濕陷性黃土鐵路路基原位試驗研究

【摘 要】濕陷性黃土地質(zhì)上修建鐵路，鐵路路基竣工后要求沉降在一定的范圍內(nèi)，為滿足設計要求，需開展相關試驗研究，確定濕陷性黃土地基處理方法。本文以某客運專線為例，探討了浸水原位試驗方法，望對類似工程有所幫助。

【關鍵詞】濕陷性黃土；鐵路路基；原位試驗

一、濕陷性黃土鐵路路基原位試驗的意義

黃土的濕陷性是指黃土在天然低濕度下往往具有明顯的高強度和低壓縮性，但遇水浸濕后會發(fā)生變形大幅度突增和強度也隨之迅速降低的現(xiàn)象。

隨著西部開發(fā)和能源基地的建設，中西部地區(qū)大中型工程逐漸增多，大中型工程的建設需要具有較高的承載力和較小變形的地基，然而中西部地區(qū)大多土地為濕陷性黃土，黃土在浸水的情況下，極易發(fā)生大幅度的下沉或不均勻沉降的現(xiàn)象，從而造成建筑物地基變形，給工程帶來巨大的損失。實際工程建設中，由于黃土浸水造成的工程事故屢見不鮮。特別是在鐵路建設中，黃土浸水造成的危害性態(tài)和對其處治的原則與工業(yè)和民用建筑方面的要求存在很大差別，如建筑規(guī)范對黃土濕陷的處治已由以防為主轉為以治為主，而按此處治原則，鐵路建設中的投資則無法承受，考慮到鐵路構造物和路基的不同要求，研究其浸水特性，提出適用鐵路建設特點的黃土處治原則與處治技術，在西部鐵路建設中具有極其重要的作用。

對黃土濕陷性的研究，主要側重于濕陷機理、影響因素、指標選擇、評價方法以及工程應用諸方面。近年來，黃土工程性質(zhì)的研究出現(xiàn)了由側限壓縮到三軸壓縮，由常規(guī)三軸應力路徑到多種復雜應力路徑，由浸水濕陷量到濕陷敏感性，由狹義的浸水（飽和）濕陷到廣義的增濕濕陷，由單調(diào)的增濕變形到增、減濕和間歇性的濕陷變形，由增（減）濕路徑到增（減）濕路徑與加（卸）荷路徑的禍合，由濕陷性到濕剪性以及由宏觀特性分析到宏、微觀結合的力學特性分析等諸多方面的發(fā)展，豐富了對黃土濕陷性的認識，縮短了黃土濕陷性與工程實際應用之間的距離。

原位測試包括靜力觸探、動力觸探、標準貫入試驗、十字板剪切、旁壓試驗、靜載試驗、扁板側脹試驗、應力鏟試驗、現(xiàn)場直剪試驗、巖體應力試驗、巖土波速測試等。濕陷性黃土鐵路路基原位試驗應用較多的是浸水試驗，主要研究內(nèi)容：（1）研究黃土浸水的入滲規(guī)律，定量評估黃土浸水所造成的危害。（2）研究黃土浸水的強度與變形特性，探尋黃土增濕過程中的變形規(guī)律，開展典型黃土增濕強度的研究。（3）進行黃土浸水性狀的力學描述和仿真分析研究，為定量分析黃土浸水后非均勻濕陷及影響作用奠定基礎。（4）進行黃土浸水對公路路基與邊坡等構筑物的影響評價研究，定量討論其對路基、邊坡等構造物的影響程度，為研究成果的工程應用鋪平道路。

關鍵技術問題包括：含水量原位量測技術；不同增濕狀態(tài)的室內(nèi)土樣制備增濕技術；黃土浸水性狀的力學描述和數(shù)值仿真技術。

二、濕陷性黃土鐵路路基原位試驗

（一）試驗概況

某客運專線DK355+200的正線路基左側外150m處選擇了一試驗場地，進行了濕陷性黃土地基的浸水試驗。該場地屬渭河II級階地，地層上部為厚約22m的Ⅳ級（很嚴重）自重濕陷性黃土，總濕陷量的計算值為800～940mm，下部為砂層。該研究圍繞長為160m、高為5m的實體路堤為核心，將160m長的實體路堤的地基平分為3個區(qū)，分別采用“預鉆孔柱錘沖擴水泥土擠密樁”、“沉管水泥土擠密樁”和“強夯”3種地基處理措施。其中“預鉆孔柱錘沖擴水泥土擠密樁”的處理深度與濕陷性黃土的厚度相同，以消除全部濕陷性為目的；“沉管水泥土擠密樁”和“強夯”的處理深度分別約為濕陷性黃土厚度的2/3、l/3，消除了部分濕陷性。

（二）工程地質(zhì)條件

黃土狀粉質(zhì)粘土（Qdl+pl3）：褐黃色、灰黃色，稍濕，硬塑，土質(zhì)均勻，可見針狀孔隙及白色鈣質(zhì)條紋。該層厚度為10.4m～10.7m。

