嚴寒地區高速鐵路軟土路基綜合勘察與分析

姜 祺

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

隨著高速鐵路的發展，路基的變形及穩定控制已成為客運專線鐵路設計中的難點和重點。軟土具有高含水量、高孔隙比、高壓縮性和低強度等特點，是影響路基設計穩定性的重要因素。 我國東北地區的軟土多為凍脹敏感性土[1，2]，進入冬季土壤凍結膨脹，易造成軌面不規則抬升；春融期后地面解凍，易引發路基的下沉破壞，影響鐵路正常運營。

關于嚴寒地區的軟土，前人進行了許多研究，如由國華等[3]對哈爾濱地區軟土的特性進行了研究；程培峰等[4]對嚴寒地區軟土的固結變形特性進行了分析；劉紅軍等[5]對嚴寒地區軟土地基沉降預測問題進行探討；陶夏新等[6]對嚴寒地區軟土的抗剪強度特性進行研究；崔伯民等[7]針對嚴寒地區軟土路基進行了相關試驗，并對試驗結果進行了分析研究。

結合既有工程項目，針對嚴寒地區軟土勘察的特點，采用原位測試、鉆探取樣及室內試驗相結合的綜合勘探方法，得到準確的勘察成果，并與非嚴寒地區軟土試驗資料進行比較，分析總結其工程特征，為嚴寒地區軟土路基設計提供依據。

1 工程概況

1.1 地理位置

新建牡丹江至佳木斯客運專線地處黑龍江省東部，其中DK63+294.73～DK64+603.00段路基位于低山丘陵區，該段線位大部分處于沖洪積形成的洼地內，地形平坦，略有起伏，大部分為荒地及林地，軟土分布廣泛。

1.2 氣象資料

該工點所屬區域為中溫帶大陸濕潤性氣候區，冬季受極地大陸氣團控制，嚴寒干燥；夏季受副熱帶海洋氣團的影響，炎熱多雨；春秋兩季因冬夏季風交替，氣候多變；春季多大風，降水少蒸發快，易發生干旱，秋季多寒潮侵襲，降溫急劇，易發生凍害，屬嚴寒地區。根據收集的氣象資料，該段區域最大凍結深度為2.12 m。

1.3 孔位布置原則

本次勘察階段為定測，考慮到本次路基工點涉及填挖方段落交錯間隔，且初測地層揭示不夠充分，勘探孔間距控制在15～30 m，橫斷面勘探孔間距控制在50 m左右。

2 嚴寒地區軟土綜合勘探

圖1 軟土路基代表性剖面

鉆探取芯能夠較為直觀地反映地層的分布，但在嚴寒地區的軟土勘探中(特別是軟黏性土夾層)，若在鉆探取樣過程中用水或溫度控制不當，很容易造成局部融區或孔內凍結，使得軟黏土夾層受到人為機械擾動，加之土中含粉粒 、粉砂，其固結較差，取得的樣品難以反映真實的地層情況。靜力觸探試驗能反映宏觀結構對巖土性質的影響，尤其對采樣困難的軟弱夾層反應靈敏，容易發現不穩定層次的變化及薄層軟黏性土。

針對嚴寒地區軟土地層的特點，采用鉆探結合觸探的方法。對于需要進行觸探的孔，在凍土層采用鉆探的方式(同時起到為觸探引孔的作用)；凍層以下采用雙橋觸探試驗；待達到下伏基巖深度時再改為鉆探，鉆進至設計孔深。二者互為驗證與補充，輔以標準貫入試驗和剪切波速試驗，從側面驗證地層性狀，配合室內試驗進行定性分析。

3 勘探成果分析

3.1 地層巖性

該段區域地下水埋深較淺，勘測期間地下水位埋深0～2.2 m，為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，主要由大氣降水補給，水位季節變化幅度為2.0～3.0 m。地層從上至下為第四系全新統人工填土層、第四系全新統沖洪積層、元古代花崗巖。地層分布見表1，代表性剖面見圖1。

表1 地層巖性特征 m

軟土主要為②15淤泥質黏土和②25淤泥質粉質黏土，詳細特征如下。

②15淤泥質黏土：黑灰色，褐灰色，流塑狀，土質不均，含腐殖質，略具腥臭味，該層在場地范圍內局部以透鏡體形式分布。

②25淤泥質粉質黏土：黑灰色，褐灰色，灰黑色，流塑狀，土質不均，含腐殖物，略有腥臭味，該層在場地范圍內多處分布，部分地段呈連續分布狀態。

3.2 指標統計分析

該路基段軟土層共完成鉆探取樣16組，進行了天然密度、天然含水量、孔隙比、液性指數、塑性指數、天然快剪、有機質含量和壓縮系數等試驗，其物理指標統計見表2。與其他地區軟土指標的對比見表3[8-11]，總結出該段嚴寒地區軟土存在如下特征。

