鐵路路基弱膨脹土干濕循環作用試驗研究

于寶來

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

膨脹性黏性土在鐵路工程中較為常見,其膨脹性對鐵路工程影響較大。東北嚴寒地區某鐵路沿線廣泛分布具膨脹性的黏性土,該線路路基長約170km,土石方量大,土場距線路較遠,工程需要盡可能移挖作填,以減少棄方,節約工程投資,保護自然環境。因此,研究沿線黏性土的膨脹特性具有重要的工程意義。

膨脹土是工程中經常遇到的特殊土之一,外部環境作用下,其內部含水率變動形成干濕循環,內部顆粒間結構發生破壞,宏觀表現為裂隙的形成和發展,含水率的浮動導致土體脹縮,伴隨干濕循環,膨脹土的強度逐漸衰減。含水率和干濕循環次數是影響膨脹土裂隙發育的重要因素[1-2],裂隙發育開始于土體內部初始孔洞和微紋裂等薄弱處,并由此擴展延伸,形成裂隙面、裂隙體[3],影響裂隙張開程度的關鍵因素為土體上下層間的含水率梯度[4]。關于膨脹土收縮特性的研究可從礦物成分、土顆粒大小、含水率、干密度以及干濕循環等方面開展[5],葉萬軍探討收縮隨干濕循環次數和初始含水率的變化規律[6];唐朝生研究干濕循環路徑對膨脹土脹縮性的影響[7];段尚磊從過程角度初步揭示干濕循環對膨脹特性的影響[8];薛彥瑾建立膨脹土的膨脹量與含水率及厚度計算模型[9]。另外,含水率、干濕循環次數也是影響膨脹土抗剪強度的主要因素[10-12],程展林探討裂隙強度與抗剪強度的關系[13];湯羅圣給出抗剪強度參數與含水量、飽和度等回歸關系式[14];王文良提出干濕循環作用下持水狀態的抗剪強度公式[15]。以往研究對膨脹土特性系統研究較少,以下選取嚴寒地區某鐵路沿線具有代表性的膨脹土樣,通過室內試驗的方法,對膨脹土在干濕循環作用下的裂隙產生發展、土體脹縮變形以及抗剪強度變化的膨脹特性進行研究。

1 土的基本物理性質指標

路堤試驗段所處地貌為沖洪積平原,屬濕潤-亞濕潤大陸性氣候,按對鐵路工程影響,其氣候分區為嚴寒地區,各月平均氣溫為4.3℃,極端最高氣溫為37.7℃,極端最低氣溫為-37.5℃,室內試驗溫度約為20℃。沿線地表主要為第四系黏性土層,地下水埋深0.8～10.0m。該線為設計速度200km/h的Ⅰ級鐵路,路基基床厚2.5m,表層為0.6m厚級配碎石,底層為1.9m厚AB組填料。

對試驗段附近的土源進行調查并取樣,根據室內土工試驗結果,得到膨脹土樣的各項指標(見表1)。根據《鐵路工程地質勘察規范》的判別標準[16],土樣具弱膨脹性。

表1 土的基本物理性質指標

2 試驗方案

采用重塑壓實試樣進行膨脹土干濕循環試驗,試樣直徑為61.8mm,高度為20mm,試樣干密度為1.65g/cm3(壓實度為90%),制樣含水率為15.3%。

為研究含水率變化與膨脹土裂隙產生發展、土體脹縮變形以及抗剪強度變化的規律,共設計3組含水率變化幅度干濕循環試驗(即15.3%到飽和、15.3%到21.0%、15.3%到18.0%)。

干密度為1.65g/cm3的試樣的飽和含水率為23.0%,由于試樣吸水膨脹,穩定后的含水率會略大于23.0%,且每次干濕循環過程中,試樣膨脹變形穩定后的高度不同,故含水率會隨著干濕循環試驗次數的不同而變化。含水率變化幅度由15.3%到飽和條件下的一次干濕循環試驗過程如下:首先將膨脹土試樣通過浸水方式使其飽和膨脹,穩定后記錄試樣高度和影像,試樣底設置透水石以保證土樣完整性,然后通過風干的方式使其失水收縮,當試樣含水率降至制樣含水率時停止,記錄試樣高度。含水率由15.3%到飽和試樣分別在第0、1、2、3、4、5、6、8次干濕循環后進行飽和直剪試驗、有荷膨脹率及膨脹力試驗。含水率變化幅度由含水率由15.3%到21.0%和15.3%到18.0%在第1、3、6、8次干濕循環后進行飽和快剪試驗、有荷膨脹率及膨脹力試驗。

