雅萬高鐵動車段軟土物理力學特征

張青波

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

軟土一般具有高含水率、高壓縮性、低強度、低滲透性等特點，在軟土地基上修建高速公路、鐵路等，地基將會產生較大沉降且長期不能穩定，從而引起路基、路面變形，影響正常使用。因此，有關軟土特性及地基處理措施的研究受到了很多學者的重視。如張濤[1]等分析了太湖沖湖積相軟土的壓縮特性。桂躍[2]等對昆明、大理的高原湖相泥炭土開展了一系列次固結試驗，發現昆明泥炭土的次固結系數和壓縮指數具有一定的相關性。崔紅軍[3]等介紹了排水法處理湖積軟土的施工方法及效果。李學剛[4]等研究了杭州地區海、湖相軟土的工程特性。朱愛民[5]闡述了樁網及樁筏結構在上海虹橋鎮深厚軟土地基處理中的應用。鄔強[6]介紹了采用真空聯合堆載預壓處理武漢新區湖積相軟土的工程實例。吳賢國[7]介紹了湖沼相沉積層軟土地基處理方案的比選與設計。寧建根[8]等論述了拋石擠淤在山西湖積軟土路基中的應用。

關于印尼萬隆地區軟土的工程特性，已有學者進行了相關研究，如王祥[9]通過X射線衍射分析、薄片鑒定、土工試驗等手段研究了萬隆地區軟土的礦物組成和物理力學性質。C.J.Chartres[10]和 Rina Devnita[11]對萬隆地區火山灰的物質成分進行了研究。A. Desiani[12]對萬隆Gedebage地區的鉆孔及土工試驗數據進行了匯總分析，認為42 m以下的土壤與42 m以上的土壤之間存在差異。

以下基于前人的研究成果，對雅萬高鐵動車段軟土的物理力學特征進行深入研究。

1 工程概況

雅加達至萬隆高速鐵路(雅萬高鐵)位于印度尼西亞爪哇島，動車段位于線路終點的萬隆盆地，北側為既有高速公路，東側為既有鐵路，地形平緩，地表主要為水稻田(如圖1所示)。

圖1 動車段位置

萬隆盆地為火山環繞形成的大型山間盆地，中部海拔約665 m，盆地內河流發育，旱季、雨季分明，屬于典型的熱帶季風氣候。

主要地層為：①淤泥，深灰色，黑灰色，流塑，局部軟塑，層厚1.79～19 m，σ0=60 kPa。②黏土，灰綠色，軟塑，層厚1.46～5.26 m，σ0=100 kPa。③黏土，灰褐色，軟塑，層厚2.58～3.29 m，σ0=120 kPa。④黏土，灰綠色，23.6 m以下為褐灰色，硬塑，層厚1.63～4.27 m，σ0=160 kPa。⑤黏土，深灰色，硬塑，層厚1.02～3.83 m，σ0=200 kPa。⑥中砂，深灰色，中密，飽和，成分以火山碎屑為主，層厚1.13～1.59 m，σ0=370 kPa。⑦黏土，褐灰色，堅硬，層厚2.0～9.0 m，σ0=300 kPa。

2 物理力學特征

2.1 礦物組成

萬隆地區火山灰成分主要為高嶺石、英石、伊利石等黏土礦物，化學成分主要為SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO等[9-11]。

經測試，動車段軟土主要成分為硅藻、黏土礦物、火山灰，其次為各種巖屑、礦物晶屑[9]。軟土結構呈砂粒狀，火山灰成分在靜水環境下易發生水化學反應，使其顆粒間具有一定的膠結作用，因黏土礦物較多，土體表現出較強的結構性，XRD試驗結果如表1所示。

表1 XRD試驗結果

2.2 物理指標

(1)天然含水率

通過烘干法測得的208個土樣的含水率為21.9%～283%，不同深度處的含水率數據如圖2所示，60 m內土的含水率大概可分為5層，各層含水率分別為(59.5±23.6)%、(140.5±51.8)%、(75.0±28.1)%、(116.0±43.6)%、(46.2±18.4)%。

圖2 含水率分布(22xx為鉆孔編號)

其中，2257、2265、2266～2269號孔11.5～17.5 m處總計有7個土樣的含水率低于100%(為軟土層中夾雜的局部相對硬層)，但是層厚較小，深度不一，故將5～19 m分為一層。