(1)含水量較高

該段軟土的含水量大于38%，同時液性指數(IL)標準值大于0.9，表明其天然含水率較高且接近液限。將本次勘察與其他地區軟土含水量進行對比(見圖2)，有如下特點：

①該段嚴寒地區軟土的含水量平均值相較于非嚴寒北方地區軟土差異不明顯，但相較于南方地區軟土，其含水量要低得多。

②通過圖2中各地區軟土含水量最小值及最大值的比較，該段嚴寒地區軟土的含水量變化幅值小于北方非嚴寒地區，南方地區軟土含水量變化幅值均大于北方地區，這說明相較于北方地區，南方地區軟土的孔隙更發育。

圖2 各地區軟土含水量柱狀圖

(2)壓縮性高

該段軟土的孔隙比e>1，同時壓縮系數α0.1-0.2>0.5 MPa-1，表明其屬于高壓縮性土，在承受上部荷載的過程中易產生較大沉降。該段軟土與其他地區軟土壓縮指標的比較分析如圖3，可得出：

①相較于其他地區，該段嚴寒地區軟土的α0.1-0.2較小， 壓縮模量Es0.1-0.2較大，表明其壓縮性低于其他非嚴寒地區軟土。

②北方地區的軟土壓縮指標相較于南方地區，α0.1-0.2更低，Es0.1-0.2更大，說明南方地區軟土的壓縮性更高。

由圖4及圖5可知，該段軟土的孔隙比e與壓縮系數α0.1-0.2及壓縮模量Es0.1-0.2具有較好的相關性：

①孔隙比e與Es0.1-0.2呈冪相關，相關指數R2為0.795，回歸方程為

Es=3.446e-0.523

(1)

②孔隙比e與α0.1-0.2呈線性關系，相關指數R2為0.765，回歸方程為

α=0.568e+0.013 5

(2)

圖3 各地區軟土壓縮指標關系

圖4 本次勘察軟土孔隙比與壓縮模量關系

圖5 本次勘察軟土孔隙比與壓縮系數關系

(3)抗剪強度低

該段軟土的內摩擦角Φq<10，黏聚力Cq<23，其抗剪切能力較差，在路基施工及運行過程中易造成滑移失穩及不均勻沉降。該段軟土與其他地區軟土的剪切指標見圖6，經比較可以得出：該嚴寒地區淤泥質黏土的黏聚力Cq大于其他地區，北方地區軟土的Cq值較之南方地區普遍更大，表明其強度更高。

圖6 各地區軟土剪切指標

由圖7及圖8可知，該段軟土的液性指數IL與內摩擦角Φq及黏聚力Cq的對數存在一定的相關性，其關系式為

lg(Φq)=1.148IL-0.307

(3)

lg(Cq)=0.353IL+0.888

(4)

圖7 本次勘察軟土液性指數與內摩擦角關系

圖8 本次勘察軟土液性指數與黏聚力關系

表2 軟土地層物理指標統計

表3 其他地區軟土地層物理指標統計

(4)有機質含量高

該段軟土的有機質含量為8.27%～19.83%，屬高有機質土及泥炭土。較高的有機質含量會使土體抗壓強度下降，產生較大沉降。

(5)強凍脹性

經過試驗判別，該段軟土表層淤泥質粉質黏土具Ⅳ級強凍脹性～Ⅴ級特強凍脹性，表層淤泥質黏土具Ⅳ級強凍脹性。

3.3 原位測試成果

(1)標準貫入試驗

該軟土路基段共完成標準貫入試驗252次，其中淤泥質土層范圍內20次，其標準貫入擊數指標見表4。從統計結果可以看出，嚴寒地區軟土層的標貫擊數偏大，分析其原因，可能為土層中存在砂土薄層，致使土層不均，加之勘探時間為初冬，受土壤凍結影響所致。

表4 標準貫入指標統計

(2)靜力觸探試驗

該段共選取12孔進行雙橋靜力觸探，淤泥質土層指標見表5。由表5可以看出，兩層土的觸探錐尖阻力qc<0.7 MPa，根據規范判定為軟土，觸探試驗也驗證了該軟土的分布。

