襄陽地區膨脹土脹縮變形分析與加固措施設計

沈 磊 趙德文

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

膨脹土在我國多個省市均有分布，是一類具有多裂隙性、脹縮性和超固結性的黏土，給鐵路建設帶來相當大的危害[1-2]。從以往常規鐵路的工程實踐來看，鐵路膨脹土地區既有線的路基完好率僅為25%，基床翻漿冒泥、路肩鼓脹、路塹側溝壁擠出等是其引起的常見病害。對于無砟軌道高速鐵路，目前常見的問題和現象為：路基隆起變形影響無砟軌道的幾何狀態，并具有局部性、隨機性等特點[3]。以下分析膨脹土地基的變形特性，并給出加固措施建議[4]。

1 氣象條件

研究區域地處亞熱帶季風區，氣候溫和多雨，冬季(12月～次年2月)寒冷少雨，春季(3～5月)多陰雨，雨量不大；初夏(6～7月上旬)雨量集中，易發生洪水；盛夏(7～8月)高溫炎熱，伏旱頻繁，時有特大暴雨發生；秋季(9～11月)氣候涼爽。多年平均降雨量約為910 mm。一般情況下，冬季雨量約占年總量的10%，春秋季雨量約占年總量的40%，夏季雨量約占年總量的50%。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

襄陽地區地貌以漢江為界，兩側差異較大。漢江以東為南襄盆地(南陽盆地)西南部的漢江沖積平原區，地形平坦開闊，與丘陵相接地段地形略有起伏，多呈壟崗狀，侵蝕風化嚴重，沖溝發育；鐵路工程以路堤填方、橋涵工程為主，路塹挖方地段較少，無隧道工程。漢江以西呈壟崗間丘陵地貌，其中峴山-隆中、廟灘鎮、谷城縣城附近主要為漢江階地，其余地段屬丘陵地帶，地勢總體呈起伏狀，深挖方、短隧道工程較為普遍。

2.2 地層巖性及地質構造

線路基本上在壟崗階地行進，壟崗表層為第四系中、上更新統網紋黏土，粉質黏土，黏土，局部夾有鈣質結核，下部為砂礫石層或黏性土充填的礫石層，黏性土層具弱-中膨脹性，一般以硬塑-半干硬為主。坳谷表層局部分布有軟塑-可塑的松軟土，厚度一般為3～6 m。下伏地層以漢江為界，漢江以東以白堊系泥質砂巖、泥巖為主，漢江以西主要為志留系粉砂巖、頁巖。

襄陽地區屬南襄盆地南緣，覆蓋層較厚，沿線地質構造多以隱伏構造為主，地面出露較少，對工程影響較小。

2.3 水文地質條件

襄陽地區壟崗及高階地覆蓋層呈典型的二元結構，黏性土層厚5～20 m，下部砂礫石層往漢江方向逐漸增厚(最厚處超過40 m)。地下水水位隨含水層的埋深變化較大，一般屬于孔隙潛水，少數略具承壓性。漢江一級階地的深厚砂礫石層為良好的含水層，水量豐富，透水性好，水質較好，受大氣降水和地表徑流補給。

3 襄陽地區膨脹土特性

襄陽地區膨脹土以Q2、Q3黏性土地層為主，為本線最具代表性的標志性地層之一，廣泛分布于壟崗及河流階地上，呈棕黃、棕紅、棕褐色、磚紅色、褐黃色，外表呈網紋、蠕蟲狀，壟崗以硬塑-堅硬為主，坳谷多為可塑。第四系覆蓋層一般厚10～20 m，往南襄盆地方向厚度趨增，在襄陽附近達到最大(鉆孔80 m尚未揭示完全)。

膨脹性判定主要依據《鐵路工程特殊巖土勘察規程》[5]。線路通過地區的膨脹土路基工點取樣化驗結果顯示：該段線路膨脹土的自由膨脹率一般大于40%，蒙脫石含量為25%左右，陽離子交換量一般為240～355 mmol/kg，膨脹潛勢級別以中等膨脹性為主；個別地段膨脹土的自由膨脹率達到80%左右，蒙脫石含量40%左右，陽離子交換量大于360 mmol/kg，屬強膨脹土。結合路基工點劃分情況，中-弱膨脹土工點約占46%，中膨脹土工點約占53%，強膨脹土工點不到1%(如表1)。