3 試驗結果分析

3.1 裂隙變化情況

將試樣置于數碼相機正下方中心位置,保證鏡頭垂直于試樣表面,記錄每次干濕循環后試樣的裂隙發展情況,含水率變化幅度由15.3%到飽和的試驗結果見圖1。從圖1可以看出,干濕循環過程中,試樣產生裂隙,裂隙分支拓展并貫通,最終裂隙網格化后,試樣破壞趨于穩定。

圖1 含水率15.3%～飽和干濕循環試驗過程中裂隙變化情況

第1次浸水飽和后,試樣發生膨脹變形,表面高出環刀邊緣;第1次失水風干后,試樣發生收縮,邊緣與環刀脫離形成縫隙,同時試樣表面出現數條細微裂隙。

第2次浸水飽和后,試樣再次膨脹,試樣與環刀貼合,之前脫離的縫隙基本消失,試樣表面的微裂隙也閉合平整;第2次風干失水后,試樣表面微裂隙轉變成連續裂隙,周圍出現分支微裂隙,試樣邊緣與環刀再次脫離。

第3次至第5次干濕循環過程中,失水后試樣表面由小裂隙產生一條貫通表面的主裂隙,該主裂隙周圍出現分支裂隙,裂隙逐漸擴展,裂隙總長度增加、寬度加大,裂隙由表面向深層發展,第5次失水后試樣表面局部土體脫落。第6次至第8次失水收縮后,試樣邊緣保持與環刀間的縫隙,試樣表面的裂隙逐漸貫通,形成網格狀,相比前幾次失水過程,第6次至第8次裂隙寬度均較大,但裂隙發展趨勢較為緩慢,說明試樣失水導致的結構破壞趨于穩定。

試樣含水率變化幅度由15.3%到21.0%、15.3%到18.0%的干濕循環裂隙發展規律,與含水率變化幅度由15.3%到飽和時基本相同(見圖2、圖3),但吸水后的膨脹有所減小,失水產生的裂隙的深度有所降低。

圖2 含水率15.3%～21.0%干濕循環試驗過程中裂隙變化情況

圖3 含水率15.3%～18.0%干濕循環試驗過程中裂隙變化情況

3.2 脹縮變形規律

分別定義試樣的絕對膨脹率(δae)、相對膨脹率(δre)、絕對收縮率(δas)和相對收縮率(δrs)[17],有

式中:h0為土樣的初始高度;hei為試樣第i次膨脹變形不變后的高度;he(i-1)為試樣第i-1次膨脹變形不變后的高度;hs(i-1)為試樣第i-1次收縮變形不變后的高度;hsi為試樣第i次收縮變形不變后的高度。

絕對膨脹率、相對膨脹率與干濕循環次數的關系曲線見圖4、圖5。由圖4和圖5可看出,膨脹土試樣的絕對膨脹率與干濕循環次數呈正相關,而相對膨脹率與干濕循環次數呈負相關,在干濕循環6次后,二者均趨于穩定。絕對膨脹率、相對膨脹率均大于零,說明試樣在干濕循環過程中浸水后都發生了膨脹變形;對比不同曲線,干濕循環過程中含水率變化幅度越大,絕對膨脹率、相對膨脹率也越大。對比浸水后的3組含水率膨脹情況,試樣在浸水飽和后發生的膨脹現象要明顯大于其他2組。

圖4 絕對膨脹率變化曲線

圖5 相對膨脹率變化曲線

絕對收縮率、相對收縮率與干濕循環次數的關系曲線見圖6、圖7。由圖6和圖7可看出,膨脹土試樣的絕對收縮率與干濕循環次數呈正相關,而相對收縮率與干濕循環次數大體呈負相關,在含水率變化幅度較小的情況下關系不明顯,在干濕循環6次后,二者均趨于穩定。絕對收縮率大于零,說明試樣在干濕循環過程中發生不可逆的膨脹變形;相對收縮率小于零,說明試樣在干濕循環過程中每次失水時都發生收縮變形。干濕循環過程中含水率變化幅度越大,絕對收縮率、相對收縮率也越大。

