濕陷性黃土對鐵路工程的影響研究

宋建波

摘要:黃土在天然含水率時一般呈堅硬或硬塑狀態且具有較高的強度和低的或中等偏低的壓縮性,但遇水浸濕后,部分黃土即使在其自重作用下也會發生劇烈的沉陷,強度也隨之迅速降低。文章對黃土的成因、黃土的濕陷性及敏感性、黃土的濕陷性對樁基沉降的作用、黃土濕陷處理措施以及黃土路基工后沉降評估等問題進行了分析和研究。

關鍵詞:濕陷性;黃土;鐵路工程

中圖分類號:U21文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)08-0162-01

由于黃土特殊的工程性質(水敏性、大孔性、結構性),黃土地區的鐵路工程建設常常會出現多種工程病害,如深挖方邊坡的坍塌,高填方路堤的不均勻沉降,地基承載力低,高濕度黃土中隧道的塌方和既有線黃土隧道出現拱部裂縫,樁基因負摩擦作用的變形和破壞等多方面的問題。其中黃土濕陷性問題最為突出,給鐵路運營和養護帶來的危害也最大。天然黃土在上覆土的自重壓力作用下,或在上覆土的自重壓力與附加壓力共同作用下,受水浸濕后土的結構迅速破壞而發生顯著附加下沉的,稱為濕陷性黃土。當黃土作為建筑物地基時,為了恰當考慮濕陷對建筑物的影響,需采取相應的措施,分析、判別黃土是否屬于濕陷性的、其濕陷性強弱程度以及地基濕陷類型和濕陷等級,是黃土地區工程勘察與評價的核心問題和工程設計的基礎。

1黃土的成因

黃土是一個復雜而巨大的地質系統,因此,關于黃土成因的研究,己有百余年的歷史,中外學者先后提出了十多種不同成因的假說,其中主要是風成說、水成說和多成因說三大類型。一般認為,典型的、或原生的黃土主要是風成黃土。黃土狀土或次生黃土多為其他成因的黃土或經過其它營力改造過的風成黃土。

2黃土的濕陷性及敏感性

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,但遇水浸濕后會發生變形大幅度突增和強度也隨之迅速降低的現象。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,黃土工程性質的研究出現了由側限壓縮到三軸壓縮,由常規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。濕陷類型和濕陷等級不能完全表達濕陷性黃土的全部工程性質,對于自重濕陷性黃土,還應研究濕陷敏感性。根據敏感性指標,可將自重濕陷性黃土地基按敏感性分為:很敏感、不很敏感、不敏感三類,對濕陷量(等級)相同但敏感性不同的自重濕陷性黃土應區別對待。

3黃土的濕陷性對樁基沉降的作用

濕陷性黃土地基中的樁基由于黃土的浸水濕陷在樁體側壁上形成負摩擦力,負摩擦力產生的下拉荷載必然加大樁基的沉降,因此,濕陷性黃土地基中單樁的沉降量除上述這些影響因素外,還有負摩擦力的影響。所以,在驗算樁基沉降時需考慮負摩擦力的作用。就黃土的濕陷性對樁基沉降的影響而言,負摩擦力值越大,中性點越低,下拉荷載就越大,對樁基沉降的影響也就越顯著。黃土的濕陷性對樁基沉降的主要作用有:

①濕陷性黃土層越厚,濕陷等級越高,對樁基沉降的影響越大。②同一種黃土,當含水率較低時,負摩擦力相對較大,對樁基沉降的影響也大,隨著含水率的增大,負摩擦力會減小,對樁基沉降的影響也會減少。③樁的長徑比越小,截面剛度越大,負摩擦力越大,中性點也越深,對樁基沉降的影響也越大。④樁底持力層的剛度越大,樁受到的負摩擦力越大,對樁基沉降的影響越大。

4黃土濕陷處理措施

當黃土地基的濕陷變形、壓縮變形或承載力不能滿足設計要求時,要針對不同的建筑類別和黃土的濕陷特點,采用經濟合理的處理措施。目前我們已經由早期的大開挖逐漸發展到后來的墊層(灰土或砂石)、強夯(表面強夯、深孔強夯、置換強夯)、擠密(灰土樁,水泥土樁,二灰樁、DDC)、沉樁(預制打入樁、鉆孔灌注樁、大徑擴底灌注樁、水泥攪拌樁)、化固(單液法,雙液法,堿液法,水泥漿灌注法)和預濕等,這些方法與設計中基本防水,檢漏防水和嚴格防水等不同的等級以及施工中的施工防水等防水處理措施的結合成了黃土地基設計施工中的一個重要理念。黃土一般為粉質赫土或粉土,當用黃土直接作填料用于鐵路建設當中時,其壓實性質、穩定性和水穩性均較難達到路基工程的要求,因此需將黃土進行改良填筑,其黃土改良方法主要是摻加水泥、石灰等摻和料,這樣改良后黃土的強度、變形特征、水穩性都會有大的改善和提高。

5黃土路基工后沉降評估

路基的變形一般可分為路基的工后沉降和路基的彈性變形及塑性變形兩類。工后沉降為路基竣工開始鋪軌后產生的沉降,它由路基本體的壓密變形和地基的沉降變形兩部分組成。實測資料表明,當填料及壓實度滿足要求時路基填筑部分的壓密沉降僅占填土高度的0.1—0.5%,且一般在一年左右即可完成,所以,路基工后沉降主要是由地基沉降引起的沉降量。工后沉降的控制是路基上鋪設無碴軌道的關鍵,在鋪設無碴軌道之前,為保證路基的工后沉降和變形符合設計要求,必須對路基變形作系統的評估。勘察設計階段,可根據地質條件、土層物理力學參數、填土高度、地基加固措施、工期等計算總沉降量及工后沉降量,以便選擇合理的地基加固措施。由于地層的不均勻性、參數選取的精度、計算方法的局限性以及施工過程等因素的影響,設計階段的沉降計算只能是一種估算,其精度難以滿足客運專線標準要求。因此,客運專線沉降控制必須根據施工期間和路基填筑完成或施加預壓荷載后不少于6個月的觀測期和調整期的實測沉降數據,采用數學方法對最終沉降量、沉降速率、工后沉降量進行推算,借此確定鋪軌時間。

6結語

由于黃土工程地質性質的復雜性,因此需要進一步結合區域黃土的地貌特征、成因、地層結構特征、物理力學性質和濕陷性特征對浸水試驗工點濕陷性結果的差異性做出合理的解釋和分析,為鐵路建設的濕陷性問題提供可靠的數據支持以及處理方法。

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