表1 襄陽地區膨脹土主要物理及膨脹性指標

4 膨脹土脹縮機理

根據其成因，膨脹土地基變形可分為飽水膨脹變形和失水收縮變形，總稱膨脹土的脹縮變形。根據《膨脹土地區建筑技術規范》，膨脹土變形計算可分為3種情況(即Se、Ss、Ses)[6]，對于天然狀態下的某種特定膨脹土，其最高含水量對應其最大體積，其最小含水量對應其最大收縮量。從最小體積至最大體積的往復變形中，其最大變形量為一定值C，即

max(Se)=max(Ss)=max(Ses)=C

以上膨脹-收縮過程隨水文年自由循環(如圖1)。

圖1 天然狀態下地表膨脹-收縮曲線

隨著含水率的增長，膨脹率緩慢增大，當含水率達到一定程度后，膨脹率急劇增大；初始含水率越小，膨脹程度越嚴重[7]。

在外部荷載一定的條件下，膨脹進程受到外部荷載限制，整個膨脹-收縮變形在達到最小含水率時完成最大收縮變形，其膨脹-收縮過程的最大變形量為加荷狀態下的膨脹變形量，并以此為振幅往復振蕩，但并非完全可逆[8](如圖2)。

圖2 加載狀態下地表膨脹-收縮曲線

Hs——最大含水量(最大膨脹變形)對應的地面高程；

He——最小含水率(最大收縮變形)對應的地面高程；

Wmax——最大含水量；

Wmin——最小含水量；

Sep——加載狀態下的最大膨脹量。

5 膨脹土膨脹性判定及計算依據

根據研究對象的實際建設情況以及安全等級，依據《膨脹土地區建筑技術規范》計算預測膨脹地基變形量[5-6]。

Se=ψe∑δepi·hi

(1)

∑hi=da-d

其中ψe——經驗系數，根據規范取值0.6；

δep——自重應力與附加應力之和作用下的膨脹率(本線為I型雙塊式無砟軌道，軌道與列車均布總荷載為50.5 kPa，采用室內在50 kPa荷載下所得到的膨脹率最大值)；

h——基礎底面至大氣影響深度底面的計算厚度；

da——大氣影響深度，與區域水文、氣象條件有關；

d——基礎埋深。

對于某一特定區域，在特定載荷作用下，經驗系數(ψe)、大氣影響深度(da)以及膨脹率(δep)皆為定值。因此，膨脹變形量的大小取決于基礎埋深。根據取樣試驗，在50 kPa荷載條件下，試樣中膨脹土的最大膨脹率為0.28%；根據襄陽地區氣象資料(月蒸發量及降水量數據)，計算得到襄陽地區大氣影響深度約為3.43 m。與南陽地區對比，該值代表性較高[9]。因此，本地區的膨脹土最大膨脹量可表述為

Se=0.6×0.0028×(3.43-d)=1.68(3.43-d)

(2)

按照《高速鐵路設計規范》，無砟軌道路基基床由基床表層和基床底層組成，結構總厚度為2.7 m[4]。根據路基的填筑形式，可分以下情況進行討論。

①路堤填高大于2.7 m，路基作為軌道基礎完全置于地表，d值為0，采用γH法，地基上附加應力最小值(填高為2.7 m時)相當于室內有荷膨脹率試驗采用的100 kPa荷載條件。根據室內側限條件下的有荷膨脹率試驗結果，其有荷膨脹率為0，根據公式(1)計算，膨脹土地基不會產生膨脹變形；實際工程中，多采用地基加固以控制其工后沉降滿足規范要求。

②低填淺挖(填高或挖深不大于2.7 m)路段，路基設計為復合結構形式[10]，即路堤式路塹。根據地基土膨脹潛勢，斷面設計采用小堤式路塹或大堤式路塹。當采用小堤式路塹時，應將開挖后路塹的側溝底面作為新的大氣水文交換面(如圖3)。

圖3 弱-中膨脹土路塹和低矮路基膨脹量計算示意(單位：m)

根據公式(2)，d=2.3-0.7=1.6 m

Se=1.68×(3.43-1.6)=3.07 mm

因此，在未進行地基處理時，膨脹土小堤式路塹最大膨脹變形量為3.07 mm。

在強膨脹土地段，當低矮路堤或路塹設計為大堤式路塹形式時(如圖4)，根據公式(2)，有

d=0 m，Se=1.68×(3.43-0)=5.76 mm

因此，在未進行地基處理時，膨脹土大堤式路塹可以產生的最大膨脹變形量為5.76 mm。

圖4 強膨脹土路塹和低矮路基膨脹量計算示意(單位：m)