由圖2可知，該段軟土的含水率較高，表明土的孔隙比非常大，計算孔隙比為0.72～7.04，平均值為2.59；計算飽和度為79%～100%，平均值為97%，土體基本處于飽和狀態。

(2)天然密度

145個土樣的天然密度試驗結果為1.17～1.82 g/cm3，各層含水率的平均值和標準差如表2所示。

表2 天然密度統計 g/cm3

由表2可知，特殊的物質來源和地質成因使得該段軟土的天然密度較低，有機質含量較高。實測有機質含量為6%～26%，平均值為11.78%。

天然密度與含水率的關系如圖3所示，可見天然密度與含水率具有顯著的相關性，可用冪函數表達。

圖3 天然密度與含水率的關系

(3)顆粒密度

151個土樣的比重瓶試驗結果為2.16～2.77 g/cm3，平均值為2.56 g/cm3，標準差為0.14 g/cm3，60 m深度范圍內土的顆粒密度無明顯的分層，可推測該段軟土的物質來源相對均一。

(4)界限含水率

212個土樣的液限為26.6%～215%，塑限為19.2%～160%，塑性指數為6.5～87.8，土的界限含水率也具有明顯的分層特征，各層平均值和標準差如表3所示。

表3 液、塑限統計

軟土塑性圖如圖4所示，該類軟土在A線以下(Ip>17，WL>45)，在塑性圖中的位置與紅黏土相似，但是從地質成因角度分析則不屬于紅黏土。

圖4 軟土塑性指數

2.3 力學指標

(1)土的可壓縮性

140個土樣的壓縮模量為0.7～16 MPa(如圖5所示)，土的壓縮模量也具有明顯的分層特征，各層壓縮模量分別為4.3±1.6 MPa、1.2±0.7 MPa、4.9±2.7 MPa、3.2±2.1 MPa、8.0±2.3 MPa。

圖5 軟土壓縮模量分布

由圖5可知，該段60 m內的地基土均為中-高壓縮性土。設計時應盡量降低填土高度，以減少附加荷載產生的沉降。

(2)標準貫入試驗

圖6 軟土標貫擊數分布

對14個鉆孔進行標準貫入試驗，測試結果如圖6所示。各層標貫擊數分別為3.2±1.9、0.8±1.9、11.7±6.9、15.1±12.2、35.6±14.9。

液性指數、壓縮模量及直剪強度與標貫擊數之間的關系如圖7所示。

圖7 液性指數、壓縮模量及直剪強度與標貫擊數的關系

從試驗結果可知，液性指數、壓縮模量、內聚力和內摩擦角同標貫擊數之間具有明顯的相關性，可通過線性擬合公式對相關參數進行估算。

(3)十字板試驗

對19 m以內土層進行原位十字板剪切試驗，1～4號孔試驗時間為2018年11月28日，原狀土十字板強度為5.2～27.2 kPa，重塑土的十字板強度為2.5～15.4 kPa，靈敏度為1.45～4.68，平均值為2.58。5～10號孔試驗時間為2019年4月23日，原狀土十字板強度為6.7～37.6 kPa，重塑土的十字板強度為3.2～25.1 kPa，靈敏度為1.21～2.41，平均值為1.53，屬于中-低靈敏度土。

兩次試驗十字板剪切強度均值隨深度的變化如圖8所示，旱季5 m以內原狀土和重塑土的十字板剪切平均值分別為19.1 kPa、13.3 kPa，雨季分別為9.6 kPa、4.1 kPa。

圖8 十字板剪切強度均值分布

5 m以上土層強度隨季節變化，根據費蘭紐斯公式(見式1)，計算旱季和雨季的臨界填土高度(分別為6.6 m和3.3 m)，故應盡量在旱季施工。

(1)

式中，Hc，Cu，γ為臨界高度、不排水強度和重度。

3 結論

(1)該段軟土物質成分主要為黏土礦物，具有含水率高、密度小、孔隙比大、液限高、有機質含量高等特點，天然密度與含水率之間的關系可用冪函數表達。

(2)該段地基60 m深范圍內均為中-高壓縮性土，分層特征明顯，其中5～19 m、26～42 m深度處土層物理力學指標較差，設計時宜降低場坪高程。

(3)該段軟土具有一定的結構性，液性指數、壓縮模量、內聚力和內摩擦角同標貫擊數之間具有明顯的相關性，可通過擬合公式對相關參數進行估算[15-16]。

(4)雨季期間的軟土強度較旱季時明顯弱化，應盡量在旱季進行填筑施工。