表5 軟土地層觸探指標統計

3.4 地層承載力

通過室內試驗、標準貫入試驗、靜力觸探試驗等多種方式計算嚴寒地區軟土地層承載力特征值。

(1)室內試驗法

室內試驗得到的孔隙比e及液性指數IL，根據《巖土工程勘察規范》中承載力推薦表，采用內插法計算[12]。

(2)標準貫入法

對標準貫入擊數N進行修正，再根據《建筑地基基礎設計規范》計算[13]

fak=105+20(Nc-3)

(5)

(3)靜力觸探法

按照《軟土地區巖土工程勘察規范》，對于黏性土、粉土和砂土，無當地經驗時可以采用式(6)估算[14]

fak=29+0.072qc

(6)

采用以上方法計算地層承載力特征值的結果見表6，由表6可知，本次嚴寒地區軟土承載力推薦范圍為62.1～118 kPa。由于土層中存在砂土薄層及季節影響，使得本次標貫擊數偏大；土樣在取樣及運輸過程中受到擾動，存在部分失水，導致室內試驗含水量偏低，使得地層承載力特征值偏大。靜力觸探過程中土樣受到的擾動較小，得到的地層承載力特征值較為真實合理。綜合考慮，建議本段軟土承載力特征值可取為70 kPa。

表6 地層承載力特征值計算 kPa

4 建議處理方案

對沿線分布的軟土進行綜合勘探分析，確定了其分布范圍、埋深及相關設計參數指標。嚴寒地區軟土路基的施工處理過程中，需特別考慮凍脹及凍融問題，防止因凍脹而導致軌道抬升或因凍融導致的不規則沉降。結合相關工程經驗[15-18]，對處理方案提出如下建議：

(1)對于埋深小于3 m的軟土層，應采用挖除換填加固的處理措施。挖除軟土前應提前挖好排水溝，排除地表水以及盡可能的降低地下水位；若降水效果不理想，可在挖除軟弱土至透水性好的砂土層后，基底先采用50 cm毛石填筑，壓實后再采用砂礫分層填筑。換填至地面高程后壓實，再鋪設一層土工格柵。

(2)對于埋深大于3 m的軟土層，選用CFG樁加固的處理措施，樁徑為0.5 m，樁間距控制在2 m以內，正方形布置。樁頂設置C35鋼筋混凝土樁帽，樁帽上鋪設0.5 m厚碎石墊層，墊層內加鋪一層土工格柵(100 kN/m)。

(3)路堤基床表層取0.7 m，采用級配碎石摻5%水泥填筑，基床底層厚度取2.3 m，上部1.8 m 采用非凍脹A、B組土填筑，其下0.5 m采用A、B組土填筑。基床以下填筑A，B組和C組碎石、礫石類填料。

(4)路堤邊坡坡度建議為1∶1.50，路塹邊坡坡度建議為1∶1.75。線路單側或兩側設置C35鋼筋混凝土矩形側溝，在溝下設置上覆保溫板的滲水盲溝并設置保溫出口，滲水盲溝每隔25 m設置一處檢查井。

(5)施工應避開雨季和季節性凍土期，根據氣象資料，施工宜在9月份至10月中旬期間實施。

5 結論

(1)為了研究嚴寒地區軟土的特殊工程性質，采用工程地質測繪、原位測試、鉆探取樣及室內試驗相結合的綜合勘探方法。

(2)該地區軟土含水量ω>38%，孔隙比e>1，壓縮系數α0.1-0.2>0.5 MPa-1、有機質含量為8.27%～19.83%，凍脹性為Ⅳ～Ⅴ級。說明其除具有一般軟土的高含水率、高壓縮性、低強度和高有機質含量等特點外，還具有嚴寒地區特有的強凍脹性。

(3)通過分析，該地區軟土的孔隙比e與壓縮系數α0.1-0.2呈冪相關，與壓縮模量Es0.1-0.2呈線性相關；液性指數IL與內摩擦角Φq及黏聚力Cq的對數呈線性相關。

(4)通過與非嚴寒地區軟土比較得出，該地區軟土的含水量平均值比南方地區低24%～49%，含水量變化幅值小于其他地區；壓縮系數較南方地區低35%～73%，具有更低的壓縮性；該段軟土內摩擦角Φq<10，黏聚力Cq<23，抗剪強度較之南方地區軟土更高。