压实度为91.8%，土体不密实，空隙较大较多。在冻融循环开始阶段，硫酸盐吸水结晶，土体体积增大，细小颗粒回落填充大空隙，土体盐胀不明显。当温度升高时，盐结晶失去结晶水，逐渐溶解，土体骨架遭到破坏，土体产生塌落变形，体积减小。5次冻融循环后，土体骨架结构破坏严重，升温过程中结晶盐释放出水分子，水分迁移使得顶部位置含水率特别大，可以溶解部分土颗粒胶结而形成的骨架结构，破坏胶结结构，使得部分土体失稳塌陷，土颗粒重新排列，产生溶陷，7次冻融循环后该标段土体盐胀量为负值，最终表现为融沉。

从图11可以看出，距土样顶部15 cm高度范围为温度敏感区间，温度影响作用沿土体高度逐渐递减，土样高度70 cm处温度探头监测的温度变化范围最大，第二周期最低温度为-11 ℃。

土样经历7个周期的冻融循环后含水率和硫酸根离子含量变化见图12。

图12 冻融循环后含水率及硫酸根离子含量变化Fig.12 Changes of Water Content and Sulfate Ion Content After Freeze-thaw Cycle

从图12可以看出，冻融循环后土样顶部含水率明显增加，底部含水率减少,20～40 cm高度范围内土样含水率无明显变化。降温过程中，土样顶部的硫酸盐吸水形成结晶体，液态水逐渐结冰，使得水分逐渐向冷端迁移，顶部土体含水率高于试验开始时的含水率。硫酸根离子分布呈现出M形，土样顶部和底部位置处的硫酸根离子含量都减少，中间位置的硫酸根离子含量没有变化。盐胀是由硫酸钠吸水结晶体积膨胀导致的，距土样顶部15～30 cm范围硫酸根离子含量最高，说明这个层位范围盐胀变形量最大。

4 结语

(1)在无上覆荷载的单向降温条件下，土体的最大盐胀率为0.96%，部分标段路基不会发生盐胀，甚至出现下沉。最大盐胀率与路基填料不均匀系数之间存在正相关关系，在最大干密度相同的情况下，土样最终盐胀量在很大程度上取决于颗粒级配和硫酸根离子含量。

(2)在最不利工况下，由室内溶陷试验可知土样的最大溶陷系数为0.012，部分标段土样是溶陷性盐渍土。溶陷系数与氯离子含量之间存在正相关关系。K87+950标段土样最终溶陷量最大，为5.67 mm，最大变形率为4.7%，应采用设置反压护道或垂直防渗等措施，防止发生溶陷危害。

(3)现场溶陷试验点路基的溶陷量和溶陷系数均较小，不具有溶陷特性，该路基填料粗颗粒含量相对较多，细颗粒含量少，浸水过程中，易溶盐晶体溶解，不影响土体主要骨架结构，不会发生较大的溶陷变形。注水量达到30 mm时，溶陷量可达到最终溶陷量的80%，极端降雨不会引起路基产生较大的溶陷变形。

(4)K87+950段路基变形量随温度变化呈现V形下降趋势，在第2次冻融循环后，出现融沉，在第5次冻融循环周期时相对融沉值达到最大。7次冻融循环后硫酸根离子沿土样高度呈现M形分布，土样顶部含水率增大。土样顶部15 cm范围内为温度敏感区间，土样顶部15～30 cm层位膨胀变形最大。在实际工程中，对于压实度较低的路段，应重视其融沉。