6 膨脹土地基處理設計

6.1 一般路堤(填高2.7 m以上)

襄陽地區壟崗及坳谷地帶的覆蓋層表層多分布有軟塑-可塑粉質黏土，下部含粉、細砂等透鏡體，設計時，應按松軟土路基進行地基加固處理。對膨脹土地基進行復合地基加固設計時，宜結合膨脹土具體發育特征，計算中考慮其超固結性[11]，采用挖除換填或復合地基加固[12]。當松軟土(膨脹土)層厚度小于3 m時，宜采用挖除換填A、B組填料的措施(如圖5)。

圖5 膨脹土層厚度≤3 m采用挖除換填處理(單位：m)

當松軟土(膨脹土)層厚度大于3 m時，一般采用CFG樁加固，樁底應穿透松軟土地層并置于基巖或砂礫石層之中，設計最小樁長為4 m(如圖6)。

圖6 膨脹土層厚度>3 m采用復合地基處理(單位：m)

6.2 路塹及低矮路基(填高≤2.7 m)

路基基床總厚度為2.7 m。其中，基床表層采用級配碎石，厚0.4 m；基床底層采用A、B組填料填筑，厚2.3 m。基床范圍內挖除膨脹土，基床底層與下部膨脹土之間采用“中粗砂+復合土工膜”隔離，厚0.1 m；并根據地基土膨脹潛勢，采用小堤式路塹或大堤式路塹進行橫斷面設計。

對于挖深大于2.7 m的膨脹土路塹，亦可采用復合結構形式，針對不同膨脹潛勢的地基及路基橫斷面，采用大堤式路塹或小堤式路塹形式，基底以下除防水保濕措施外，一般不需進行地基加固處理(如圖7、圖8)。

圖7 深挖方路基基底防排水措施(小堤式路塹)(單位：m)

圖8 深挖方路基基底防排水措施(大堤式路塹)(單位：m)

對于挖深不大于2.7 m的膨脹土路塹或低矮路基，當膨脹土層厚度小于3 m時，可挖除換填A、B組填料；膨脹土層厚度大于3 m時，一般采用CFG樁筏結構加固，樁長根據檢算確定，設計最小樁長為4 m(如圖9、圖10)。

圖9 淺挖方和低矮路基地基加固處理(小堤式路塹)(單位：m)

圖10 淺挖方和低矮路基地基加固處理(大堤式路塹)(單位：m)

同理，對于基床底面以下，可采用挖除換填或復合地基加固的膨脹土路塹和低矮路基，無需考慮地基膨脹變形。

6.3 膨脹土地基防排水措施

溫濕度變化是引起膨脹土地基工程性質變化以致發生各種基床病害的根本原因，設計過程中必須重視膨脹土地基的防水保濕工作。

(1)應控制大氣降水直接入滲浸潤基床及地基土。基床表面、路塹側溝內外側平臺均采用混凝土封閉，并將其表面設計為不小于4%的排水坡度，將降水收集入排水系統；低填淺挖路基、路塹采用復合結構設計形式，可有效地降低或消除水對基床部位的侵害[10]。

(2)在路塹地段，于基床底層底面鋪設“中粗砂+復合土工膜”，用以隔離下部地基膨脹土，并通過人字坡將地表和地下滲水引排至基床底部兩側縱向滲排水網管(地下水較豐富時采用排水盲溝，如圖7)或側溝(如圖8)，以確保基床以下地層的含水量保持在穩定狀態。

7 結束語

以襄陽地區某在建高速鐵路工程為例，采用大氣影響深度法對該地區膨脹土的膨脹性進行研究，通過計算得出不同路基設計形式膨脹土地基的膨脹量，對不同厚度膨脹土地基采取了針對性的地基加固措施。無論何種斷面形式的膨脹土路基，未經處理的地基可能產生的膨脹量都很微小，其最大膨脹量僅為5.76 mm。考慮到路基本身為柔性結構物，地基膨脹產生的微小變形傳遞至基床表面時應遠小于其初始值[13]。因此，地基膨脹變形處于可接受范圍。同時，為減弱溫濕度變化對膨脹土地基的影響，在地基處理時通常于基底處采取隔水保濕措施。

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