圖6 絕對收縮率變化曲線

圖7 相對收縮率變化曲線

3.3 無荷和有荷膨脹率

無荷和有荷膨脹率試驗結果見表2。從表2可以看出,隨著干濕循環次數的增加,無荷和有荷膨脹率逐漸降低,但減幅變緩,隨荷載的增加膨脹率則降低。

表2 無荷和有荷膨脹率試驗結果

3.4 膨脹力變化規律

X軸表示垂直壓力,Y軸表示有荷膨脹率,繪制二者的關系曲線,膨脹率為0時,壓力即為膨脹力。干濕循環后的膨脹力試驗結果見表3。干濕循環作用導致膨脹試樣的膨脹力降低,先期循環作用影響較大,后期膨脹力基本穩定, 說明隨著干濕循環次數的增加,膨脹土的膨脹勢逐漸降低;對比不同含水率的干濕循環試驗結果,含水率變化幅度越大,膨脹勢降低也越顯著,對比6次干濕循環后的結果,干濕循環過程中含水率變化幅度越大,剩余膨脹力越小。

表3 膨脹力與干濕循環次數試驗結果

3.5 抗剪強度變化規律

選擇特定的干濕循環次數,即0、1、2、3、4、6、8次試樣飽和后,對試樣進行固結快剪試驗,試驗所得抗剪強度參數見表4。由表4可以看出,干濕循環過程中膨脹土的內摩擦角與循環次數關系的規律不明顯,基本在21°～22°之間;黏聚力隨干濕循環次數的增加而逐漸減小,第1次干濕循環黏聚力絕對衰減率差值為35.0%,第2次絕對衰減率差值為10.4%,第3次以后的循環過程中黏聚力趨于穩定。

表4 固結快剪與干濕循環次數試驗結果

干濕循環過程中裂隙的產生和拓展,土體內部顆粒間結構破壞,黏結作用衰弱是導致土體黏聚力降低的原因之一。

4 路堤穩定性分析

對弱膨脹土作為基床以下路堤填料進行現場試驗,通過現場埋設溫度計及含水率計,監測路堤土體的溫度和含水率,根據不同深度地溫和含水率的變化綜合確定大氣影響深度。圖8為土體溫度變化幅度隨深度變化關系,當深度為4m時,土體溫度變化幅度不大于10℃。圖9為土體含水率幅度隨深度變化關系,當深度為2m時,含水率變化幅度不大于2%,2～4m含水率變化幅度也維持在不大于2%的水平。根據土體含水率、溫度隨深度的變化關系,路堤大氣影響深度約為4.0m。

圖8 土體溫度變化幅度隨深度變化關系

圖9 土體含水率幅度隨深度變化關系

路堤基床表層厚0.6m,底層厚1.9m,自路堤面0～8m邊坡坡率為1∶1.5,8m以下為1∶1.75,建立計算模型時,將路堤坡面向內垂直移動4m,得到一個梯形核心區未受干濕循環影響的土層,該核心區土體參數取常規快剪強度指標(c=17.7kPa、φ=21.3°),除此之外的膨脹土填料采用經歷8次干濕循環后的快剪強度指標(c=10.9kPa、φ=21.1°),計算模型見圖10。

圖10 路堤穩定計算模型

通過圓弧滑動穩定性計算,得到不同高度穩定性安全系數,見表5。在地震烈度6度、7度區范圍內,邊坡高度在8m以內穩定性安全系數大于1.25,滿足規范要求。建議8m以內路堤段可直接利用弱膨脹土作為基床以下路堤填料;當路堤≥8m時,應采取其他加固措施或對土體進行改良。

表5 路堤穩定性安全系數

5 結論

針對嚴寒地區鐵路工程中遇到的具弱膨脹性黏性土,對3組不同含水率變化幅度的弱膨脹土試樣進行的8組干濕循環室內試驗,得到以下主要結論。

(1)干濕循環過程中弱膨脹土裂隙由產生、分支拓展到貫通成網格狀,最終趨于穩定,裂隙發展具有不可逆性。

(2)膨脹土發生膨脹變形同樣具有不可逆行,干濕循環過程中含水率變化幅度越大,膨脹和收縮變形則越大,膨脹土的膨脹勢隨著干濕循環次數的增加而逐漸降低。

(3)干濕循環過程中,膨脹土的內摩擦角基本保持不變;黏聚力隨干濕循環次數的增加而降低,在3次干濕循環以后,其數值基本保持不變。

(4)弱膨脹性黏性土可直接作為路堤基床以下填料,但邊坡高度不宜超過8m。