圓礫混土（Qdl+pl3）：灰色，稍濕，中密狀態(tài)，一般粒徑5mm～10mm，最大粒徑5cm～8cm，摩圓中等，分選差，混粉土或沙土約10%～15%。呈透鏡體狀，分布不均。一般厚度0.4m～1.7m。砂巖（J3t）：紫紅色，泥質(zhì)膠結，碎屑結構，層狀構造，全風化狀態(tài)，呈硬土狀。

（三）試坑設計和測點布設原則

1.浸水試坑宜挖成圓形，其直徑不小于濕陷性黃土層的厚度，并不應小于10m，試坑深度宜為0.5m，最深不大于0.8m，在試坑底部鋪設10cm厚的砂礫石。

2.在坑底中部及其它部位，對稱設置觀測自重濕陷的深標點，設置深度及數(shù)量按照各濕陷性黃土層頂面深度及分層數(shù)確定。在試坑底部，由中心向坑邊以3個方向均勻布設觀測自重濕陷的淺標點；在試坑外沿淺標點方向10-20m范圍內(nèi)設置地面觀測標點，觀測精度為±0.10mm。淺標點和深標點的布設分別滿足地表自重濕陷量和分層自重濕陷測量的需要，能夠準確捕捉到試坑浸水總濕陷量和濕陷土層下陷深度。

3.試坑內(nèi)的水頭高度不宜小于300mm，在浸水過程中，應觀測濕陷量、耗水量、浸濕范圍和地面裂縫。濕陷穩(wěn)定可停止浸水，其穩(wěn)定標準為最后5d的平均濕陷量小于1mm/d。

4.設置觀測標點前，為了保證濕陷性黃土地基充分受水浸濕飽和，使黃土地基的濕陷性充分發(fā)揮，在坑底打一定數(shù)量及深度的滲水孔，孔內(nèi)填滿砂礫。

5.試坑內(nèi)停止浸水后，應繼續(xù)觀測不少于10d，且連續(xù)5d的平均下沉量不大于1mm/d，試驗終止。

該線路為客運專線，設計等級很高，因此對路基的沉降變形要求嚴格。依據(jù)勘察資料，考慮到路基浸水濕陷沉降變形情況、鉆探揭露地層情況及室內(nèi)土工試驗資料，試坑設計為直徑為25m的圓形，深度0.5m，共布設測點111個，其中試坑內(nèi)地表設淺標點21個，試坑外的地表淺標點48個，最遠的淺標點設計在坑外25m處；試坑內(nèi)設深標點42個，最深的深標點設置25m。在試坑內(nèi)均勻布設12個滲水孔，孔徑127mm，孔深25m，孔內(nèi)充填砂礫石。在深度方向上，分為10m以內(nèi)、10～20m和20m以下3個部分布設，每組布設2個相同深度的深標點。試坑及標點平面布置如圖1所示。浸水過程分為兩個階段，第一階段注入當?shù)啬昶骄邓浚ㄒ?80mm計算）的水量，歷時11天，共注入水量333m3；第二階段為飽和浸水，是在第一階段變形穩(wěn)定后開始浸水，歷時33天，注入水量9185.2m3，直到飽和，然后對兩階段浸水過程中的沉降標點、裂縫發(fā)展和影響范圍進行觀測。注水方式采用機井抽水，機井出水量約30m3/h，單日注水量保證坑內(nèi) 水頭高度穩(wěn)定在 300～400 mm。

（四）試驗結果

整個浸水過程柱錘沖擴樁和擠密樁典型斷面在坡腳、邊坡中部、左側路肩、路基中心以及右側軌道部位的總沉降量隨時間變化曲線如圖2和圖3所示。

分析圖2和圖3可知：

柱錘沖擴樁和擠密樁斷面地基分別浸水60和50d后，沉降發(fā)生突變。浸水87d，路堤總沉降量分別為1.7～5.1和26.2～51.3mm。長時間持續(xù)浸水后，柱錘沖擴樁區(qū)段路堤的總沉降量（包含浸水期間和停止浸水后路堤總沉降量）僅有3.8～7.4mm；擠密樁區(qū)段路堤的總沉降量為62.3～103.1mm。

三、結論

浸水過程中，柱錘沖擴樁和擠密樁地基分別在浸水進行到約60和50d時附加沉降發(fā)生突變，表明路基坡腳積水不宜超過50d；由于浸水時間約為19d時浸潤角達到最大，因此路基坡腳附近積水時間不宜超過19d，遇到長時間大雨天氣時，應在19d內(nèi)及時將積水排除，以免造成濕陷性黃土路基附加沉降，影響行車安全。浸水期間，柱錘沖擴樁路堤的總沉降量為1.7～5.1mm，擠密樁為26.2～51.3mm。長時間持續(xù)浸水后，柱錘沖擴樁路堤的總沉降量僅有3.8～7.4mm。因此，在實際工程應用中，只要防水措施得當，即使在暴雨或路堤外局部積水等不利條件下，柱錘沖擴樁處理路段也不會出現(xiàn)大的沉降。擠密樁路堤的總沉降量達到了62.3～103.1mm，從浸水后沉降發(fā)生的過程來看，在浸水初期路堤便出現(xiàn)了較大的沉降，所以實際工程應用中，擠密樁路段（濕陷性黃土未處理完）一定要加強防排水措施，避免局部積水，以保證行車安全。

參考文獻：

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